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矿井连通空间瓦斯爆炸传播模拟实验研究

钱继发  
【摘要】:瓦斯爆炸在煤矿重特大事故中占比最高,具有极强的破坏性,严重威胁着煤矿企业的安全生产。煤矿井下开采过程中会产生体积巨大的采空区,并与周围狭长的巷道相互连通,形成类似于“容器-管道”的连通空间。采空区内发生瓦斯爆炸后,冲击波和火焰很容易进入到与之相连通的巷道内进行传播,导致灾害范围扩大,人员和财产损失加剧。连通空间的复杂性会严重影响瓦斯爆炸传播过程,给煤矿瓦斯爆炸事故预防和控制工作增加难度。因此,本文采用实验室实验、理论分析和数值模拟相结合的方法,研究不同条件下连通空间内瓦斯爆炸超压和火焰传播规律,揭示连通空间内瓦斯爆炸火焰加速传播机理;开展不同浓度梯度条件下瓦斯爆炸实验,研究浓度梯度对连通空间内瓦斯爆炸传播过程的影响;分析连通空间内瓦斯爆炸超压振荡、火焰回流和二次升压现象,揭示连通空间内瓦斯二次爆炸产生过程。获得的主要结论如下:建立了“采空区-巷道”连通空间瓦斯爆炸模拟实验系统,测试分析了浓度、障碍物阻塞率和末端开/闭对连通空间内瓦斯爆炸超压和火焰传播规律的影响。结果表明:连通空间内靠近截面突缩处测得的瓦斯爆炸超压峰值、火焰信号强度和火焰传播速度均小于其他测点位置;障碍物条件下,连通空间内瓦斯爆炸超压峰值和火焰传播速度相较于无障碍物条件下明显增加,且障碍物阻塞率越大,增加幅度越大;末端封闭条件下,连通空间内瓦斯爆炸超压峰值在冲击波反射和叠加作用下大幅增加,但火焰传播速度明显降低。采用数值模拟研究了连通空间内瓦斯爆炸火焰传播过程、气体流动过程和超压传播过程,揭示了连通空间内瓦斯爆炸火焰加速传播机理。结果表明:连通空间内瓦斯爆炸火焰通过截面突缩结构进入管道传播过程中,会形成收缩流束,导致气体流速增加并产生速度梯度,进而诱导产生湍流脉动,促进层流火焰逐渐向湍流火焰过渡,从而导致连通空间内瓦斯爆炸火焰传播加速。开展了不同浓度梯度条件下的瓦斯爆炸实验,研究了浓度梯度对连通空间内瓦斯爆炸超压和火焰时空变化规律的影响。结果表明:连通空间起爆容器内瓦斯爆炸超压随时间变化过程不仅受其自身内部瓦斯浓度的影响,还与传播管道内瓦斯浓度有关;当起爆容器内瓦斯浓度相同时,连通空间内存在一个最佳浓度梯度使火焰传播速度最快,瓦斯爆炸威力最大。分析了连通空间内瓦斯爆炸过程中出现的超压振荡、火焰回流和二次升压现象,揭示了连通空间内瓦斯二次爆炸的产生过程。结果表明:连通空间起爆容器内的瓦斯爆炸超压振荡现象属于Helmholtz振荡,其振荡频率与起爆容器容积、管道长度和截面积以及起爆容器内瓦斯浓度有关;连通空间内瓦斯燃烧区域和泄爆区域之间产生的反向压差是导致火焰回流的根本原因;连通空间传播管道内瓦斯爆炸二次升压强度随传播距离增加而逐渐减小;连通空间内瓦斯二次爆炸的产生是由回流的高温烟气与残余的未燃瓦斯气体在低压区域内相遇并诱发不稳定燃烧引起的。本文研究成果对于进一步完善和丰富煤矿井下复杂空间瓦斯爆炸传播动力学理论,提高煤矿瓦斯爆炸灾害防治水平和能力具有重要的理论意义和实际价值。该论文有图114幅,表12个,参考文献220篇。


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