[发明专利]一种用于地下矿山环境的爆炸评估模型建立方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于地下矿山环境的爆炸评估模型建立方法。

背景技术

爆炸危害存在于地下煤矿开采过程中，对作业人员造成严重的威胁。一旦发生爆炸，将造成严重的人员伤亡和财产损失。因此，地下环境管理是个需要重视的问题。

瓦斯爆炸的发生取决于爆炸极限的范围，以往的研究都是以爆炸原理为爆炸风险分析基础。此外，由于工程应用的原因，产生大量的爆炸图表并使用，这些图表将气体状态点与爆炸区域在一张图中反映出来，直观的显示出矿井中的安全性，例如USBM爆炸图表方法就是美国常用的一种方法。但是由于矿井中的气体成分是在时刻变化着的，这就导致图表以及状态点随着时间是在变化的，就想拍摄一个时刻在动的物体，很难对爆炸性定义安全余量，这就给了这种方法很大的不确定性，研究状态点的实时变化就尤为重要。甲烷-空气-惰性气体的混合气体的爆炸性取决于甲烷和有效惰性气体百分比，对于矿井中爆炸风险演化仍是一个重要的问题。

综上，为了提高矿井开采过程中的安全性以及爆炸风险存在情况下对风险进行评估和预测，这种用于地下矿山环境的爆炸评估模型建立的方法能够解决两个问题：1)对于处于分爆炸区域的状态，可以提供定量分析方法，以优化爆炸风险缓解策略；2)可以为状态点在爆炸区域和非爆炸区域之间的转换提供精确地提前预测。

这种方法不仅能提高对矿井爆炸性大气演化的认识，而且对任何地下矿山工人的生命安全都具有重要的意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于地下矿山环境的爆炸评估模型建立方法，当井下环境存在爆炸风险时，通过该方法对其安全状态进行评估，为管理人员提供可直观的风险变化趋势，并为使爆炸风险状态转变为非爆炸风险状态提供策略。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于地下矿山环境的爆炸评估模型建立方法，包括如下步骤：

(1)根据井下封闭空间内混合气体的组成在二维坐标系XOY上构建爆炸三角形DOA，将爆炸三角形DOA划分为非爆炸区域CDFN、非爆炸区域ABNE、爆炸区域BNC和安全区域FOEN四部分，并在爆炸三角形上标记井下混合气体的状态点P；其中：X轴表征甲烷体积浓度，Y轴表征氧气体积浓度，点O为X轴和Y轴的0点，点F和点D在X轴上，点F在点O和点D之间，点E和点A在Y轴上，点E在点O和点A之间，点B和点C在直线AD上，点B在点A和点C之间，点N在三角形DOA内；

(2)若状态点P处于非爆炸区域CDFN或非爆炸区域ABNE，首先确定向井下封闭空间内充入新鲜空气的体积流速V_air和向井下封闭空间内充入甲烷的体积流速的比值，根据三角函数关系确定状态点P的运动趋势：

①当处于非爆炸区域CDFN时，当新鲜空气量增加或者甲烷量减少时，状态点P有向爆炸区域BNC移动的运动趋势；

②当处于非爆炸区域ABNE时，当新鲜空气量减少或者甲烷量增加时，状态点P有向爆炸区域BNC移动的运动趋势；

(3)若状态点P处于非爆炸区域CDFN或非爆炸区域ABNE，状态点P的运动趋势随着新鲜空气体积流速V_air和甲烷体积流速的变化而变化：当向井下封闭空间内充入甲烷时，计算甲烷浓度为从而在直线PD上找到时长后状态点P移动到的位置P_A；当向井下封闭空间内充入新鲜空气时，计算氧气浓度为从而在直线PA上找到t_air时长后状态点P移动到的位置P_B；根据P_A和P_B判断状态点P的运动趋势，其中，和t_air分别为甲烷和新鲜空气的充入时长，V_Total为封闭空间的总体积，O为向井下封闭空间内充入新鲜空气前封闭空间内的氧气体积浓度，C为向井下封闭空间内充入甲烷前封闭空间内甲烷体积浓度；

(4)若状态点P处于非爆炸区域CDFN或非爆炸区域ABNE，计算状态点P到达爆炸区域BNC所需时长：

①当状态点P处于非爆炸区域CDFN时，读取进入爆炸区域BNC临界点的甲烷浓度C_Explosive，据此推导出状态点P到达爆炸区域BNC所需时长t_{need_1}如下：