甲烷-煤尘复合爆炸威力实验

建立了由压力变送器、数据采集卡、计算机和电极点火装置组成的密闭空间甲烷-煤尘复合爆炸实验系统,动态响应时间小于1 ms,测试精度为0.5级.对甲烷－煤尘复合爆炸威力进行了系统的实验研究.结果表明:密闭空间内甲烷－煤尘复合爆炸的最危险爆炸条件为甲烷浓度5%,煤尘浓度500 g/m³,煤尘粒径26 μm,点火延迟时间40 ms;最大爆炸压力与甲烷浓度、煤尘浓度和点火延迟时间呈二次函数关系;最大爆炸压力随着煤尘粒径的增大而减小.甲烷的存在使得纯煤尘在空气中的爆炸下限降低,而爆炸压力增大;同样,煤尘的存在使得甲烷的爆炸下限降低,而爆炸压力升高.     

密闭管内甲烷—煤粉复合爆炸实验研究

在竖直长管内进行弱点火条件下甲烷—煤粉复合爆炸实验,研究了甲烷煤粉配比浓度、煤粉粒径、点火延迟时间等初始状态参数对复合爆炸特性的影响。结果表明:火焰传播越快,压力上升越显著,最大压力上升速率出现在爆炸初期,当火焰传播至管末端后,压力达到最大值;低浓度甲烷添加煤粉后,爆炸压力显著增大;煤粉粒径越小,复合爆炸压力越大,压力上升速率越大;最大爆炸压力和最大压力上升速率随着煤粉浓度增大和点火延迟时间增加先上升后下降,存在峰值点。     

七氟丙烷抑制甲烷空气预混气体爆炸的实验研究

为寻找既环保又能抑制瓦斯爆炸的气体抑爆介质,解决瓦斯输送过程中的爆炸安全问题,分析了七氟丙烷作为抑爆介质的抑爆机理,并采用20 L爆炸特性测试系统,研究了不同体积分数的七氟丙烷对甲烷体积分数为9.5%的甲烷空气预混气体最大爆炸压力、最大压力上升速率和峰值压力的影响。研究发现:在实验条件下,点火延迟时间为60 ms时,七氟丙烷抑制甲烷空气预混气体爆炸的最低体积分数为17.4%;七氟丙烷体积分数为5%~17%时,随着其体积分数的增大,最大爆炸压力逐渐升高,最大压力上升速率增大,对甲烷空气预混气体爆炸有促进作用。研究表明,七氟丙烷可作为新型环保气体抑爆介质抑制瓦斯爆炸,但在使用过程中应根据使用场所合理确定七氟丙烷的用量。     

超细Al(OH)3粉体浓度对甲烷爆炸压力的影响

采用20 L的球形不锈钢爆炸罐试验系统,考察不同浓度Al(OH)₃超细粉体抑制瓦斯爆炸的效果.实验结果表明,随着Al(OH)₃粉体浓度的增加,甲烷最大爆炸压力先减小后增大,即存在控制瓦斯爆炸的最佳的粉体浓度.当甲烷浓度为9.5%时,1.3 μm超细粉体Al(OH)₃的最佳控爆浓度约为250 g/m³,此粉体浓度下的最大爆炸压力、最大压力上升速率、到达最大爆炸压力的时间分别为0.583 MPa,9.082 MPa/s,190 ms;当甲烷浓度为7.0%时的最佳控爆浓度约为200 g/m³,此粉体浓度下的最大爆炸压力、最大压力上升速率、到达最大爆炸压力的时间分别为0.474 MPa,3.76 MPa/s,400 ms.     

不同变质程度煤尘爆炸特性对比分析

采用20L球形爆炸装置研究了煤尘浓度、点火能量、煤尘粒径对不同变质程度煤尘爆炸特性的影响,分析了不同变质程度煤尘在相同条件下的爆炸特性差异性。结果表明:浓度为100g/m3时不同变质程度煤尘最大爆炸压力相差较大,700g/m3时差异不大,最佳煤尘浓度下爆炸最大压力与变质程度呈负相关。低变质程度煤尘爆炸最大压力随点火能量增大而增大,高变质程度煤尘爆炸最大压力受低点火能量影响显著,当点火能量增大至8kJ后影响作用减弱。高变质程度煤尘的燃烧持续时间受点火能量影响作用明显,低变质程度煤尘的燃烧持续时间受粒径影响作用明显。     

管道内不同浓度甲烷爆炸传播特性的实验研究

在水平管道式气体爆炸装置中,选取5种不同浓度的甲烷进行爆炸实验,研究在甲烷爆炸传播过程中,最大爆炸压力、压力上升速率及压力峰值时间随甲烷浓度及传播距离的变化规律。研究结果表明:甲烷浓度对最大爆炸压力、压力上升速率和压力峰值时间的影响显著:甲烷浓度越接近化学当量浓度,最大爆炸压力和压力上升速率越大,压力峰值时间越短。随着传播距离的增大,最大爆炸压力和压力上升速率先增大再减小,压力峰值时间则依次延长。甲烷浓度偏离化学当量浓度越多,压力峰值时间成倍延长。     

环境温度对预混瓦斯气体爆炸特性的影响

为了研究不同环境温度条件下预混瓦斯气体爆炸特性参数的变化和危险性,利用20 L爆炸特性实验装置,采用夹层和内腔双加热、高压放电点火的方法,对不同环境温度(20～200℃)瓦斯爆炸压力特性、爆炸燃烧特性参数、爆炸极限等参数进行了测试。研究表明:在实验条件下,爆炸最大压力、爆炸反应时间、爆炸点火延迟时间均随环境温度的升高而逐渐降低或减少;当环境温度升高至200℃时,爆炸最大压力降低了43.8%,而爆炸反应时间、点火延迟时间分别减少了54、14.4 ms;压力上升速率受温度影响较小;随环境温度升高,分子内能增加,原来稳定的不燃系统越容易变成可燃、可爆系统,爆炸极限范围变宽。     

煤矿煤尘爆炸特性的实验研究

为了研究新安煤矿的煤尘爆炸特性,采用20升爆炸测试系统,测试了煤尘的爆炸下限、最大爆炸压力以及压升速率,为煤矿科学防止煤尘爆炸提供实验支持。实验结果表明:新安煤矿煤尘最低爆炸浓度为100g/m3,最大爆炸压力0.814MPa,最大压力上升速率为35.782MPa/ms,煤尘爆炸下限低,爆炸猛度大,要对煤矿的煤尘爆炸重点预防。     

密闭管内甲烷－煤粉复合爆炸火焰传播规律的实验研究

在1.2 m长竖直爆炸管内对不同初始条件下的甲烷－煤粉混合物进行了弱点火火焰传播实验。分别考察了甲烷浓度、煤粉浓度、煤粉粒径以及点火延迟时间对复合爆炸火焰传播特性的影响。结果表明,煤粉的存在使得纯甲烷在空气中爆炸火焰传播速度显著增大,最大火焰传播速度出现在距离点火端0.425 m（长径比等于6）处;火焰传播至长管末端壁面后,爆炸压力达到最大值;甲烷浓度越接近化学当量比,火焰传播速度越快;火焰传播速度随煤粉浓度和点火延迟时间的变化趋势为先增大后减小,最佳煤粉浓度为500 g/m³,最佳点火延迟时间为500 ms;在一定粒径范围内,火焰传播速度随着煤粉粒径的增大而减小。     

管道中煤尘爆炸特性实验

在长度为32.4 m、内径为199 mm的圆形管道中采用强点火方式对甲烷-空气混合物及甲烷-煤尘-空气混合物爆炸超压传播规律及爆速进行了研究。研究结果表明：强点火条件下甲烷－空气混合物的最大爆压和爆速分别为4 MPa、1 766 m/s,在标准状态瓦斯爆炸极限浓度外2.5%、4.1%、15.2%时也出现稳定爆轰。相同浓度甲烷-煤尘-空气混合物爆炸超压及爆速要大于甲烷-空气、煤尘-空气混合物,甲烷-煤尘-空气混合物在爆炸当量浓度时,随着煤尘浓度越大,瓦斯浓度越小,爆炸超压和爆速越小。     

Study on explosion process of methane-coal dust mixture

The experimental system of 10 m³ large-scale multiphase combustion explosion tank was used for research into the explosion development process under the ignition conditions of methane-coal dust-air mixture, and the overpressure development processes of the mixture at different distances were obtained. For the methane-coal dust-air mixture with an equivalence ratio of 1, the explosion pressure and pressure rise rate reached their maximum under a methane concentration of 8% and a coal dust concentration of 25 g/m³, while the maximum explosion pressure and pressure rise rate both occurred 0.5 m away from the ignition point under a methane concentration of between 4.5% and 8%, and a coal dust concentration of between 25 g/m³ and 100 g/m³. Moreover, the greater the explosion intensity of mixture, the closer the occurrence location of maximum overpressure was to the ignition source.     

煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限的影响研究

瓦斯和煤尘复合爆炸是煤矿井下爆炸灾害的主要形式之一,研究瓦斯/煤尘复合爆炸下限变化规律,是有效防治煤矿爆炸灾害的必备条件。为研究煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限的影响,特选用2种组分不同的煤尘(烟煤和无烟煤)。依据EN 14034标准,使用10 kJ化学点火头在标准20L球形爆炸容器中,分别对2种煤尘的最小爆炸浓度、相同试验条件下的瓦斯爆炸下限以及煤尘与瓦斯的复合爆炸下限进行了测量。试验测得烟煤和无烟煤的最小爆炸浓度分别为50 g/m^3和70 g/m^3,瓦斯爆炸下限为4%。当煤尘中分别通入1%、2%、3%、4%的瓦斯后,烟煤最小爆炸浓度分别降低至40、20、5、0 g/m^3,无烟煤最小爆炸浓度分别降低至50、20、5、0 g/m^3。基于上述测量结果,对比分析了煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限变化规律的影响,并探讨了Le Chatelier、Bartknecht、Jiang等气粉复合爆炸下限预测模型对瓦斯/煤尘复合体系的适用性。结果表明:2种煤尘的最小爆炸浓度均随瓦斯浓度的增大而降低,但挥发分含量低的煤尘降幅更大,即瓦斯对低挥发分煤尘最小爆炸浓度的影响更为显著。Jiang模型预测值远远偏离实际测量值;Le Chatelier模型预测值高于实际测量值,且误差随瓦斯浓度的增大而增大;Bartknecht模型适用性相对较好,且更适用于低挥发分瓦斯/煤尘复合体系。     

Numerical investigation on the spraying and explosibility characteristics of coal dust

This paper utilises FLUENT software to simulate the spraying and explosion of coal dust in a spherical explosion chamber. The influence of particle size on coal dust spraying is analysed. Explosion easily develops for small particle sizes under the same conditions of coal dust concentration and ignition temperature. For large-size coal dust particles, the speeds of release and transmission reduce dramatically due to lack of oxygen inside. Explosion is very difficult to develop in such conditions. Coal dusts with smaller particle size distribute uniformly in the chamber, whereas larger particles concentrate in parts of the chamber. The influence of coal dust concentration, ignition temperature and particle size on the pressure of coal dust explosion is also studied. The results show that, when ignition temperature is less than a certain value, the maximum pressure increases rapidly with the growth of ignition temperature. As ignition temperature is larger than the value, the change of the maximum pressure is small. The maximum explosion pressure increases first and then decreases with the increase of coal dust concentration. Because the inside of large size particles burn only partially due to lack of oxygen and slow combustion heat release and transfer, the decrease of the maximum explosion pressure is proportional with the increase of particle size.     

含弱约束结构受限空间甲烷爆炸及传播特征实验研究

为研究含弱约束受限空间内甲烷爆炸压力升高及沿扩散管的传播特征,对不同体积分数甲烷的爆炸特征参数进行了系列实验。获得了含弱约束结构受限空间在不同浓度甲烷爆炸时的压力升高规律,研究表明,含弱约束受限空间内的甲烷爆炸压力升高趋势类似封闭空间,但压力峰值远小于封闭空间,封闭空间最大压力是含弱约束结构空间的3.2倍。由于若约束结构的存在,甲烷体积分数较低时破膜压力较大,腔体内高压持续时间较短,而接近爆炸当量浓度时腔体内高压持续时间增长。扩散管中的爆炸压力和火焰传播规律随甲烷体积分数变化呈现明显不同。在实验条件下,当甲烷体积分数低于7.0%时,破膜激波与火焰锋面时间差最大为5.255 ms,扩散管中的火焰主要为膨胀火焰。而甲烷体积分数高于7.4%时,破膜激波与火焰锋面时间差为28~40 ms,说明在管外发生了二次爆炸,以湍流火焰为主。爆炸压力的沿管道传播则分为3种情况,甲烷体积分数低于7.0%时,爆炸压力随传播距离增大而减小;甲烷体积分数为7.4%和11.0%时,爆炸压力随传播距离增大呈线性增大;甲烷浓度为当量浓度时,其压力传播特征类似于全管道甲烷爆炸的特征,随传播距离呈现锯齿形增大。实验结论对天然气长输管道、LNG和CNG储罐检修过程中的爆炸事故预防和含弱约束结构的其他气体泄爆具有参考意义。     

分散度对煤粉爆炸特性的影响

煤矿工作面煤尘呈多分散性,因此采用单一粒径的煤样评估煤尘爆炸风险存在缺陷。为了研究分散度对煤尘爆炸特性的影响规律,找出合适的平均粒径表示方式来评估分散度对爆炸风险的影响,以5种粒径分布范围相同但分散度不同的煤样为研究对象,采用20 L爆炸球实验装置,测量样品的最大爆炸压力P_(ex)、最大爆炸压力上升速率(dp/dt)_(ex)、开始点火至最大爆炸压力的时间段t_1和开始点火至最大爆炸压力上升速率的时间段t_2四个参数。后续采用热值分析、扫描电镜试验方法探究不同分散度煤尘的反应程度。借助方差分析和斯皮尔曼相关性分析研究测量结果组间的差异性、不同粒径表示方式与爆炸特性参数的相关性。实验结果表明:对于具有相同粒径分布的煤粉,分散度对煤粉爆炸反应速率影响较大。小粒径煤尘颗粒的质量分数越大,反应速率越快,反应越充分,释放的能量越大。当小粒径煤尘质量分数达到30%时,最大爆炸压力上升速率显著增大,t_1和t_2明显减小。粒径最小的原始样品3的爆炸产物热值最低,且爆炸产物表面形成了较为丰富的孔洞结构,说明小粒径煤尘较快的脱挥发速率能增加爆炸的反应程度。D_(10),D_(25)(为投影面积的10%和25%的颗粒直径)、D_(3,2)(索特尔直径)与最大爆炸压力上升速率、t_1和t_2三个参数的斯皮尔曼相关系数均落在高度相关和显著相关的区间,呈现出较好的相关性。对于多分散性的煤尘,D_(10),D_(25)和D_(3,2)可以较好的评估分散度对煤尘爆炸特性的影响。     

煤质指标对煤尘爆炸最大压力上升速率的影响

为研究煤质指标对煤尘爆炸的影响,通过20 L球形爆炸容器对具有不同工业成分的煤尘爆炸最大压力上升速率进行测定。运用SPSS软件对测得的煤质指标数据进行科学合理的分析,计算不同煤质指标间的相关系数。结果表明,影响煤尘爆炸最大压力上升速率的指标数据之间具有较大的相关性,空气干燥基下的灰分与固定碳之间的相关系数高达-0.963,属于高度相关。通过主成分分析法提取出"抑制因子"和"激励因子"2大主成分,运用多元线性回归方法建立煤质指标与爆炸最大压力上升速率的计算模型,模型拟合度R值为90.6%。