瓦斯煤尘爆炸研究现状及发展趋势

为了明确瓦斯煤尘爆炸的研究情况,以便更好地服务于煤矿安全生产,对瓦斯煤尘爆炸的研究现状进行了分析。分别从瓦斯煤尘爆炸机理、爆炸特性、爆炸传播规律几个方面,对其理论研究、实验研究和数值模拟研究的进展进行了综合论述。在此基础上,提出了该领域未来的发展趋势。     

矿井煤尘爆炸及抑爆技术的研究现状及发展趋势

矿井煤尘爆炸事故往往会造成重大人员伤亡和财产损失。为了防止煤尘爆炸发生,研发高效绿色的抑爆材料,整理了国内外关于煤尘爆炸的研究情况,包括煤尘爆炸机理、爆炸特性、爆炸传播规律以及煤尘的抑爆技术,并针对煤尘爆炸方面的研究提出了未来发展趋势。分析结果表明,需对多因素及特殊环境下的煤尘爆炸特性进行深入研究,建立煤尘爆炸过程全景式分子作用机制的爆炸机理,并结合实际矿井环境对煤尘爆炸传播规律进行研究,结合爆炸机理研发新型抑爆材料,从本质上中断爆炸反应过程。     

不同总量沉积煤尘在瓦斯爆炸诱导下的传播规律模拟研究

应用连续相、颗粒相计算方法对瓦斯爆炸诱导不同量沉积煤尘参与爆炸进行数值模拟,对煤尘参与爆炸的行为机理进行了研究。结合瓦斯爆炸传播的两波三区结构理论,以及冲击气流对诱导煤尘颗粒飞扬、点火过程,分析了不同总量煤尘条件下的爆炸火焰发生情况及其作用机理,并对不同模式下煤尘区的冲击波和火焰传播的规律进行定量讨论,为认清瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸的机理,有效预防瓦斯煤尘爆炸提供理论基础。     

瓦斯爆炸诱导沉积煤尘参与爆炸作用模式

应用连续相、颗粒相计算方法对瓦斯爆炸诱导沉积煤尘参与爆炸的传播过程进行数值模拟,并以此对爆炸作用模式及其异同进行研究。根据模拟结果,从不同煤尘云点火机理在爆炸过程中所起主导作用将爆炸模式分别确定为沉积煤尘扬尘爆炸和沉积煤尘火焰燃烧。进一步分析表明：不同爆炸作用模式显著改变冲击波和火焰传播规律,影响小规模诱导火焰区的长度...     

煤矿瓦斯煤尘燃烧与爆炸研究现状及展望

瓦斯煤尘爆炸事故是煤矿灾害事故之一,为了预防和控制井下此类事故的发生,国内外研究者采用理论分析、实验研究和数值模拟等手段对瓦斯煤尘着火特性、瓦斯煤尘复合火焰传播规律及瓦斯爆炸诱导沉积煤尘参与爆炸等进行了深入的大量的研究,本文对该研究方向上的国内外研究成果进行了综合评述,并展望了瓦斯煤尘爆炸未来科研方向上的关注点。     

瓦斯爆炸引起沉积煤尘卷扬爆炸的机理研究

运用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法,分析了瓦斯爆炸引起沉积煤尘卷扬爆炸的机理,并分析了煤尘上扬的原因和爆炸后压力的变化规律。     

瓦斯煤尘爆炸传播特性的实验研究

在断面为7.2 m²、长为658 m的实验巷道内,用cs2092H多通道动态数据采集分析仪,模拟煤矿掘进巷道,对瓦斯、煤尘爆炸过程中的爆炸冲击波能量、传播速度、衰减规律以及爆炸灾害的波及范围进行了实验研究.结果表明,瓦斯、煤尘爆炸压力波衰减慢,爆炸传播距离远,且传播距离随瓦斯数量以及瓦斯、煤尘分布的变化而变化.与瓦斯爆炸相比,煤尘爆炸的剧烈程度强,坑道中煤尘的焦化明显,且可燃物灼烧情况可作为瓦斯煤尘爆炸的爆源点确认判据.     

受限空间煤尘爆炸传播的试验研究

用自行设计的煤尘爆炸腔体与方形断面为80 mm×80 mm的管道连接进行煤尘爆炸传播试验研究,主要研究了煤尘爆炸的特性参数冲击波、火焰和比冲量等在爆炸传播过程中随距离的变化特性。结果表明,受限空间煤尘爆炸火焰区传播距离远大于原始积聚区长度,爆炸存在明显感应期和冲击波回传现象,爆炸传播过程中各测点冲击波压力随传播距离先升后降,而比冲量随距离衰减较慢,作用时间较长。     

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。     

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。     

Research on numerical emulator of mine methane and coal dust explosion

The mathematical physics model of mine methane and coal dust explosion propagation was established in the research, by using continuous phase, combustion, particulate equations of mathematical physics. Based upon the data from mine methane drainage roadway explosion, and mine methane and coal dust explosion propagation experimental studies, the numerical emulator system of mine methane and coal dust explosion software was developed by using prevalent flow simulation platform, which can be used to simulate the explosion accidents process effectively. In addition, the system can also be used to determine whether coal dust involved in the explosion, and to simulate accurately the transition from deflagration to detonation in methane explosion, propagation velocity of explosion shock, attenuation pattern, and affected area of explosion.     

瓦斯爆炸沿井巷网络传播规律的研究进展

瓦斯爆炸是煤矿最为严重的灾害事故之一,对瓦斯爆炸传播规律的研究成果进行分析总结,研究分析瓦斯爆炸传播的物理机制以及数值模拟,对瓦斯爆炸传播规律的研究状况及存在问题进行分析,并对瓦斯爆炸的研究发展方向进行展望,旨在为我国煤矿瓦斯爆炸事故的防治提供决策和依据。     

矿井瓦斯煤尘爆炸传播实验研究

煤矿中瓦斯爆炸容易引起煤尘参与爆炸,且掘进工作面是瓦斯煤尘爆炸事故的多发区域。在与实际矿井环境、几何条件相似的大型地下试验巷道中,进行了独头巷道瓦斯煤尘爆炸火焰、冲击波传播试验。试验中,瓦斯煤尘爆炸火焰到达各测点的时间与测点距离呈对数函数关系;爆炸火焰的传播速度在铺有煤尘段迅速上升,过了煤尘段开始下降;火焰区长度约为煤尘区长度的2倍;爆炸冲击波压力在铺有煤尘段前端降到最低值,然后迅速上升到最大值后下降。实验结论为煤矿隔抑爆装置的研制和安装提供了理论基础。瓦斯煤尘爆炸与单纯瓦斯爆炸相比,最大爆炸压力峰值大,火焰传播速度快;瓦斯煤尘爆炸的威力和破坏程度,要远远大于单纯瓦斯爆炸。因此,在煤矿实施防尘降尘技术,具有十分重要的意义。     

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。     

Experiment study on the propagation laws of gas and coal dust explosion in coal mine

The experiment of gas and coal dust explosion propagation in a single laneway was carried out in a large experimental roadway that is nearly the same with actual environment and geometry conditions. In the experiment, the time when the gas and coal dust explosion flame reaches test points has a logarithmic function relation with the test point distances. The explosion flame propagation velocity rises rapidly in the foreside of the coal dust segment and comes down after that. The length of the flame area is about 2 times that of the original coal dust accumulation area. Shock wave pressure comes down to the rock bottom in the coal dust segment, then reaches the maximum peak rapidly and comes down. The theoretical basis of the research and assemble of across or explosion is supplied by the experiment conclusion. Compared with gas explosion, the force and destruction degree of gas and coal dust explosion is much larger. Supported by the National Basic Research Program (973) (2005CB221506); the Open Research Fund Program of Shandong University of Science and Technology (MDPC0611)     

角联管网瓦斯爆炸超压演化及火焰传播特性研究

为了探索瓦斯在煤矿井下复杂巷网内爆炸后的超压演化规律及火焰传播特性,在实验室自行搭建了瓦斯爆炸试验系统,对甲烷体积分数为9.5%的瓦斯爆炸爆燃波传播规律进行了试验研究,并对瓦斯爆炸超压及火焰传播过程进行了数值模拟。试验与数值模拟结果表明:管网角联分支中,甲烷-空气预混气体爆炸后由于爆炸压力波的叠加,形成超压增高区域,但产生的火焰波很微弱,温度较低。并联分支中,随着爆燃波传播距离的增加,超压峰值和焰面传播速度呈逐渐减小的趋势,而火焰持续时间呈先增加、再减小的趋势。试验中火焰的最大传播距离为18.75 m,而数值模拟的传播距离为21.25 m,但试验值和模拟值的变化趋势一致。研究结论可对煤矿井下复杂巷道内瓦斯爆炸灾害的防控及救灾提供理论支持。     

改性高岭土抑爆剂对瓦斯煤尘复合爆炸压力的影响

瓦斯煤尘复合爆炸严重影响了煤矿的安全生产,造成了大量的生产损失与人员伤亡。研发能应用在煤矿中高湿低温等复杂环境中的抑爆剂成为了研究的难点与热点。为研发出新型改性高岭土瓦斯煤尘抑爆剂,通过插层改性的方法制备了3种改性高岭土抑爆剂,采用热重分析、扫描电镜和红外光谱分析对样品的热稳定性、表面结构以及官能团变化进行了研究。选用重庆南桐煤样,通过标准筛对煤样进行筛分,通过粒径扫描与扫描电镜观测了煤粉的粒径分布与表面形貌。使用20 L球型爆炸系统对抑制剂抑制瓦斯煤尘爆炸的特性进行了研究,探究改性后高岭土对爆炸最大压力、最大压力上升速率及爆炸峰值时间等爆炸特征参数的影响;基于粉体表征结果及抑爆数据对改性高岭土抑制作用下的瓦斯煤尘爆炸的抑爆机理进行了分析。结果表明:改性高岭土抑爆剂兼具高岭土及插层粒子的双重抑爆效果,改善了高岭土的团聚现象,同时氨基磺酸铵粒子提升了高岭土的热解与抑爆性能。对瓦斯煤尘复合爆炸的抑制性能明显优于改性前粉体,且抑爆效果随着抑制剂质量浓度增加而增大,存在临界质量浓度,试验表明,当改性高岭土与煤尘比例为2∶3,且质量浓度为0.175 g/L时,最大爆炸压力的降幅达到了32.6%,爆炸峰值时间延缓了0.45 s,展现出最佳的抑爆效果。