瓦斯煤尘及其混合物着火爆炸特性研究进展

煤尘、瓦斯及其混合物广泛存在于煤矿、冶金等粉尘涉爆行业场所中,其着火爆炸特性各异。基于广泛的文献调研,系统研究了煤尘、瓦斯及其混合物等3种不同可燃物着火爆炸特性的测试方法、实验结果及影响因素;分析了研究爆炸特性对于预防和减轻工业环境中瓦斯和煤尘爆炸相关灾害的重要性。分析结果表明:即使瓦斯和煤尘浓度低于其爆炸下限值,混合爆炸仍可能发生,混合物通常具有更高的爆炸严重性和爆炸敏感性;瓦斯、煤尘及其混合物的爆炸特性受瓦斯煤尘浓度、实验环境条件及煤粉的物理化学性质等多种因素的影响。未来,瓦斯煤尘及其混合物着火爆炸探索的重点包括化学动力学、爆炸抑制和缓解措施,以及特殊条件下的着火爆炸特性等。

基于小波散射变换的煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别方法

为解决煤矿瓦斯与煤尘爆炸灾害报警方法误报率和漏报率高等问题,提高煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知准确率,提出了基于小波散射变换的煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别方法:在煤矿井下重点监测区域安装矿用拾音设备,实时采集设备工作声音和环境音;将采集到的声音通过小波散射变换得到小波散射系数,构建声音信号的小波散射系数图,通过计算小波散射系数图的图像灰度梯度共生矩阵得到由小梯度优势、大梯度优势、能量、灰度平均、梯度平均、灰度均方差、梯度均方差、相关性、灰度熵、梯度熵、混合熵等构成的十一维特征参数,构成表征该声音信号的特征向量,输入到支持向量机(SVM)中训练得到煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别模型;对待测声音信号同样提取其小波散射系数图的灰度梯度共生矩阵得到十一维特征向量,输入到训练好的煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别模型中进行声音识别分类,并进行试验验证。采取声音信号的特征提取试验,分析了不同声音的小波散射图及其特征参数分布特点,瓦斯和煤尘爆炸声音的小波散射系数图及其十一维特征向量与煤矿井下其他声音差异明显,证明了所提特征提取方法的可行性;通过贝叶斯优化完成支持向量机超参数优化试验,选取更符合训练模型的超参数,识别试验结果表明,所提方法的识别率为95.77%,明显优于其他对比算法,能够满足煤矿瓦斯和煤尘爆炸识别的需求。

瓦斯煤尘爆炸传播特性的实验研究

在断面为7.2 m2、长为658 m的实验巷道内,用cs2092H多通道动态数据采集分析仪,模拟煤矿掘进巷道,对瓦斯、煤尘爆炸过程中的爆炸冲击波能量、传播速度、衰减规律以及爆炸灾害的波及范围进行了实验研究.结果表明,瓦斯、煤尘爆炸压力波衰减慢,爆炸传播距离远,且传播距离随瓦斯数量以及瓦斯、煤尘分布的变化而变化.与瓦斯爆炸相比,煤尘爆炸的剧烈程度强,坑道中煤尘的焦化明显,且可燃物灼烧情况可作为瓦斯煤尘爆炸的爆源点确认判据.

瓦斯煤尘爆炸的工伤风险分级评价方法

利用三类危险源理论,结合历史事故资料,建立了瓦斯煤尘爆炸事故模型,对瓦斯煤尘爆炸的工伤风险影响因素进行了分析,在此基础上,建立了评价指标体系,并对煤矿瓦斯煤尘爆炸的工伤风险进行了评价分级。评价分级的结果既可为制定合理的工伤保险费率提供依据,也可为实施分级安全监察提供技术支持。

瓦斯煤尘爆炸主动隔爆启动条件及隔爆效果试验研究

在我国煤矿井下,普遍应用的爆炸控制装备主要是隔爆水槽、隔爆水袋等被动式隔爆装置,但由于装置本身的适用性及结构特点,已难以适应目前煤矿智能化、无人化的发展。主动式隔抑爆技术,因其能够实现主动式控爆,已在我国煤矿低体积分数瓦斯抽放管路、排空管路以及利用端等进行了大规模应用,取得了良好的效果,但在煤矿井下因缺乏相应的技术规范支撑,尚未进行广泛推广应用。为加快推进煤矿爆炸控制装备智能化发展,运用大型巷道试验系统,在对瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸传播规律研究的基础上,基于新研发的高能主动隔爆装置,开展了瓦斯煤尘爆炸主动隔爆效果试验研究。得出了瓦斯煤尘爆炸传播过程中爆炸压力、爆炸火焰等关键表征参数的变化规律;基于爆炸传播规律及主动隔爆装置自身性能特点,研究确定了高能主动隔爆装置的安装位置关系、启动阈值等关键技术参数;对100 m^(3)瓦斯爆炸诱导沉积煤尘(铺设位置14~70 m、煤尘质量浓度150 g/m^(3))爆炸的隔爆效果进行了效果验证试验。结果表明,所研发的高能主动隔爆装置,性能稳定、可靠,能够对煤矿井下一定条件下的瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸事故进行有效隔爆,为煤矿井下瓦斯煤尘爆炸事故的智能化控制提供了重要的理论及技术支撑。

瓦斯煤尘爆炸传播数值仿真系统研究

以连续相、燃烧、颗粒相数理方程建立瓦斯煤尘爆炸传播数理模型,并应用连续相、颗粒相计算方法,依据大型巷道瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸传播实验数据,借助普遍应用的流场模拟平台,开发了瓦斯、煤尘爆炸数值仿真系统。该系统可以有效地模拟煤矿瓦斯、煤尘的爆炸事故过程,对瓦斯爆炸的爆燃转爆轰、煤尘是否参与爆炸、爆炸冲击传播速度、衰减规律以及爆炸灾害的波及范围都能进行较准确的模拟。

障碍物对瓦斯煤尘爆炸火焰传播规律的影响

为了进一步探究瓦斯煤尘耦合爆炸火焰的传播规律,用自行搭建的半封闭垂直管道爆炸试验系统,研究障碍物对瓦斯煤尘耦合爆炸火焰传播规律的影响。研究结果表明:障碍物能显著提高瓦斯煤尘爆炸火焰的传播速度,其加速机理主要是障碍物诱导的湍流区会促进火焰的传播;火焰在传播过程中的加速度不是一直增加,随着火焰速度的增加会出现上下波动;煤尘的加入会使瓦斯爆炸产生的火焰传播速度显著增大及速度的最大值距离点火端较远;通过障碍物时爆炸产生的火焰形状发生较大的改变,出现拉伸和褶皱现象。

基于声谱图和SVM的煤矿瓦斯和煤尘爆炸识别方法

为提高煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知准确率,提出了基于声谱图和SVM的煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知方法:在煤矿井下重点监测区域安装矿用拾音器;实时监测煤矿井下设备工作声音及环境音;将采集到的声音提取由MFCC构成的声谱图,通过计算声谱图的灰度共生矩阵得到0°、45°、90°、135°的能量、熵、对比度、相关性,分别求其均值和标准差作为声谱图图像纹理特征,构成该声音的特征量,输入到SVM中建立煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别模型;对待测声音同样提取其MFCC声谱图图像纹理特征,输入到训练好的识别模型中进行声音识别分类;并进行了试验验证。首先,提取了采掘工作面设备运行、瓦斯和煤尘爆炸等不同声音的MFCC特征值,分析了不同声音的MFCC特征值分布情况;提取不同声音的MFCC声谱图,分析了不同声音的声谱图的特征参数:能量、熵、对比度、相关性的均值和标准差,可见通过提取MFCC声谱图的灰度共生矩阵特征参数构成的特征量可有效表征声音信号;其次,将待测声音输入建立的识别模型中,完成识别分类。结果表明:所提方法的识别率达到95%,整体识别性能高于其他算法;最后,通过贝叶斯参数优化试验结果可知,优化后的SVM识别模型的召回率、识别率分别提高10%、3%,优于优化前的识别模型,能够满足煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知和报警需求。

煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警与爆源判定方法研究

分析了煤矿瓦斯和煤尘爆炸特征:空气中O2浓度迅速降低,CO2和CO等有毒有害气体浓度迅速升高;环境温度迅速升高,空气压力迅速增大后回落;产生较强的红外和紫外辐射;产生高温、高压、高速的爆炸冲击波和火焰锋面;产生爆炸音和震动;产生大量烟雾和粉尘;风速迅速增大后回落,风流反向;巷道垮塌、机电设备移动和损坏;造成大量人员伤亡。提出了气体(O2,CO2,CO)浓度、温度、声音、震动、气压、风速、风向、烟雾、粉尘、红外线、紫外线、图像等多信息融合的煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警与爆源判定方法:通过多参数变化,辨识瓦斯和煤尘爆炸;通过不同位置参数变化幅度、变化的先后时序关系和传感器损坏情况,判定爆源。提出了传感器防护与设置方法:传感器应采用流线形或圆弧形外壳,传感器外壳应采用耐高温、防火、隔热材料;传感器应设置在巷道顶部中央;采煤工作面和掘进工作面应设置传感器,传感器应设置在距工作面10~15 m处;每一段巷道(没有分支)中部应设置传感器。提出了电缆和光缆防护与设置方法:应采用铠装电缆和光缆,电缆和光缆应具有阻燃、耐高温、抗冲击等性能;电缆和光缆应埋入巷帮和底板的夹角处;电缆和光缆也可引入压风管,用压风管防护。

防止电火花引发煤矿瓦斯及煤尘爆炸的技术措施

煤矿在煤炭生产过程中有瓦斯和煤尘产生,当瓦斯和煤尘达到一定浓度时,遇到足够能量的火源,就要发生瓦斯和煤尘爆炸事故。瓦斯和煤尘爆炸事故是煤矿危害最大的事故之一,能直接造成重大的人身伤亡和经济损失,对煤矿电气火花引起瓦斯与煤尘爆炸事故进行了分析,提出了其预防措施。

瓦斯煤尘爆炸研究现状及发展趋势

为了明确瓦斯煤尘爆炸的研究情况,以便更好地服务于煤矿安全生产,对瓦斯煤尘爆炸的研究现状进行了分析。分别从瓦斯煤尘爆炸机理、爆炸特性、爆炸传播规律几个方面,对其理论研究、实验研究和数值模拟研究的进展进行了综合论述。在此基础上,提出了该领域未来的发展趋势。

基于视频图像的瓦斯和煤尘爆炸感知报警及爆源判定方法

分析了瓦斯和煤尘爆炸视频图像特征:爆炸火球通常呈红色,亮度高、温度高,辐射较强的红外线和紫外线,火球面积迅速扩大;火焰锋面的面积、亮度、颜色、形状、辐射强度等不断变化;烟尘的面积、颜色、形状等不断变化;有物体快速移动和变形。提出了基于可见光视频图像、近红外视频图像、远红外视频图像、紫外视频图像的瓦斯和煤尘爆炸感知报警及爆源判定方法:根据高亮区域亮度及其变化率、高亮区域面积及其变化率、图像形状及变化、图像颜色及变化,辨识瓦斯和煤尘爆炸;通过不同地点摄像机采集的图像变化及变化先后时间关系、摄像机损坏的时序关系,判定爆源。提出了可见光视频图像、近红外视频图像、远红外视频图像、紫外视频图像、O2、CO2、CO、温度、声音、震动、气压、风速、风向、烟雾、粉尘等多信息融合的瓦斯和煤尘爆炸感知报警及爆源判定方法,减小火灾、巷道灯、矿灯、车灯、红色衣物、机电设备发热、电气设备和电缆故障放电、煤与瓦斯突出、冲击地压、顶板大面积冒落、水灾、爆破作业、工作面落煤、煤炭转载和运输等对瓦斯和煤尘爆炸辨识的影响。

矿井瓦斯煤尘爆炸传播数值模拟研究

基于连续相、燃烧、颗粒相数理方程建立瓦斯煤尘爆炸传播数理模型,并应用连续相、颗粒相计算方法,依据大型巷道瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸传播实验数据,借助普遍应用的流场模拟平台,成功开发瓦斯、煤尘爆炸数值模拟系统。该系统可有效地模拟煤矿瓦斯、煤尘的爆炸事故过程,对瓦斯爆炸的爆燃转爆轰、煤尘是否参与爆炸、爆炸冲击传播速度、衰减规律以及爆炸灾害的波及范围都能进行较准确的模拟。

半封闭管道内瓦斯煤尘爆炸火焰传播特性试验

为了进一步探究瓦斯煤尘爆炸火焰的传播规律,在自行设计搭建的半封闭竖直管道内,选用褐煤、烟煤和无烟煤3种煤样分别进行爆炸试验,并通过改变煤尘质量浓度来观察不同煤种条件下瓦斯煤尘爆炸反应强度,研究不同煤种条件下煤尘质量浓度对瓦斯煤尘耦合爆炸火焰传播规律的影响。结果表明,在瓦斯体积分数和煤尘质量浓度相同的条件下,褐煤爆炸产生的火焰传播速度最大,无烟煤最小。这是因为褐煤的挥发分含量较高,而影响爆炸火焰传播速度的主要原因是煤尘在加热情况下释放出的可燃气量,即煤种的挥发分含量,挥发分含量越大,瓦斯煤尘爆炸火焰传播速度也就越大。褐煤和烟煤的火焰传播速度随火焰传播距离增加而增加,直至传播至管道外部;无烟煤的火焰传播速度随火焰传播距离增加呈现先上升后下降的状态。在试验中,3种煤种和瓦斯爆炸时产生火焰最大传播速度的位置距离爆炸源较远。瓦斯煤尘爆炸产生的火焰稳定性较差,在传播过程中速度变化不稳定,存在较大的波动。火焰传播速度与煤尘质量浓度不成正比,在一定范围内,适当增加煤尘质量浓度可以大大提高瓦斯煤尘爆炸的反应强度,且存在一个最佳的煤尘质量浓度50 g/m^3,使火焰传播速度达到最大。

矿井瓦斯煤尘爆炸传播实验研究

煤矿中瓦斯爆炸容易引起煤尘参与爆炸,且掘进工作面是瓦斯煤尘爆炸事故的多发区域。在与实际矿井环境、几何条件相似的大型地下试验巷道中,进行了独头巷道瓦斯煤尘爆炸火焰、冲击波传播试验。试验中,瓦斯煤尘爆炸火焰到达各测点的时间与测点距离呈对数函数关系;爆炸火焰的传播速度在铺有煤尘段迅速上升,过了煤尘段开始下降;火焰区长度约为煤尘区长度的2倍;爆炸冲击波压力在铺有煤尘段前端降到最低值,然后迅速上升到最大值后下降。实验结论为煤矿隔抑爆装置的研制和安装提供了理论基础。瓦斯煤尘爆炸与单纯瓦斯爆炸相比,最大爆炸压力峰值大,火焰传播速度快;瓦斯煤尘爆炸的威力和破坏程度,要远远大于单纯瓦斯爆炸。因此,在煤矿实施防尘降尘技术,具有十分重要的意义。

煤矿瓦斯煤尘爆炸原因和防治对策

分析了我国煤矿瓦斯煤尘爆炸灾害事故原因,介绍了控制瓦斯煤尘爆炸的技术措施及其发展趋势。

基于爆炸声音识别的煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知方法研究

分析了煤矿瓦斯和煤尘爆炸特征:气体浓度发生突变;环境温度迅速升高;空气压力突然升高;产生火球和烟尘;产生较强的红外和紫外辐射;产生爆炸冲击波和火焰波;产生爆炸音。基于爆炸声音感知煤矿瓦斯和煤尘爆炸具有以下优点:①爆炸冲击波和火焰波衰减快,传播距离近;声波衰减慢,传播距离远。远离爆源的矿用拾音设备可用于煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知。②与基于气体浓度和温度等传感器的煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知方法相比,具有响应速度快的优点。③与基于视频图像的煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知方法相比,具有不受粉尘、光照、遮挡等影响的优点。④矿用拾音设备成本低、易安装。⑤声音传播距离远,受巷道和分支影响小。⑥声音处理速度快,可在短时间内从各种声音信号中快速识别瓦斯和煤尘爆炸声音。提出了基于爆炸声音识别的煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知方法:利用麦克风阵列拾音器采集监测区域的声音信号,经过归一化、分帧、添加类别标签等预处理后,提取声音信号特征,将特征输入到统计分类器中进行训练,建立煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别模型;实时采集监测区域的声音信号,将提取的声音信号特征输入训练完成的煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别模型中,判断是否为煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音,若是则进行报警。

不同煤种对瓦斯煤尘爆炸影响的实验研究

为了进一步探究不同煤种参与的瓦斯煤尘爆炸的传播规律,选取3种具有代表性的煤尘在自制的半封闭管道内进行试验,主要研究了瓦斯煤尘爆炸火焰传播速度、火焰面发光强度和最大爆炸压力。研究结果表明:瓦斯煤尘爆炸的最大爆炸压力和火焰传播速度皆随着煤尘浓度的增加呈先上升后下降的趋势;存在着一个最佳的瓦斯浓度和煤尘浓度,使火焰传播速度达到最大,发光强度也达到最大;火焰传播速度、最大爆炸压力和爆炸产生的发光强度都是按褐煤、烟煤、无烟煤依次降低。

巷道瓦斯煤尘爆炸环流压力与反射压力研究

为确定巷道内瓦斯煤尘爆炸环流压力与反射压力的大小,采用爆炸力学理论分析和试验方法,在试验管道和大型试验巷道内测试环流压力与反射压力强度的变化规律。理论分析表明,极弱冲击波环流压力大约比反射压力小一半;极强冲击波反射超压是环流超压的8~23倍。实验结果表明,理论计算值与实验值基本吻合,冲击波固壁反射峰值超压作用于相对传播方向垂直固定物体上的伤害效应远大于水平方向,揭示了反射超压是井下爆炸事故引起财产和人员严重破坏及伤害的原因。

瓦斯煤尘爆炸火焰传播机理的光学测量系统研究

为了研究管道瓦斯煤尘爆炸火焰传播的机理,确定表征瓦斯煤尘爆炸的主要物理量的变化特征,本文构建了瓦斯煤尘爆炸的光学实验测试系统。光学窗口采用圆形玻璃窗口,流场显示采用基于激光的纹影系统。在燃烧流场中,为获得清晰纹影照片,通过在光路中插入合适半带宽的滤光片滤除流场自发光。