煤矿井下瓦斯爆炸后爆源临近区域特殊热环境分析研究

为了研究瓦斯爆炸诱发次生灾害的致灾热因素,对煤矿瓦斯爆炸特殊热环境进行了分析。将瓦斯爆炸后的特殊热环境分为爆炸产生的高温高压的火焰波、较高温常压的爆源邻近区域的动态热环境两部分。通过对瓦斯爆炸火焰波的特征的理论分析和相关专家学者开展的瓦斯爆炸实验所测得火焰波特征数据,对爆炸火焰波的温度、速度等参数进行了分析。通过数学模型的建立,结合瓦斯爆炸后瞬间爆源所在巷道空气温度随距离的分布规律及数值模拟技术对爆炸后爆源临近区域的较高温、常压的动态热环境进行了研究。得出,瓦斯爆炸大多数是弱爆燃状态。爆炸后爆源临近区域空气温度随传播距离的增加逐渐降低,高温区域逐渐向远离爆源的方向运移,高温的持续时间越来越短。     

瓦斯浓度对爆炸传播影响的实验研究

在DN700mm试验管道中,进行了不同浓度瓦斯爆炸火焰、压力波传播试验.从中可以看出,爆源点的最大压力值,并不是整个过程的最大值;爆炸压力峰值与传播距离呈三次函数关系,瓦斯浓度对爆炸压力峰值影响较大;火焰速度随着传播距离的加长而依次增大,瓦斯浓度对火焰传播速度也有比较大的影响.研究结果为煤矿井下隔抑爆装置和瓦斯输送管道隔抑爆装置的研制及安装技术规范,制定奠定理论基础,同时,也为煤矿瓦斯爆炸事故调查分析提供理论依据.     

基于实验模拟对瓦斯异常的运移规律及浓度变化研究

根据实验内容、实验方案、实验设施,建立了模拟瓦斯异常的运移规律和浓度变化影响范围的实验系统。实验设置两种不同药量,分别进行了冲击气压、风速、距离爆源和微震实验,实验表明药量小的产生气压值相对较小,氮氧化物浓度呈近似指数衰减变化,微震能量计数与药量大小成线性关系。由瓦斯运移扩散影响,瓦斯浓度变化范围依次可划分为爆炸威胁区、爆炸危险区和完全区。距涌出源0～339m极有可能会发生瓦斯爆炸,瓦斯浓度低于5%,不会发生瓦斯爆炸事故。通过对瓦斯异常时瓦斯运移规律和浓度变化影响研究,为井下设置安全区域提供了理论指导。     

布设方式对避险设施承受爆炸冲击载荷的影响

为了研究井下发生瓦斯煤尘爆炸时,布设方式对避险设施承受爆炸冲击载荷的影响,在相同爆源条件下,以救生舱为例,对其在居中、一侧、扩帮、专用硐室和联络巷典型布设方式下,舱体承受冲击波载荷进行了有限元模拟计算,对比分析了不同布设方式下舱体各端面所受冲击载荷特性。模拟计算结果表明,一侧布设方式舱体左侧前部冲击波超压较居中布设方式略有增大,其他各端面超压基本相同;扩帮布设方式可有效减小舱体前端冲击波压力,但在不完全扩帮情况下由于巷道壁反射作用,后端冲击压力会急剧上升;专用硐室布设方式舱体前端压力明显减小,后端冲击压力逐渐增加;联络巷布设方式改变了爆源产生的冲击波对舱体前端面的作用方向,由正面冲击变为侧向划过,使得前端面所受冲击压力大幅降低,其他各端面超压较小,在井下具备安装条件时,推荐采用联络巷布设方式。     

点火能量对瓦斯爆炸传播影响的实验研究

在Φ700 mm管道中进行了瓦斯爆炸压力峰值、火焰传播速度的试验研究,对不同点火能量条件下的瓦斯—空气混合气体爆炸试验研究结果表明:爆炸压力峰值在沿管道的传播过程中,从爆源点附近是先增大后减小,然后再逐渐增大的,且最大压力峰值出现在出口附近;火焰传播速度随着传播距离的增大而逐渐增大;点火能量对爆炸压力峰值、火焰传播速度等都有重要影响。这些研究结果为煤矿井下隔抑爆装置和瓦斯输送管道隔抑爆装置的研制及安装技术规范的制订奠定了理论基础,也为煤矿瓦斯爆炸事故调查分析提供了理论依据。     

巷道瓦斯爆炸传播规律的试验研究

为了得到巷道瓦斯爆炸时的传播规律,利用大型试验巷道对不同质量、浓度的瓦斯-空气混合物的爆炸过程及传播规律进行了试验研究,分析了瓦斯爆炸时最大爆炸压力的时空变化特征、瓦斯爆炸火焰速度变化特征、火焰波及范围变化特征等规律,得出:1)最大爆炸压力的峰值较大,且随着瓦斯量的增加,出现最大压力峰值的位置距爆源点更近;2)最大爆炸压力呈现时间随与爆源的距离增大单调增加;3)随着瓦斯量增大,火焰传播速度绝对值明显增大,火焰传播速度最大点距爆源距离减小;4)火焰区长度可达原始瓦斯积聚区长度的3～6倍,但火焰传播距离并不与瓦斯量的增加成正比.研究所得结论可为矿井瓦斯事故的预防和治理提供参考.     

低浓度瓦斯管道快速阻爆装置的研制

为了解决低浓度瓦斯管道传输中的隔爆问题,设计出了低浓度瓦斯管道快速阻爆装置。详细介绍了自动阻爆装置的构成原理、瓦斯爆炸传播规律和对控制器响应速度要求、传感器电路设计、控制器的硬软件设计。试验测试结果表明,该阻爆装置响应动作速度快,能成功实现阻爆功能。     

管道内瓦斯爆炸传播试验研究

为了研发低浓度瓦斯抽放系统的安全设备,分别在DN500 mm和DN700 mm的试验管道内进行了瓦斯爆炸传播试验.通过动态信号综合测试系统采集了爆炸火焰和压力波的试验数据.试验结果表明:管道内瓦斯爆炸压力波峰值与传播距离呈二次函数关系,爆炸火焰到达时间与传播距离呈对数函数关系,且火焰传播速度随传播距离的增长而增大,管道直径对爆炸的传播有明显影响.     

巷道断面形状对井下避险设施承受爆炸冲击载荷的影响

为了研究井下发生瓦斯煤尘爆炸时,巷道断面形状对避险设施承受爆炸冲击载荷的影响,在相同爆源条件下,以救生舱为例,对其在半圆拱形、矩形及梯形3种典型断面巷道中采用一侧布设方式,舱体承受冲击波载荷进行了有限元模拟计算,对比分析了不同断面巷道中舱体各端面所受冲击载荷特性。模拟计算结果表明,流场压力与舱体各端面所承受的冲击压力并不呈现线性关系;矩形断面较梯形与半圆拱形作用到救生舱前、后端面的冲击波超压略大,作用到救生舱顶部的冲击超压变化波动较大,但由于舱体左侧空间较大,舱体左侧承受超压冲击较小;3种断面作用到舱体右侧的冲击超压均呈现前端小,中部增大,后端逐步平缓的趋势。     

不同浓度情况下管道瓦斯爆炸压力传播规律研究

在DN700mm试验管道中进行了不同浓度瓦斯爆炸压力波传播试验。从中可以看出,爆炸压力峰值与传播距离呈三次函数关系;瓦斯浓度对爆炸压力峰值影响较大,当测点距离一定时,压力峰值与浓度成二次函数关系。为煤矿井下隔抑爆装置和瓦斯输送管道隔抑爆装置的研制及安装技术规范制定奠定理论基础,同时,为煤矿瓦斯爆炸事故调查分析提供理论依据。     

矿井瓦斯爆炸火焰传播试验研究

通过数值模拟与实际试验,研究了瓦斯爆炸火焰在管道内传播的结构变化特性及其相应的传播规律.研究结果表明:数值模拟结果与试验结果走向基本一致,火焰传播速度随着距离爆源距离的增大,呈现出先增大后减小的规律.     

障碍物排列方式对甲烷/空气爆炸特性影响研究

为了研究煤矿井下设备尺寸及安装位置对瓦斯爆炸特性的影响,利用自行搭建的小型瓦斯爆炸实验平台开展了不同阻塞率障碍物在管道内位置的变化对甲烷/空气混合气体爆炸特性影响的研究。结果表明,在阻塞率相同时,到达管道末端的时间随着障碍物距离点火源位置的减小而减小,障碍物距离点火源越近、阻塞率越大,火焰到达管道末端的时间越短,障碍物对传播火焰前期的影响要大于对传播火焰后期的影响;随着距离点火源位置的增加,不同阻塞率的障碍物对爆炸压力峰值呈现先增大后减小的变化规律,障碍物的位置在距离点火源400 mm时,爆燃压力峰值达到最大;在相同管道位置下,爆炸压力峰值随着障碍物的阻塞率的增加而增加。研究结果可为井下设备设计及安装位置提供理论支撑。     

巷道截面形状对结构安全稳定性的影响数值模拟及实验研究

为了研究井下炮掘巷道截面形状对爆炸冲击波传播规律、壁面爆炸载荷分布特性以及结构安全稳定性的影响,采用有限元计算方法对爆炸冲击波在截面形状分别为正方形、圆形和马蹄形3种模型内的爆炸过程进行了数值模拟,获得了3种截面形状在轴向方向上相应特征点的压力时程曲线,以及结构壁面上的爆炸载荷时程曲线,同时针对正方形管道尺度展开相应的实验研究,得到波系演化过程及载荷分布特性。研究结果表明:以正方形模型为例,冲击波衰减规律与壁面爆炸载荷分布特性的数值模拟和实验结果区域一致,误差小于15%;截面为马蹄形的计算模型壁面爆炸载荷分布特性最小,安全性最高,但局域易造成应力集中。     

爆炸冲击载荷作用下岩体力学特性的演化研究

通过实验室模型试验以及对具体边坡工程的数值模拟相结合的方法分析了在爆炸冲击载荷作用下岩体力学特性的演化过程。模型试验中在距离爆源的不同位置进行取芯并对其进行了强度以及超声波探测;数值计算采用DYNA-2D软件对具体边坡爆破工程进行数值模拟研究。通过研究发现,在距离爆源不同的位置爆炸冲击作用对岩体所造成的影响程度也不同,承载性能、超声波传播速度的衰减也不同,通过模拟整个爆炸作用过程也可看到与模型试验同样的演化趋势。     

瓦斯输送管道水封阻火泄爆技术研究

为指导煤矿瓦斯输送管道水封阻火泄爆装置的正确设计和使用,采用DN500、DN700两种瓦斯爆炸试验管道系统,对管道内不同浓度瓦斯爆炸压力火焰传播规律及2种管径水封阻火泄爆装置阻火泄爆性能进行研究。结果表明:水封阻火泄爆装置安装位置和有效水封高度是影响阻火泄爆性能的关键因素,水封桶内气体流速决定了水封高度和装置阻力损失。为保证阻火泄爆性能,应在装置上设置可靠的水位监测控制系统,管径小于DN500的装置水封桶气体过流面积应大于输送管道过流面积的4倍;使用时,装置安装位置距离爆炸点不大于30 m,控制输送管道气体流速不超过10 m/s。     

井下瓦斯爆炸爆源特征尺寸计算方法的分析

井下瓦斯爆炸的爆源特征尺寸，是衡量井下瓦斯的主要特征参数之一，不论是事故的防治，还是进行事故的调查、处理都要知道爆源的特征尺寸。目前计算爆源特征尺寸的方法简便易行，但其结果比实验巷道的测试数据偏高。本文通过定性分析和定量计算，找出了导致这一问题的主要原因，并给出了解决这一问题的方法。     

煤矿异常爆破的研究

煤矿炸药发生拒爆、半爆等异常爆破现象是煤矿井下发生瓦斯、煤尘爆炸事故的主要引燃源之一;拒爆的炸药埋在煤、矸堆中,对于作业人员具有极大的威胁。因此,研究煤矿炸药发生异常爆破的原因,以便有针对性地采取有力措施,对保证爆矿安全生产是有重要意义的。本文介绍了有关这方面研究的以下内容:乳化炸药在静压下的爆轰和复原性;煤矿炸药在管道内的爆炸性能;电气爆破网路发生成组拒爆的原因。     

试验巷道内瓦斯爆炸对动物的损伤试验

针对煤矿井下瓦斯爆炸事故容易造成大量的人员伤亡的问题,采用大型巷道试验系统,研究了100 m3的瓦斯空气混合气体发生爆炸后对不同传播距离内SD大鼠的损伤效应。通过研究得出:瓦斯爆炸产生的爆炸冲击伤害是造成动物死亡的主要原因,即使远在240 m处,SD大鼠也会由于爆炸冲击而出现死亡。井下100 m3瓦斯爆炸过程中,爆炸火焰波及到了40 m的范围,安装在40 m处笼子内的SD大鼠除了受到爆炸冲击伤害外,还受到了高温灼伤的伤害。研究结论可为煤矿井下瓦斯爆炸事故的应急救援和抢救提供理论依据。     

煤矿瓦斯抽放管道用阻爆阀门的研制

为了阻断瓦斯燃烧火焰或爆炸在抽放管道内的传播,消除低浓度瓦斯抽采的安全隐患,确保低浓度瓦斯抽采和利用系统的安全可靠,研制了煤矿瓦斯抽放管道用阻爆阀门。详细地描述了阻爆阀门的结构形式、组成部分、工作原理、主要参数及性能指标,并通过阻爆性能试验,给出具体的试验数据,试验研究得出:煤矿瓦斯抽放管道用阻爆阀门能够有效阻隔管道中气体爆炸,阻止火焰及压力传播,防止气体爆炸继续发展;适用于阻止瓦斯气体输送管道的燃烧与爆炸。     

密闭空间瓦斯爆炸多场演化特点模拟研究

目前对井下巷道瓦斯爆炸的模拟研究较多,但大部分研究存在缺少参考井下巷道具体参数依据的问题。为了更加准确地分析瓦斯爆炸冲击波的流场演化特征,以湖南省醴陵市马劲坳煤矿为研究对象,采用数值模拟软件对该煤矿井下巷道发生瓦斯爆炸时的温度场、应力场、冲击波传播规律及速度场的变化规律进行了较详细的分析,结合理论研究对模拟结果进行了较完善的阐述;同时研究了爆炸过程中产生的温度及超压载荷随时间变化的规律,得出温度及超压载荷变化的一般性规律公式;对瓦斯爆炸中巷道的开口端和封闭端的气体冲击波速度差异进行了重点研究,分析了高速流动气体传播过程及波动形式,得出气体和压力的不稳定状态是重要影响因素。研究结果表明:通过参考实际地质资料的模拟研究,得出急剧上升的温度和超压现象是破坏井下安全设施的主要因素,这为井下瓦斯爆炸防治提供重要研究基础。