矿井火灾救灾过程中,惰性气体灭火是常用的救灾措施之一。国内外学者关于惰性气体灭火剂在矿井防灭火中的研究,主要基于煤自燃程序升温实验,研究其抑制煤自燃的效果,而关于其抑制煤明火燃烧的实验研究较少。另外,关于氢氟烃类气体(化学气体灭火剂)抑制煤明火燃烧的研究也较少。由于固体燃烧实验的重复性差、条件控制困难,为了研究气体灭火剂的灭火机理和特性,研究学者大多数以油池火和可燃气体燃烧代替固体燃烧进行灭火实验。但是,矿井火灾与目前常规的气体灭火剂灭火模拟场景存在三点不同:①矿井火灾为固体燃烧,其燃烧和熄灭过程比液体和气体燃烧更为复杂,燃烧过程容易受到外界环境因素影响;②矿井火灾属于受限空间的燃烧,受限空间内煤燃烧过程中的特征参数(气体浓度和温度等)与开放空间的燃烧特征参数变化规律存在很大不同;③矿井火灾属于明火燃烧,其燃烧过程中的煤明火燃烧阶段和煤自燃氧化阶段存在很大不同。因此,为了更加深入的认识惰性气体和氢氟烃类气体灭火剂在抑制煤明火燃烧过程中的灭火特性和灭火效率,需要进行不同种类气体灭火剂抑制受限空间煤明火燃烧机理的实验研究,以期为矿井火灾救灾提供新的气体灭火材料选择。本文的主要研究内容如下:(1)煤燃烧基本特征参数的优选及实验平台的搭建首先通过煤自燃机理(热平衡和链式理论)、燃烧蔓延理论和灭火机理的研究,确定了可以有效评价煤燃烧过程的三个基本特征参数:①火焰表面积,该值反映了燃烧过程中热反馈的大小,定量分析火焰表面积变化趋势有助于我们进行煤燃烧状态的判断以及蔓延状况的分析。根据Orloff“圆柱体法”原理论证了火焰表面积与火焰图像面积成?倍关系,因此可以使用火焰图像面积值代替火焰表面积值研究其变化趋势;②标志性气体浓度,通过标志性气体(O2、CO、CO2和CH4)浓度的变化趋势分析可以进行燃烧状态判断及评价燃烧氧化反应程度;③温度,火焰温度及煤体温度是反映燃烧剧烈程度及火焰蔓延特性的重要参数。基于以上三个煤燃烧特征参数和耗氧法原理搭建了受限空间煤燃烧实验平台,该平台利用数码摄像仪、在线式连续分析仪和热电偶对整个煤燃烧过程中的火焰图像面积、标志性气体浓度和受限空间内温度进行实时监测分析,从而能够比较全面的分析气体灭火剂抑制煤明火燃烧过程的特性。(2)火焰图像面积变化的提取分析基于数字图像处理识别技术获取火焰图像面积。由于实验过程中的烟气、水蒸气及观察窗玻璃污点等多种外界因素影响,会导致数码摄像仪记录的火焰图像存在大量噪音,图像质量比较差。因此,本文首先借助matlab软件对火焰图像进行对比度增强预处理,将其rgb直方图处理成具有双峰特征,以便消除火焰图像中的背景噪声,有效凸显火焰图像目标边缘信息;其次,基于阈值法原理,使用ipp软件对预处理过的火焰图像进行目标分割与计算,为煤燃烧实验过程中的火焰表面积变化趋势分析奠定基础。由于煤明火燃烧过程中火焰形态波动较大,通过数字图像处理识别技术获取的火焰图像面积变化曲线也呈现出较大波动。因此,为了更清晰地研究火焰图像面积的变化趋势及主要波动信息,使用小波变换理论对火焰图像面积变化曲线进行消噪处理。(3)煤燃烧全过程特征及燃烧判定指标的研究通过自行设计搭建的煤明火燃烧实验平台进行煤自由燃烧熄灭实验,对煤明火燃烧和阴燃熄灭过程的火焰表面积、标志性气体浓度、温度变化趋势进行监测。通过分析实验结果得出:①在煤自燃阶段,co、co2浓度随着煤温的逐渐增大而增大,在煤明火燃烧末期和阴燃熄灭初期,由于不完全氧化反应的增加会出现co2生成速率和耗氧量同时减小、co生成速率增加现象,该阶段依然具有很强的燃烧复燃迹象。因此,进行火区燃烧状态的判断时,只有在co和co2浓度同时下降时才能初步判断燃烧具有熄灭趋势;②煤明火燃烧阶段的热释放速率最大,煤燃烧的热释放速率与火焰尺寸成正比例变化关系,及时采取灭火措施熄灭明火燃烧对于遏制火势的扩大非常重要;③受限空间内热辐射是传递热量最主要的方式,受限空间内的温度变化与火焰变化成正比例变化关系。通过受限空间煤自由燃烧熄灭实验中的气体浓度变化对常用的9个燃烧状态判定指标:特里克特比率(tr)、耗氧量(△o2)、燃烧比co/(co+co2)、二氧化碳指数(ico2)、氧化碳比率(co/co2)、贝斯特龙系数(f)、自燃气比法(rc和rn)、格雷哈姆系数(ico)、气样组分比率(rt)进行验证研究。验证结果表明进行矿井火灾救灾时,如果仅使用前人对这9个判定指标总结的临界值进行分析容易出现判断失误,而使用其变化趋势对燃烧状态的分析较好。因此,在矿井火灾救灾过程中,需要重点使用燃烧判定指标的变化趋势,同时结合标志性气体浓度变化趋势对火区燃烧状态进行综合分析。(4)惰性气体和氢氟烃类气体抑制甲烷燃烧的机理研究利用气相化学动力学软件(chemkin)模拟计算不同浓度的n2/co2/chf3对当量比为1的ch4/air层流预混火焰结构的影响。通过对火焰轴向距离上的主要中间产物浓度分布、火焰面中心位置变化、反应物与燃烧产物浓度分布三个角度进行n2/co2/chf3抑制碳氢化合物有焰燃烧过程的机理分析。通过CHEMKIN的模拟计算分析可知:①N2主要是通过稀释作用进行灭火,随着N2浓度的逐渐增加其灭火效果逐渐增强;②CO2作为惰性气体灭火剂的灭火作用强于N2,这主要是因为CO2除了作为稀释剂外还可以作为燃烧产物抑制链式反应的正向反应进程,减小自由基的生成速度,从而能够更有效地抑制燃烧;③以三氟甲烷为代表的氢氟烃类气体主要通过参与燃烧链式反应争夺可燃物燃烧所需要的自由基(OH、H和O等)进行灭火,因此其灭火效率比惰性气体高,但是氢氟烃类气体在灭火过程中会大量生成CO和具有腐蚀作用的有毒气体HF。因此,在使用氢氟烃类气体进行灭火时需要控制氢氟烃类气体的用量和灭火时间以便减小HF的生成量,减弱HF危害。(5)单一气体(N2/CO2/C3H2F6)抑制煤明火实验研究开展不同流量惰性气体(N2/CO2)、氢氟烃气体(C3H2F6)灭火剂抑制煤明火燃烧实验。重点对实验过程中火焰表面积变化规律进行分析,同时结合标志性气体浓度变化、温度场变化以及CHEMKIN数值模拟计算结果,揭示了N2/CO2/C3H2F6气体的抑制煤明火燃烧特性和效率。首先,N2/CO2/C3H2F6气体对煤明火实验过程中的火焰抑制效果不同:N2对火焰表面积的影响是线性减小,CO2是指数式减小,C3H2F6是先增加然后迅速波动下降,其中C3H2F6在灭火初期对燃烧火焰的拉伸现象明显;其次,综合多次实验结果分析可知C3H2F6灭火时间最少,CO2居中,N2耗时最多;最后,综合分析标志气体浓度与温度场变化可知,N2灭火过程中会稀释所有反应气体浓度,CO2灭火过程中会增加CO的生成量,而C3H2F6灭火剂灭火时会生成大量的CO且会导致燃烧空间温度场的升高。(6)混合气体(N2/CO2与C3H2F6)抑制煤明火实验研究为了克服N2/CO2/C3H2F6气体单独灭火时存在的缺陷和问题,进行不同浓度配比的混合气体(N2和C3H2F6、CO2和C3H2F6)熄灭煤明火燃烧实验,从而为混合气体灭火剂用于矿井火灾救灾提供实验数据参考。当C3H2F6在N2中的混合比例小于5%时会有效提升N2降低煤燃烧火焰的表面积下降速度,而当C3H2F6所占比例大于5%时,C3H2F6的化学灭火作用开始显现,火焰表面积在下降过程中出现闪灭现象,在阴燃熄灭阶段的CO生成量大幅增加,同时该阶段煤热解CH4的抑制作用增强;当C3H2F6与CO2混合后会有效增加CO2的灭火效率,即使在C3H2F6混合比例很小时也会出现火焰闪灭现象,同时抑制了单独使用C3H2F6时对火焰的拉伸现象,当C3H2F6在混合气体中的配比大于6.23%,六氟丙烷抑制煤热分解CH4的特性才出现。