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矿井瓦斯煤尘爆炸传播规律研究

司荣军  
【摘要】: 在“973计划”课题“瓦斯(煤尘)爆炸动力学演化及多相耦合效应”(2005CB221506)支持下,应用实验研究、理论分析和数值仿真等方法研究了矿井瓦斯煤尘爆炸冲击波和火焰在巷道中的传播规律,并把研究成果应用于煤矿爆炸事故的调查分析。 应用亚太地区规模最大、全国唯一的大型实验巷道进行了矿井瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸试验。分析试验数据认为:①在其它条件相同情况下,随着瓦斯量的增大,瓦斯爆炸最大压力峰值绝对值增加,且呈现点的位置距爆源更近;瓦斯爆炸火焰传播速度增大,且火焰速度最大点距爆源更远。②在瓦斯煤尘爆炸过程中,爆炸最大压力峰值和最大火焰传播速度均出现在煤尘段。由于试验中瓦斯量较小,瓦斯爆炸在此过程中主要有两个作用:扬起煤尘;点爆煤尘。③瓦斯爆炸过程中火焰区的增长长度要大于瓦斯煤尘爆炸:瓦斯爆炸过程中火焰区长度为原始瓦斯积聚区的3—6倍,而瓦斯煤尘爆炸过程中火焰区长度为煤尘区的2倍左右。④瓦斯煤尘爆炸与瓦斯爆炸相比,最大爆炸压力峰值、火焰传播速度都明显增大。 在瓦斯煤尘爆炸实验基础上从瓦斯爆炸火焰传播和冲击波传播两方面描述了矿井瓦斯爆炸传播过程,并阐述了瓦斯爆炸冲击波传播爆燃转爆轰原理;分析了瓦斯爆炸扬起沉积煤尘的机理,认为粘性剪切升力和湍流效应同时对颗粒产生作用,导致煤尘颗粒上扬;在两相流体积平均值守恒方程的基础上建立了两相燃烧湍流模型;分析了湍流加速火焰的原理;基于一维ZND模型进行了气固两相爆轰的讨论。 借助流场模拟平台,以瓦斯煤尘爆炸传播理论模型为基础,应用连续相、颗粒相计算方法建立了矿井瓦斯煤尘爆炸传播仿真系统。通过仿真结果与实验结果的对比分析,认为本仿真系统基本达到了定量研究爆炸传播过程的精度,可以有效地模拟矿井瓦斯煤尘爆炸传播过程,为事故调查提供科学依据;应用该系统模拟了矿井瓦斯爆燃转爆轰压力波的发展过程;模拟了掘进工作面瓦斯爆炸在网络式巷道中的传播过程,发现爆炸冲击波压力在巷道断面突变、分叉处产生突变;模拟了瓦斯爆炸扬起沉积煤尘的过程,发现沉积煤尘颗粒上扬过程经历了启动、加速和减速的过程。 应用研究的矿井瓦斯煤尘爆炸传播规律及数值仿真系统,结合事故现场勘察分析了建新煤矿特大瓦斯爆炸和东风煤矿特大煤尘爆炸事故。


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