英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
多孔泡沫陶瓷对采空区气体爆炸的初步研究
ZHANG Dong 1, NIE Baisheng , , WANG Chao , ZHAO Fei , GUO Jianhua ,LIU Xingna , LI Qian , LI Hailong , ZHANG Chen
中国矿业大学(北京)，北京100083，中国
摘要
瓦斯爆炸是威胁我国煤矿安全的最严重的事故之一。采空区，特别是上面的角落，往往积聚甲烷和泄漏空气，那个构成了潜在的气体爆炸源，控制这一地区的甲烷仍然是煤矿经营者所关心的问题。为了应对自发燃烧导致的爆炸，根据采空区自燃和高温区域分布的“三区”理论，在工作面与采空区之间的接缝处安装多孔介质泡沫陶瓷。理论分析和实验研究证明了这一点。由于大量与墙体的碰撞，泡沫陶瓷可以显著地破坏气体燃烧产生的化学反应产生的自由基，抑制热量释放，使化学反应不能自我维持，因此，火焰传播受到抑制，冲击波衰减。鉴于泡沫陶瓷具有大孔隙率、耐高温、抗冲击性强等优点，认为泡沫陶瓷应适当安装，以隔离采空区瓦斯爆炸。然而，这种安装需要在实验和现场进行进一步的验证。
关键词:自燃、采空区、泡沫陶瓷、爆炸抑制、冲击波。
- 介绍
矿井的采空区，尤其是上角的采空区，往往会积聚甲烷和漏气，这是潜在的瓦斯爆炸源。气体控制是一项系统工程，包括预制、监测、注水等。采空区瓦斯是工作面的主要来源之一，其排放占50% -60%。其排放过程受采矿条件、通风参数、边界条件等因素的影响。要描述采空区内的气体比工作面上的气体要困难得多。此外，由于复杂的原因，采空区的瓦斯爆炸比较特殊。例如，2007年8月18日，平湖煤矿695号工作面发生严重瓦斯爆炸。根据之后的调查，事故是由于采空区煤层自燃引起的。封闭采空区煤层自燃是缓慢的，常规检查难以引起注意。一旦有迹象出现，自燃的燃烧就发生了。如果没有足够的关注，事故是不可避免的。浮煤自燃过程中释放的有毒气体可以沿泄漏通道进入工作面，污染工作环境，危害工人健康。因此，防止采空区自燃引起的瓦斯爆炸是保证煤矿安全的关键[1]。本文介绍了在采空区与工作面接缝处的泡沫陶瓷，可以防止采空区煤的自燃引起瓦斯爆炸。
- 采空区煤和瓦斯爆炸自燃的条件
众所周知，煤的自燃必须满足5个基本条件(或5个关键因素):（1）煤倾向于自燃(在常温下较高的氧化活性);（2）连续供氧(理想氧浓度);（3）持续的热储备环境(适当的空气泄漏强度);（4）在采空区堆放的左煤必须大于临界体积(足够的浮动煤层厚度);（5）足够的氧化时间,即。煤在氧化自燃危险区的停留时间超过自燃期。在上述5个因素的影响下，采空区浮煤的自燃过程发生了显著的变化。
采空区自燃不仅依赖于原煤的自燃氧化能力，而且与破碎岩石的打桩和压缩条件、左浮煤的分布、漏气源、采空区漏气收集的位置和强度等因素有关。同时，它与工作面的前进速度有很大的关系。例如，当工作面正常工作时，采空区某点的空气泄漏强度的变化会引起温度的变化，温度的变化会影响点的耗氧量，随后氧浓度会发生变化。因此，空气泄漏强度、氧浓度和温度影响相互制约，使采空区的高温点向前推进。当移动速度大于工作面前进速度时，采空区可能发生自燃。
气体爆炸必须满足三个基本条件:点火源、足够的氧气和适当的气体浓度(达到爆炸极限)。在目前的采煤方法中，一些采空区没有很好地封闭起来，一些采空区不能相互分离，从而相互联系。他们的孔通常朝向工作面打开，所以大量的气体排放。排放的气体在上角积聚并超过爆炸极限。如果遇到火源，它就会爆炸。
- 采空区自燃“三区”理论及高温点区域特征
采空区自燃“三区”的分布状态和范围是采空区自燃防治的重要参数。近年来，研究人员对采空区煤炭自燃趋势的预测、危险区域的识别和自燃危险的控制进行了广泛的研究。现场监测技术逐渐成熟，许多煤矿建立了完整的自燃监测系统。随着计算机应用技术的发展，国内外学者普遍将理论分析和计算机仿真作为一种有效的辅助手段来预防和控制采空区自燃。
自燃的发生机理直接关系到采空区空气泄漏的氧气供应[2,3]。根据采空区煤的自燃和温度升高情况，从外向内到内层的三个区域形成，即:、冷却区、自燃氧化带(或可能的自燃区)和呼吸暂停区。由此建立了自燃“三区”理论，如图1所示。在冷却区，氧浓度分布得到满足，但由于存在明显的空气泄漏，煤氧化的热量小于空气泄漏的对流热辐射，因此不太可能发生自燃温度升高。由于采空区的压缩程度逐渐增加，空气泄漏强度逐渐减小，氧化带空气泄漏强度导致的热辐射量小于煤氧化的热释放量，煤的自燃温度增加存在危险。在呼吸暂停区，氧浓度不能支持氧化温度升高，所以自发的危险几乎不存在。
根据采空区自燃“三区”理论分析，煤自燃具有较强的空间特性，在自燃温度增加区容易发生左煤燃烧。由于采空区瓦斯浓度普遍较高，自燃引起的明火会导致瓦斯爆炸。李宗祥通过G3项目，对采空区高温点的发生位置进行了详细的研究[4]。他的结论是，高温点位于氧化自燃区的后端，即氧化带中氧浓度较低的区域。因此，可以认为在采空区的高温点附近采用爆炸隔离措施可以减少瓦斯爆炸损失的可能性和范围。
图1采空区三区分布及高温点位置示意图。
- 瓦斯爆炸机理
气体爆炸是连锁反应。连锁反应是指在激活中心参与反应后产生两个或多个激活中心，最终产物产生。因此，反应过程中激活中心的数量随着时间的增加而逐渐增加，反应速率也随之加速。
在反应过程中，最有效的成分被称为自由基。在化学术语中，自由基的特征是有未成对的电子，如下所示。氢原子是一种自由基，在这里它表示电子
H : H→ H· H·
如果一个氧原子Hsdot;远离CH 4,两个自由基产生
对于一个基本的反应，如果产生自由基，它被称为链式反应。如果自由基被破坏，它被称为链终止反应。根据生成物和反应物中自由基的数量之比，当比值为1时，基本反应称为链转移反应(或链载反应);当比值大于1时，它被命名为链式分支反应。
一般来说，分支反应和爆炸过程可以通过以下化学动力学机制来描述:
连锁启动
链分支
}
(墙） 链终止
未反应的物质
此处意味着活化分子
通过应用稳态假设，反应速率方程变为
（1）
解（1）得
（2）
产品浓度变化的速率是
（3）
当是正的，它的值增大，分母变小。的临界值为
（4）
其中，表示自由基的浓度;和表示化学反应的具体速率常数;和表示物质的量浓度。
因此， 分支爆炸
lt;分支不爆炸
- 在采空区目前使用的瓦斯爆炸抑制方法
目前在采空区抑制瓦斯爆炸的技术措施包括对采空区的氮气和纸浆注入。氮气喷射会降低空气质量，降低其在点火时的氧气浓度。采用综放开采法，可以有效地防止采空区自燃。在采空区内的易自燃区前，向打开的采空区加压的线索浆是向内注入线索浆。矿浆填补了煤岩与岩石之间的松散缝隙，形成了破坏空气泄漏和蓄热环境的溶胶带，并产生了煤的自燃。
一般情况下，氮气和纸浆注入采空区可以达到抑制自燃的目的。但随着煤矿生产效率的提高，工作面变化的时间越来越长，尤其是对塌方的顶煤工作面，采空区的采煤量较大。上述技术不能取得良好的效果。如果没有其他措施，自燃和瓦斯爆炸很容易发生。
- 用多孔材料压制瓦斯爆炸
6.1 金属丝网的抑爆性能
Zhou Cong等人通过钢丝网研究了瓦斯爆炸火焰的熄灭，总结了临界消光速度与金属丝网几何参数的经验公式:
.
其中， -体积空间比例;
-网孔尺寸;
-导线的直径。
同时证明了网格结构能够吸收横波，能有效地破坏爆轰波传播条件，使爆轰波退化为爆燃波。
6.2 多孔泡沫陶瓷抑制爆炸火焰和冲击波的衰减
TIAN Hong等人阐述了多孔金属材料(泡沫铝)能扑灭火焰，防止可燃液体罐爆炸的事实。多孔介质是一种热传导材料，但不是火焰传导。当火焰正面穿透毛孔时，它失去了必要的热量或激活的自由基来维持持续燃烧。如果气孔足够小，热量和活化的激进剂的损失速度超过了它们的生成速率，火焰就会熄灭，从而防止火焰扩散和扩散，避免了油罐爆炸。
泡沫陶瓷是一种孔隙率为70%~90%的非金属多孔材料，体积密度为0.3~0.6g/cm 3和三维网络结构。
NIE Baisheng等人采用一个长18米和200毫米times;200毫米并且分别放置了厚度15毫米且10ppi(大孔)、20ppi(中孔)、30ppi(细孔)孔隙率为30mm、50mm的三氧化二铝和碳化硅泡沫陶瓷的方形管道实验研究了无障碍物气体爆炸火焰传播规律和对瓦斯爆炸火焰传播的影响。此外，火焰传播是由高速摄像机拍摄的。实验结果表明，当爆炸火焰穿透泡沫陶瓷时，火焰传播速度显著下降(从50m/s到11m/s);火焰传播可以被抑制，火焰被熄灭。与此同时，泡沫陶瓷可以将最大超压降低50%。可预见的是，如果放置多层泡沫陶瓷，爆炸火焰将完全熄灭，冲击波会减弱到当地的大气压力。
6.3 多孔泡沫陶瓷压制瓦斯爆炸的机理
理论和实验研究表明，煤矿瓦斯爆炸是热爆炸机理和连锁反应机理的综合结果。此外，在大多数情况下，两者是共存的。热爆炸理论认为，爆炸过程的结果是系统的反应热释放大于热辐射到环境，系统温度持续升高。在这个过程中，化学反应的热释放会增加温度，温度升高，然后加速反应速率，反应热释放增加。这样的重复会使反应速率非常迅速，从而引起爆炸。
如上所述。(1)-(3)，lt;分支不爆炸，也就是说，较低的爆炸极限只是气相平衡中链转移反应与壁面链终止反应的条件。当火焰在狭槽或窄通道中传播时，如果狭槽或通道的距离足够小，火焰在传播一定距离后就会自动消失，称为淬火。泡沫陶瓷属于多孔介质。当火焰穿透它们的细通道时，由于壁效应，参与燃烧的自由基数量会突然减少，反应过程终止。
- 多孔材料在采空区瓦斯爆炸抑制中的应用设想
根据采空区瓦斯涌出和自燃的特点，初步布置在工作面附近采空区的上、下角。由于天然气从采空区排放，并在超过爆炸极限的上方漂浮，在采空区自燃的煤容易导致瓦斯爆炸。如果多孔泡沫陶瓷在进气口和返回巷道靠近上下拐角，气体爆炸(如果发生)将被抑制，如图2所示。
- 结论
（1）传统的氮气和纸浆注射方法在采煤深度增加时抑制采空区瓦斯爆炸效果不佳，迫切需要新方法。
（2）多孔介质多孔泡沫陶瓷具有孔隙率大、耐高温、耐冲击等优点。它们可以有效地抑制目标中煤的自燃产生的气体爆炸。由于它们具有良好的缓冲和能量吸收性能，可以大幅度地减弱爆炸冲击波。这些材料经过精心设计和实际应用验证，有望成为煤矿新一代瓦斯爆炸抑制方法。
确认
作者感谢国家自然科学基金(No.10672175)和中国教育部新世纪优秀人才计划(ncet -07-0799)为开展本研究提供资金支持。
引用
- 冼学福，王洪都，蒋德毅，刘宝霞。我国煤矿防火与灭火技术调查研究综述[J]。工程科学，2001(12):28~32(中文)
- 秦淑玉，赵树田。煤矿内部防火技术[M]。沈阳:东北大学出版社，1993年(中文)
- 邓军，徐静才，阮国强，王秀林。综述了国内外煤炭自热预测预报技术[J]。西安科技大学学报，1999,19(4):293~29(中文)
- 李Zongxiang,王强。采空区剩余煤炭耗氧与自燃升温的分布特征[J] .中国煤炭学会学报。2009,34(5):667~672(中文)
- ZHOU Cong等。多层中孔结构爆炸抑制特性的研究进展[J]。煤矿安全，2004,35(3):6-8(中文)
- 田宏，王旭，高永婷。多孔材料和应用的防火防爆机理[J]。工业安全及尘埃管制，2000,4:43-45(中文)
- 《危险材料》，《危险品杂志》，2011,192(2):741-747。
- 白胜、聂鲁明、鲁明璋、何雪秋、李祥春、许旺、沈瑞寨等。泡沫陶瓷在瓦斯爆炸预防中的应用前景。高级材料研究Vols. 284-286 (2011) pp 13301334。
-
程旺，天宝马，杰路，煤气道中障碍物扰动对瓦斯爆炸特性的影响，科学中国:物理，力学与天文
全文共5312字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[12148]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
