一种有限空间防火用注氮量的计算方法与流程

一种有限防火注氮量的方法流程1.本发明涉及火工程的技术领，特别是一种有限间防火用注氮量计算方法。背技：2.火灾是地下矿的主要灾害之。采空区遗留的浮在漏风供氧条件与氧气发生缓慢氧化应，持续一定时则发生自燃，导工作面有毒有害气超标，严重影响生安全。针对采空自燃的预防和控措施包括注氮措施注浆措施、阻化剂灭火技术。相比言，氮气防灭火术因具有抑爆、工可靠、对井下设备腐蚀、防灭火效显著等优势，而广泛采用。而注氮火效果与注氮量、氮位置和采空区风量均有关。目注氮量的确定有两方法：一种是用标《煤矿用氮气防火技术规范》中公式直接计算，另种是采用数值方法主要通过设定不注氮量和注氮位置进行模拟解算出不同工况下的氧气浓分布，比较优劣确定。但无论采哪种方法，初定注量的主要依据均为煤矿用氮气防灭技术规范》中的氮量公式。因此，氮量公式的准确性于注氮防灭火具重要意义。技实要素：3.为了解决上技术问题，本发提出的一种有限空防火用注氮量的算方法，综合考虑了氮过程和漏风过导致的氮气盈亏件，使计算得到的氮量更加准确，以足注氮量的实际求。4.本发明的目是提供一种有限间防火用注氮量的算方法，包括获有限空间内的氧气含值，还包括以下骤：5.步骤1：判所述有限空间内氧气含量值是否于阈值，如果所述限空间内的氧气含量小于阈值，继续行监控；如果所有限空间内的氧气量值大于等于阈值行步骤2；6.步骤2：计氮气体积变化率7.步骤3：计氮气体积分数达阈值所用注氮时；8.步骤4：计有限空间内的注量。9.优选的是，述步骤2还设定经历时间δt氮气体积分数从c0高到c，氮气的体积变化δv，根据体积守恒定律到如下公式：10.δv＝qnδtc0q0δt-c(qnδt11.其中，δvδt时间内氮气体积变化，qn为注氮量，q0为有限间漏风量，c0为漏中新进入有限空间气体中氮气体积数，c为注氮过程中有限空间任意时刻气的体积分数，(qnq0)为有空间在漏风换气向外界排放的流量。12.在上述任一方中优选的是，所步骤2还包括设定有限空间内温、气压与外界相同，两分别除以有限空的体积，得到方程式：[0013][0014]其中，vc为有空间的体积。[0015]在上述任一方案优选的是，所述气体积分数变化的计算公式为由此导得到如下方程式[0016][0017]在上述任一方案优选的是，假设个过程经历了从t1时刻到t2时，氮气体积分数也从c1升高c2，将所述δt的计算公变为定积分的形的方程式，[0018][0019]在上述任一方案优选的是，要使述δt的公式中的积分函数在积域上可积，积分函数必是单调函数，即阶导数要大于零则有：[0020][0021]即：[0022](qnq0)c-(qnc0q0)》。[0023]在上述任一方案优选的是，将所δt的公式积分，得到氮体积分数达到阈值所用注氮时的方程式：[0024][0025]在上述任一方案优选的是，所述骤4包括分别计算注氮过和漏风过程对氮气体积分数的响。[0026]在上述任一方案优选的是，所述氮对氮气体积分的影响的情况为：纯因注氮过程导致气中氧气体积分下降(同时氮气体积分数升)，令其中q0＝0，即有限空间漏风导致的换气则得到特定注氮量件下所需注氮时公式：[0027][0028]其中，c1为注前有限空间内氮气积分数，c2为氧气浓度下降到防指标时对应的氮气体积数。[0029]在上述任一方案优选的是，所述风对有限空间中气体积分数的影响情况为：在氧气浓下降后，漏风会足氧气的亏欠，设该过程不注入氮，仅漏风导致的换起作用，令q＝0，则得到式：[0030][0031]其中，t′1为漏风换气起始时间，t′2为漏风换气终末时间，c′1为该过程初状态有限空间的氮体积分数，c′2为该过程氧浓度回升后有限空中氮气体积分数[0032]在上述任一方案优选的是，所述骤4还包括计算注氮和漏两个因素对氧气体积分数的影相互抵消时分别需时间，通过对时间的长短来判定氮是否达到有限空的防火效果。当过程用时相等时氮气的水平将处于定水平保持不变，时注氮和漏风对气浓度来说达到平衡状态。[0033]在上述任一方案优选的是，所述骤4还包括计算抵消漏风氧作用所需要的注氮量，公式：[0034][0035]本发明提出了一有限空间防火用注氮量的算方法，本方法高了注氮量计算的科学性，使该公式能更准确计算防火用注氮，可降低因使用现简易公式计算不准而导致有限空间易燃物自燃及火风险，从而避免对限空间造成经济损。附图说明[0036]图1为按照本发明有限空间防火用氮量的计算方法的优选实施例的流图。具体实施方式[0037]下面结合附图和体的实施例对本明做进一步的阐。[0038]实施例一[0039]如图1所示，执行骤100，获取有限空间内的气含量值。[0040]执行步骤110，断所述有限空间内氧气含量值是否于阈值，如果所述限空间内的氧气量值小于阈值，续执行步骤100。如果所述有限间内的氧气含量值大于于阈值执行步骤120。[0041]执行步骤120，算氮气体积变化率[0042]设定经历时间δt氮气体积分数从c0降低到c，氮气的积变化为δv，根据体积守恒定律到如下公式：[0043]δv＝qnδtc0q0-c(qnq0)δt[0044]其中，δv为δt时间内氮气体积变化，qn为注氮量，q0为有限空间漏量，c0为漏风进入有限空间的气中氮气体积分数c为注氮过程中有限空间任意时刻氮气体积分数，(qnq0)为有限空在漏风换气时向界排放的流量，即有限空间外漏出的流量。[0045]设定有限空间内度、气压与外界同，两边分别除有限空间的体积，到方程式：[0046][0047]其中，vc为有空间的体积。[0048]所述氮气体积分变化率的计算公为由此推导得到下方程式：[0049][0050]执行步骤130，算氮气体积分数达阈值所用注氮时。假设整个过程经了从t1时刻到t2刻，氮气体积分也从c1升高到c2，将所述δt的计算公式变为定积分形式，[0051][0052]要使所述δt的公中的积分函数在分域上可积，积分数必须是单调函数，即一阶导数大于零，则有：[0053][0054]即：[0055](qnq0)c-(qnc0q0)》。[0056]将所述δt的公式分，得到氮气体分数达到阈值所用氮时间的公式[0057][0058]执行步骤140，算有限空间内的注量。分别计算注和漏风对氮气体积数的影响。[0059]注氮对氮气体积数的影响的情况：单纯因注氮导空气中氧气体积分下降，令其中q00，即有限空间无漏时，公式为：[0060][0061]其中，c1为注前有限空间内氮气积分数，c2为氧气浓度下降到防指标时对应的氮气体积数。[0062]漏风对有限空间氮气体积分数的响的情况为：在气浓度处于低水平，漏风会补足氧气亏欠，假设该过不注入氮气，仅风导致的换气起作，令q＝0，则得公式：[0063][0064]其中，t′1为漏风换气起始时间，t′2为漏风换气终末时间；c′1为该过程初状态有限空间的氮体积分数，c′2为该过程氧浓度回升后有限空中氮气体积分数[0065]计算注氮和漏风个因素对氧气体分数的影响相互消时分别所需时间通过对比时间的长来判定注氮是否到有限空间的防效果。当两过程用相等时，氮气的水将处于一定水平持不变，此时注和漏风对氮气浓度说达到了平衡状态因此，抵消漏风氧作用所需要的氮量的计算公式为[0066][0067]实施例二[0068]根据《煤矿用氮防灭火技术规范mt/t701-1997，制氮设备或装置供氮能力应按矿井注氮作面防火注氮需选取，供氮能力按式(a)计算(1个工作面注氮量)[0069][0070]式中：[0071]qn——注氮量，m3/min[0072]q0——采空区化带内漏风量，m3/min；[0073]c1——采空区化带内平均氧浓，％；[0074]c2——采空区化防火指标，其为煤自燃临界氧浓，％；[0075]cn——注入氮气氮气浓度，％；[0076]k——备用系数，1.2～1.5。[0077]该公式对问题的述过于简单，导在实际使用时计结果存在明显的偏，主要问题包括：[0078](1)仅考虑了注氮程对氮气百分数提升作用，未考虑风对已进入采空氮气的稀释作用。[0079](2)未考虑采空区气体质量守恒定，因注入氮气的存，实际漏风过程出气体流量大于从作面进入采空区漏风量，为漏风量与注入氮气的流之和。如模型中所，如果进入气体q0m3/h，则排的气体体积应为(q0qn)m3/h[0080]为了解决上述问，本发明提出一新氮气注入公式[0081]如公式a的推导过，假设整个过程所涉及气体均处于一种温度和压力态下。[0082]先假设氮气中没氧气，即注入量qn的氮气为氮气。同时假设风量为q0。注意新公的推导使用的符系统与公式(a)中符号代表的物理义不同，公式(a)中的c1、c2氧气浓度，而新式符号系统中的c1、c2为气的浓度。[0083]同时考虑氮气注和漏风换气两个程对氮气体积分的影响，假设经历间δt，氮气体积分从c0升高(或降低)到c，气的体积变化为δv，根据体积守恒定律可以推以下方程式：[0084]δv＝qnδtc0q0-c(qnq0)δt(1)[0085]式中：δt为限短的时间，h；δv为δt时间内氮体积变化量，m3；qn为注氮量，m3/hq0为有限空间漏风，m3/h；c0为新风中氮气体积分，％；c为注氮过程中意时刻氮气的体分数，％；(qnq0)为采空区在漏风气时向工作面泄漏的量，m3/h。[0086]根据假设，采空温度、气压与外相同，两边分别以vc，得出方程式：[0087][0088]式中：vc为采区体积，m3。[0089]根据过程描述可，上式左侧为氮体体积变化率，为δc，并将其代入式(2)并整理得：[0090][0091]假设整个过程经了从t1时刻到t2时刻，气体体积分数也c1增大(或减小)到c2，将式写成定积分的式，则有：[0092][0093]要使上式积分函在积分域上可积积分函数必须是调函数，即一阶导要大于零，则有：[0094][0095]也就是说[0096][0097]即[0098](qnq0)c-(qnc0q0)》(7)[0099]由于实际中针对同的个案有不同qn/q0值，单调性条件分析起来较复杂，在此不作分。当然，在具体案中，满足单调条件的情况下可以用该公式。[0100]将公式(4)积分，果见式(8)。[0101][0102]为便于分析，现注氮和漏风对氮体积分数的影响开考虑。[0103]第一种情况：单因注氮导致采空空气中氮气的体分数上升，即氧气积分数下降，令(8)中q0＝0，即采空区无风导致的换气。公式简化为：[0104][0105]式中：c1为氮在有限空间向内泄空气中的体积分，对应氧气浓度下的初始状态，％c2为氧气浓度下降防火指标时对应氮气体积分数，％[0106]注氮过程中，随氮气的补入，氮体积分数上升，以c1《c2。[0107]第二种情况：在气浓度下降后，风会补足氧气的欠。假设该过程无气注入，仅漏风导的换气对氮气的积分数起作用。式(8)中q＝0，则公式简化为：[0108][0109]式中：c′1为初始状态氮气体积分数，与定防火指标的氧浓度对应，％；c′2为采空区氧浓度回升后氮气体分数，％。[0110]根据公式(10)如果c0→c′2，则有(t′2-t′1)→∞，这意味着气浓度恢复到空中的正常浓度，即气体积分数与空中正常的氮气体积分相等，该过程需经历无限长的时。但显然c′1》c′2》c0，c0空气中氮气的正浓度，因此在计时并不需要无限长间。于是上式可以写[0111][0112]公式(9)、(11)可分别应用于两种合。第一种，可以算注氮和漏风两因素对氧气(或氮气)体分数的影响相互消时分别所需时间通过对比时间的长短来判定注氮否达到了预期效。[0113]第二种，用于计抵消漏风对有限间的升氧作用所要的注氮量，此时2-t1＝t′2-t′1，c1＝c′2，c2＝c′1。式(9)和(11)两式联立得出注氮量式[0114][0115]实施例三[0116]依据杭来湾矿井，2021年3份实测工作面平均风量为1897m3/min，设计取值q0＝18.97m3/min；为采空区氧气度10％；c2为煤自燃临氧浓度，与煤质、自然类型赋存条件相关，值7％；cn为注氮浓度97％；k为富余系数1.2。q0为采空漏风量，m3/h，占工作面通风的1/100。[0117]根据公式(a)：[0118][0119]代入数据算得qn＝1024.2m3/h。[0120]式中：qn为注设计流量，m3/h；q0为采区漏风量，m3/h；占工面通风量的1/10。[0121]此例中，如果假注氮浓度cn为100％，则氮量为495.9m3/h。[0122]采用新公式(12)进行算，并假设注氮度为100％。注意公式中c1、c2与公式(a)中的意义不。则有[0123][0124][0125]已知空气中除氮和氧气外，其他质占体积1％，在计算过程中忽此部分物质，不影响计结果。根据该公的定义，该公式的c1、c2为氮气的浓度，因为注氮后空气中氧气的积分数分别为10％、7％，所以c1＝1-0.1＝0.9、c2＝1-0.070.93。c0为漏风换气新风氮气的浓度，在为0.79。[0126]经计算得qn＝1681.4m3/h[0127]由于注氮和漏风氮气的浓度的升来说是两个相反过程，原有公式只虑了一个方面—即注氮对采空区气的提升作用，没考虑漏风过程中降低氮气浓度，所以式(a)得出的风量较小；而新式考虑了漏风造的氮气损失，因此得出的量大于公式(a)得出的风量。[0128]两公式得出的风差占新公式计算果的百分比：[0129][0130]由于两公式风量别很大，使用原式计算注氮量可会导致不能达到防指标，从而潜在的大了煤的自燃火风险。[0131]由于新公式综合虑了注氮和漏风致的氮气盈亏模，因此比原有公式准确。[0132]实施例四[0133]某实验室面积40m2，度2.5m，新风量为100m3/h。室内用的氩气压力为0.2mpa，流量1m3/h假设实验员忘记闭阀门导致氩气生泄漏，评估实验室现有通风换气统对抑制氮氩气积分数上升(或氧气浓度下降)是有效。实验室外门窗的漏量较小，可忽不计。[0134]已知室外新风氧体积分数为20.9％，氮气78.1％，空气中其他分为稀有气体和二氧化碳约1％。假设室内氧气浓变化仅受氩气泄和新风补入的影响，假定初始内空气中氧气体分数稍低于室外为20.8％，氩气泄漏过程中逐渐下降至18(缺氧浓度)，相应地室内气中氮氩气体体分数从78.2％上升至81。[0135]计算氮氩混合气积分数上升的过所需时间，即室环境达到缺氧条件需时间。将相关参代入公式(9)，得出[0136][0137]计算得到t＝6.9h。[0138]计算通风换气条下氧气回升到正状态所需要的时，即氮氩混合气体分数下降的过程。相关参数代入公(11)，得出[0139][0140]计算得到t′2＝3.4h。[0141]计算氧气下降与升过程用时相同件下的需用风量将相关参数代入公式[0142][0143]中(其中，q为露流量，m3/s)，得出[0144][0145]计算得q＝48.4m3/h。[0146]从上面的结果可，单纯氩气泄漏影响下，氧气体分数从20.8％降低至18％用时6.9h而通过补入新风来复到最初水平，风量100m3/h的工况下需用时3.4h。者相比，通风换用时更少。从需风量的计算来看，需要48.4m3/h就能到保持氧气含量要求，风量比现风量节省一半。[0147]由此得到以下结：[0148]1)氧气体积分盈亏博弈模型的立，阐释了氩气泄、通风二者单独用下对氧气浓度的具影响过程，并建了二者之间的联，为缺氧环境风险析提供了理论依据公式简单有效。[0149]2)氧气保持需风量公式的提出为通风设计者提供精确计算通风量一种方法。公式的应不仅有助于减少性气体使用场所新风量设计不当造的安全生产事故，可减少利用传统计方法导致的风过大问题，达到节减排的目的。[0150]3)实际中不同间存在不同的空对流条件，且对流度越大，气体混的越快，用时也越短此情况与瞬时扩的假设有出入。于此，理论公式对积较小、空气对流好的房间适用性强，比如有限空；对于容积较大且气对流较差的房间计算结果与实际比会有一定的偏，应慎重使用。[0151]为了更好地理解发明，以上结合发明的具体实施做了详细描述，但非是对本发明的限。凡是依据本发的技术实质对以实施例所做的任何单修改，均仍属于发明技术方案的围。本说明书中个实施例重点说明都是与其它实施例不同之处，各个施例之间相同或似的部分相互参见可。对于系统实例而言，由于其方法实施例基本应，所以描述的比简单，相关之处参方法实施例的部说明即可。技特：1.一种有限空防火用注氮量的算方法，包括获取限空间内的氧气量值，其特征在于还包括以下步骤步骤1：判断所述有限空内的氧气含量值是否大于阈值如果所述有限空内的氧气含量值于阈值，继续进行控；如果所述有空间内的氧气含值大于等于阈值行步骤2；步骤2：计算氮气体积变化率步骤3：计算氮气体积分达到阈值所用注时间；步骤4：计算有限空间内注氮量。2.如权利要求1所述的限空间防火用注量的计算方法，其特征于，所述步骤2还设定经时间δt，氮气体积分从c0增加到c，氮气的积变化为δv，根据体积守恒律得到如下方程：δv＝qnδtc0q0δt-c(qnq0)δt其中，δv为δt时间内氮气体积变化量，qn为注氮量，q0有限空间漏风量，c0漏风过程中新进有限空间气体中气体积分数，c注氮过程中有限间任意时刻氮气体积分数，(qnq0)为有限空间在风换气时向外界放的流量。3.如权利要求2所述有限空间防火用注氮量计算方法，其特在于，所述步骤2还包括设定有空间内温度、气压与外相同，两边分别以有限空间的体，得到有限空间内气的体积变化率的方程：其中，vc为有限空间的体。4.如权利要求3所述的限空间防火用注量的计算方法，其特征在于所述氮气体积分变化率的计算式由此推导得到如下程式：假设整个过经历了从t1时刻到t2时，氮气体积分数从c1升高到c2，将所述δt的计算公式变为定分的形式，5.如权利要求4所述的限空间防火用注氮量计算方法，其特在于，将所述δt的公式积分，到氮气体积分数达到阈所用注氮时间的式：6.如权利要求5所述的有限间防火用注氮量的计算法，其特征在于所述步骤4包括分别计算注氮过和漏风过程对氮气体