空腔长宽比对瓦斯爆炸冲击波传播规律的影响

近年国内外学者对瓦斯爆炸抑爆隔爆技术的研究主要围绕抑爆剂、吸能材料和空腔等开展。文献指出空腔具有抑制瓦斯爆炸传播的功能,且抑爆性能受空腔体积大小影响。为探索体积不变条件下空腔尺寸特征对瓦斯爆炸传播抑制性能的影响,设计了体积为0.08 m~3长宽比分别为5/8,8/5的矩形钢质空腔,壁厚10 mm,并将其铺设在36 m长的大型瓦斯爆炸管道系统中开展实验研究,考察瓦斯爆炸火焰和冲击波超压经过空腔后的变化规律。结果表明:长宽比5/8空腔对爆炸火焰、冲击波传播均有抑制作用,长宽比8/5空腔对爆炸火焰有抑制作用,但对冲击波传播有增强作用。在此基础上建立数值模型,将体积为0.08 m~3长宽比分别为1/10,2/5,5/8,1,8/5,5/2的空腔铺设在管道系统中开展数值模拟研究,研究发现:空腔对瓦斯爆炸冲击波传播抑制作用取决于空腔长宽比,长宽比越小,空腔对冲击波传播抑制作用越强;且存在临界长宽比,当长宽比1时,空腔对冲击波超压传播具有抑制作用,当长宽比1时,空腔对冲击波传播具有增强作用,长宽比为5/2时,增强现象最明显。最后,分析了空腔长宽比影响瓦斯爆炸冲击波传播规律作用机理,空腔长宽比越大,在出口和入口能接收到的反射波就越多,反射波在出口和入口叠加后产生的冲击波超压也就越大,反之越小;空腔长宽比越大,在空腔内参与爆炸的预混气体越多,腔内爆炸越剧烈,产生的增量冲击波就越强,反之越弱;因此,长宽比越大,空腔对瓦斯爆炸冲击波传播抑制作用越差,反之抑制作用越好,当长宽比大于临界长宽比时,空腔会增强瓦斯爆炸冲击波传播。     

空腔长度对瓦斯爆炸冲击波传播影响研究

通过自行搭建的管径为200 mm、长度为36 m大型圆管瓦斯爆炸试验系统,在量纲分析基础上开展了附设长径比分别为1.5,2.5和4这3种不同单一空腔条件下瓦斯爆炸传播特性试验研究。结果表明:空腔消减整体火焰锋面能力与长径比呈正相关关系,且同时会增加二次火焰,但二次火焰增加量随长径比增加而逐渐减少,其中长径比为4时火焰锋面衰减因子为0.091且二次火焰消失;峰值超压衰减因子与空腔长径比符合指数函数关系,且存在临界长径比,当长径比大于临界长径比时,空腔对峰值超压具有明显消减作用,其中长径比为4时峰值超压衰减因子为0.696;不同长径比空腔对超压冲量均呈增强作用,只是随长径比增加,超压冲量增强幅度有所减小,根据超压-冲量准则,若单一空腔能将峰值超压降低至临界超压以下,则有抑爆效果,否则对瓦斯爆炸冲击波没有明显消减作用。     

喷射超细ABC粉体对瓦斯爆炸的抑制与增强作用

通过触发抑爆装置气体发生器产生高压运载气体(氮气),驱动超细ABC粉体快速喷射的方式,在100 L爆炸容器内开展了甲烷/空气混合物爆炸抑制研究,旨在揭示抑爆介质喷射量、抑爆装置触发时间等关键参数对瓦斯爆炸抑制效果的影响。结果表明:在抑爆介质喷射总量40 g条件下,甲烷/空气混合物点燃后50 ms时间段内触发抑爆装置,超细ABC云幕均能将爆炸火焰轮廓完全覆盖,甲烷/空气混合物爆炸火焰传播得以完全抑制,当抑爆装置触发时刻超过55 ms时,仅使爆炸发展过程推迟,并不能降低爆炸强度。抑爆装置触发时间维持55 ms不变,只有将抑爆介质喷射量增加到60 g时,才能将爆炸火焰传播熄灭。研究还发现,在抑爆装置触发时间一定时,抑制爆炸所需的超细ABC粉体存在较为确定的临界量,当抑爆介质喷射量低于临界值时,在抑爆介质喷射的初始阶段,爆炸火焰传播有所衰减,但随后火焰传播更加迅速,整体上对爆炸火焰传播起到促进和强化作用;而当抑爆介质喷射量高于临界值时,过量喷射抑爆介质对爆炸抑制效果也起不到进一步改善作用。作为驱动超细ABC粉体的必要动力源,氮气喷射过程对爆炸的强化作用十分显著,通过合适的超细ABC粉体冗余量充装可有效克服上述不足。     

抑爆剂面密度对瓦斯爆炸传播抑制效果的影响

单位面积内的抑爆剂浓度是影响瓦斯爆炸抑制效果的关键因素。为研究抑爆剂面密度对瓦斯爆炸传播抑制效果的影响,在500 mm爆炸管道内开展了5种不同面密度抑爆剂作用下的抑爆实验。研究表明:ABC超细干粉灭火剂对爆炸火焰的抑制作用较对爆炸压力的衰减作用更明显,实验中爆炸压力降幅最高为57.6%,火焰速度降幅最高达100%。抑爆效果随抑爆剂面密度的增大而增强,只有当抑爆剂面密度大于临界值时,爆炸压力与火焰才能同时得到有效控制,实验中测得的临界面密度为40.8 kg/m~2。     

输送管道内低浓度瓦斯爆炸抑制试验

自动喷粉抑爆装置是低浓度瓦斯管道输送的重要安全保障设备之一。运用内径500 mm爆炸管道研究自动喷粉抑爆装置对输送管道内低浓度瓦斯爆炸传播的抑制效果,并分析其抑爆机理。结果表明:抑爆效果受抑爆装置安装位置的影响很大,火焰传感器与抑爆器的最小安装距离为20 m。爆炸火焰在抑爆器后方需传播一定距离才能被完全扑灭,存在一个区间和时间的过程。冲击波压力峰值由于产气剂喷射压力的抵消和ABC干粉灭火剂的抑制作用发生衰减,但衰减幅度相对较小。     

惰性气体对KHCO3冷气溶胶甲烷抑爆性能的影响研究

主动式喷粉抑爆装置是煤矿甲烷爆炸的防控装备之一,该装置装填的超细粉体抑爆剂可在甲烷爆炸初期主动喷洒,使其中超细粉体颗粒形成冷气溶胶,减少后续甲烷爆炸危害。为进一步提升主动式喷粉抑爆装置的抑爆性能,探究冷气溶胶抑爆剂的抑爆规律,使用5 L爆炸管道系统,测试了N₂和CO₂两种惰性气体对KHCO₃冷气溶胶甲烷抑爆性能的影响。试验结果表明:N2、CO₂显著强化了KHCO₃冷气溶胶对9.5%甲烷/空气预混气的抑制性能,相比于空气驱动的KHCO₃冷气溶胶,气体介质中含有惰性气体的KHCO₃冷气溶胶使甲烷爆炸最大压力下降更为显著,到达峰值压力时间也更长;CO2对KHCO₃冷气溶胶抑爆性能的增效作用强于N2。其中,体积分数0.03 g/L的KHCO₃冷气溶胶仅使甲烷最大爆炸压力降低60.4%,而在气体介质内充入体积分数15%~20%的N2或5%~10%的CO2时,同浓度KHCO₃冷气溶胶可以完全抑制甲烷爆炸,继续增加惰性气体的体积分数可以进一步减少KHCO₃冷气溶胶用量,从而降低主动式喷粉抑爆装置的成本。试验考察了在不同浓度KHCO₃冷气溶胶与不同体积分数N2、CO2作用下的甲烷爆炸情况,得到了KHCO₃冷气溶胶与惰性气体的最佳抑爆用量配比,能够为基于KHCO₃冷气溶胶的主动式喷粉抑爆装置的设计提供理论依据及技术参数。此外,讨论了含惰性气体的KHCO₃冷气溶胶系统的甲烷抑爆机理,并分析了惰性气体的增效原因。     

瓦斯输送管道爆炸自动喷粉抑爆技术

通过论述自动喷粉抑爆技术原理及构成,分析总结瓦斯管道爆炸传播规律,得出自动喷粉抑爆技术抑爆效果主要取决于装备相应时间、干粉浓度粒度及NH4H2PO4质量分数。在DN500爆炸试验管道进行瓦斯管道爆炸传播试验和抑爆试验研究自动喷粉抑爆装置抑爆效果,抑爆器动作后,爆炸火焰在抑爆器后3.5 m内被扑灭,爆炸冲击波在爆炸火焰被扑灭后,不断衰减,最终消失。试验表明:自动喷粉抑爆技术能够有效的抑制瓦斯爆炸。     

硅藻土粉体抑制瓦斯爆炸的实验研究

采用自主改进的20 L近球型抑爆实验系统,测试添加硅藻土粉体时瓦斯爆炸极限、压力等特性参数的变化,并同石英粉对比分析其抑爆效果,结合热重分析方法研究硅藻土表面物化特性对抑爆作用过程的影响.结果表明:硅藻土粉体对瓦斯爆炸具有一定的抑制作用,且效果优于石英粉;质量浓度为0.1 g/L的硅藻土粉体可使甲烷与空气混合气体(甲烷体积分数7%)的爆炸压力下降30%左右,爆炸极限范围缩小约28%;硅藻土微孔结构和表面羟基特点是影响其抑爆效果的关键因素.     

煤粉对泡沫金属抑制爆炸火焰传播速度的影响分析

针对煤粉对泡沫金属抑制爆炸火焰传播速度的影响进行了相关实验,着重分析了煤粉在管道内有抑爆介质时的运移规律和对其抑爆效果的影响机理。管道内煤粉在爆炸冲击波的影响下分为3个部分:未被扬起滞留在抑爆材料前一部分;滞留在抑爆材料上一部分;穿过抑爆材料逸散一部分。煤粉对泡沫金属抑爆性能的影响主要体现在:当煤粉粒径一定时,煤粉质量过大或过小对泡沫金属抑爆性能影响不大。煤粉质量过小时,大部分煤粉经过泡沫金属逸出,对其抑爆性能影响较小;而当煤粉质量过大时,局部区域氧气浓度不足,滞留在泡沫金属上的煤粉不易燃烧,对泡沫金属的抑爆性能影响也较小。当煤粉质量一定,粒径越接近泡沫金属孔径,煤粉越易滞留在泡沫金属上,对其抑爆性能影响也越大。     

超细粉体云幕抑制大型管道内瓦斯爆炸火焰传播

在内径357 mm、长32.4 m的管道中,以电离探针作为爆炸火焰传播速度的主要检测手段,利用自主研制的爆炸抑制装置,开展了超细粉体云幕抑制体积分数为9.5%的瓦斯爆炸火焰传播的研究。结果表明:触发时间为125 ms条件下,采用超细ABC粉体抑爆剂,能使爆炸火焰传播得到不同程度的抑制,当抑爆剂充装量为800 g时,爆炸火焰得以完全熄灭;就抑爆介质而言,其爆炸抑制效果依次为:超细ABC粉体、超细SiO_2粉体、普通ABC、超细Mg(OH)_2;抑爆装置触发时间大于一临界值时,仅能够减弱火焰传播,而不能将其完全熄灭。     

煤尘爆炸传播特性的实验研究

用实验方法,在长1.5 m、直径0.3 m的爆炸腔体与80 mm×80 mm方形断面管道对接的实验装置中进行煤尘爆炸传播特性研究。研究结果表明,爆炸火焰区传播距离远大于原始煤尘积聚区长度,爆炸传播过程中各测点冲击波压力出现先“升”后“降”变化,冲击气流衰减变化与爆炸煤尘量和断面有关,爆炸毒害气体并非一开始就扩散传播,而是在动压作用下冲击一段距离后开始扩散,可能存在膨胀极限区。     

煤粉对泡沫金属抑制爆炸火焰波性能的影响规律

泡沫金属是能够同时抑制瓦斯爆炸冲击波和火焰波传播的新型阻隔爆材料,但在煤粉环境下泡沫金属阻隔瓦斯爆炸的能力却不得而知。为研究煤粉对泡沫金属阻隔瓦斯爆炸火焰波传播的影响规律,在自行设计的直径120 mm的瓦斯传爆测定装置中,对管道中添加不同参数煤粉后泡沫金属衰减火焰速度的性能进行了实验研究。结果表明:添加粒径为60~80目的 5,10,50,100 g煤粉后,爆炸火焰波衰减率分别为92.95%,97.93%,80.95%,92.05%。对于特定参数的泡沫金属,煤粉质量在一定范围内会造成阻隔性能的降低。分析发现煤粉粒径越接近泡沫金属孔径,煤粉越易滞留于阻隔材料,泡沫金属的阻隔效果也越差。100 g 40~60目的煤粉添加后导致泡沫金属的火焰波衰减率降低为68.23%。研究结果显示,管道中的煤粉质量和粒径均可对泡沫金属的阻隔性能产生重要影响。     

Experimental study and theoretical analysis on the effect of electric field on gas explosion and its propagation

The effect of the electric field with different intensity on explosion wave pressure and flame propagation velocity of gas explosion was experimentally studied, and the effect of electric field on gas explosion and its propagation was theoretically analyzed from heat transportation, mass transportation, and reaction process of gas explosion. The results show that the electric field can affect gas explosion by enhancing explosion intensity and explosion pressure, thus increasing flame velocity. The electric field can offer energy to the gas explosion reaction; the effect of the electric field on gas explosion increases with the increase of electric field intensity. The electric field can increase mass transfer action, heat transfer action, convection effects, diffusion coefficient, and the reaction system entropy, which make the turbulence of gas explosion in electric field increase; therefore, the electric field can improve flame combustion velocity and flame propagation velocity, release more energy, increase shock wave energy, and then promote the gas explosion and its propagation.     

激波条件下煤粉爆炸压力的实验研究

通过管道式气体粉尘爆炸装置对激波诱导下煤粉爆炸压力进行了实验研究,并对其进行了分析,主要研究了不同激波强度,不同煤粉浓度,不同煤粉粒度对爆炸压力的影响.     

抑制瓦斯煤尘爆炸传播的主动喷粉抑爆技术

通过阐述主动喷粉抑爆技术的技术原理,分析总结瓦斯煤尘爆炸传播规律,认为主动喷粉抑爆技术的应用效果主要与抑爆粉剂浓度、主动喷粉抑爆技术装备动作时间及瓦斯煤尘爆炸传播规律有关;并通过大型地下试验巷道,模拟实际应用主动喷粉抑爆技术及装备抑制实际发生的瓦斯煤尘爆炸传播试验,分析了主动喷粉抑爆技术对爆炸火焰及冲击波压力的抑爆效果,验证了主动喷粉抑爆技术能够在爆炸初期抑制瓦斯煤尘爆炸传播。     

掘进工作面不同瓦斯源爆炸过程的数值模拟

为研究独头巷道中不同瓦斯源对其爆炸过程的影响,运用数值仿真技术系统模拟不同瓦斯积聚长度及浓度对其爆炸特性的影响。结果表明:随着瓦斯积聚长度的增大,最大爆炸压力和最高爆炸温度均增大;最强压力波破坏的区段由巷道封闭端向开放端转移。瓦斯浓度在6%~10%范围内,最大爆炸压力随浓度的增大而增大;浓度超过10%后,最大爆炸压力随浓度的增大而减小;最高爆炸温度则一直随浓度在增大;反向稀疏波与正向冲击波多次相遇叠加而出现多个压力峰值。     

煤矿瓦斯爆炸冲击波衰减规律研究与应用

基于弱冲击波理论,根据瓦斯爆炸释放的能量,推导出爆炸冲击波传播过程中超压与爆源点距离之间的衰减关系,得到冲击波参数随传播距离的衰减规律以及冲击波传播距离和时间存在的非线性关系.全尺寸实验与理论计算的对比结果表明,理论数据与实验结果基本吻合,证明了冲击波超压随距离衰减公式的合理性.应用研究结果分析了瓦斯爆炸后冲击波影响范围,认为小型瓦斯爆炸只是破坏局部通风系统,而大型瓦斯爆炸,或者瓦斯爆炸过程中有煤尘等参与会造成极大的灾害.     

阻隔煤矿瓦斯爆炸传播的新技术研究

瓦斯爆炸是煤炭生产行业亟待解决的重大安全问题,开展对其预防和控制的研究工作十分必要。基于多孔材料对可燃气体爆炸传播的火焰具有淬熄作用,对压力波具有抑制作用,提出将钢丝网—泡沫陶瓷—钢丝网3层复合结构用于阻隔瓦斯爆炸传播的新设想,为阻隔爆技术开拓新领域。