超细水雾抑制瓦斯煤尘混合爆炸模拟实验研究

发布时间：2018-03-14 11:29

本文选题：超细水雾　切入点：瓦斯爆炸　出处：《中国科学技术大学》2013年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：煤炭是我国重要的工业能源之一,为我国的经济发展做出了重要贡献。但是，煤矿频发的瓦斯煤尘爆炸事故,极大的影响了我国煤炭产业的安全高效运营和健康发展,也使得煤矿安全成为我国最受关注的安全问题之一。煤矿井下是一个瓦斯和煤尘共存体系,煤矿瓦斯爆炸事故所造成的严重后果很多情况下是瓦斯爆炸的冲击波扬起了沉积的煤尘,形成了危险性更大的瓦斯、煤尘混和爆炸。细水雾作为一种绿色高效灭火剂,被广泛应用于建筑、工业等许多场所。目前大部分研究者认为粒径小于20μm的细水雾可以称为超细水雾,超细水雾具有能够扑灭具有障碍物的火灾和隐蔽火灾的优点。关于超细水雾灭火机理的研究已经有很多学者在开展,但是目前缺少关于超细水雾抑制爆炸的研究资料。并且超细水雾雾滴粒径均匀、悬浮性好、雾通量控制方便,雾滴速度小,可有效的避免雾滴流场对抑爆的影响等。因此,开展超细水雾抑制瓦斯煤尘爆炸特性的研究,具有重要的科学意义和实用价值。本文通过自行研制的小尺度模拟实验台开展研究了不同煤尘浓度、煤尘粒径、瓦斯浓度、混合气体初始压力下的瓦斯煤尘混合爆炸的最大爆炸压力和压力上升速率、爆炸火焰温度等特征参数,为超细水雾抑爆试验做参考和对比,结果发现：混合爆炸的最大爆炸压力、压力上升速率均随着煤尘浓度的增加先增加后减小,存在一个煤尘浓度使得最大爆炸压力和压力上升速率均达到最大值,偏离这个煤尘浓度值,最大爆炸压力和压力上升速率将逐渐减小：同时,火焰温度、爆炸压力、压力上升速率均随着煤尘粒径的增大而减小,说明煤尘粒径越大,比表面积越小,和氧气反应越缓慢,使得混合爆炸的强度变小；另外,随着瓦斯浓度接近于瓦斯空气反应的化学当量比浓度,瓦斯燃烧放出的热量逐渐增加,引起爆炸火焰温度、最大爆炸压力、压力上升速率逐渐上升。为了研究超细水雾对混合爆炸抑制作用的规律和机理,本文开展了超细水雾抑制瓦斯煤尘混合爆炸以及煤尘浓度和煤尘粒径对细水雾抑爆效率影响的小尺度实验,结果发现：在一定的条件下,爆炸压力、压力上升速率都随着超细水雾雾通量的增大而减小,超细水雾的吸热作用,稀释氧气作用以及对煤尘粒子的吸附作用,使混合爆炸的发展受到抑制；同时超细水雾完全抑爆的临界水雾量随着煤尘浓度和煤尘粒径的增加而减少。由于气体湍流度的强度对混合爆炸强度的(?)响极大,为了最大程度的减少初始气流湍流度对爆炸的影响,将气体和煤尘充进爆炸管后,延迟5s才开始点火。结果发现点火延迟时间对超细水雾抑爆效果有很非常明显的影响,可以更有效的抑制瓦斯煤尘混合爆炸根据矿井巷道内存在障碍物的情况,本文实验考虑设计了四种类型的障碍物。通过小尺寸实验研究了障碍物条件下的超细水雾抑制瓦斯煤尘混合爆炸特征参数,并讨论了障碍物和煤尘粒径对混合爆炸最大爆炸压力、压力上升速率、爆燃指数和临界水雾量的影响,同时也比较了施加细水雾前后最大爆炸压力的变化,发现障碍物的形状、数量和位置均对混合爆炸的强度有很大的影响。在阻塞率相同的情况下,边缘阻塞型障碍物比中心阻塞型障碍物能引起更强的湍流效果导致更大的爆炸压力和压力上升速率。由于超细水雾的加入对气体湍流度有强化作用,和障碍物的强化作用叠加到一起,所以当超细水雾雾量小于某一范围时,混合爆炸出现了强化,只有当超细水雾雾旱增大到一定程度后,混合爆炸的爆炸压力和压力上升速率才逐渐减小。为了直观的观察混合爆炸火焰传播的动态过程,本文采用高速摄影机拍摄了爆炸的动态过程,分析发现,在未添加超细水雾之前,火焰前锋有非常明显的脉动,火焰呈不规则的卷曲状,气体和粉尘充分燃烧爆炸后的火焰颜色呈明亮的白色,随着燃烧爆炸过程的进行,在爆炸过程快结束的时候,火焰变成橘黄色。加入超细水雾之后,火焰前锋呈近似半圆的光滑弧形,脉动现象几乎消失,爆炸火焰颜色呈橘黄色。同时,障碍物的加入使得爆炸火焰的湍流强度明显增强,火焰经过障碍物时被压缩,脉运非常明显,并且在障碍物上方出现了很多湍流涡团,说明障碍物的存在确实使混合爆炸的火焰湍流度加强,爆炸反应加快,强化了整个爆炸过程。添加超细水雾后,火焰前锋变得平滑,火焰颜色更加明亮,从橘黄色变成明亮的白色,在障碍物附近可以看到明显的橘黄色涡团。Ⅲ型障碍物起火焰的湍流效应是从下面的一个障碍物中心上一个障碍物边缘扩展,。而Ⅳ型障碍物引起混合爆炸火焰湍流效应是从下面的一个障碍物整体边缘同时向上一个障碍物扩展,在两个障碍物之间呈紊乱的湍流结构,验证边缘阻塞型障碍物和中心阻塞型碍物对混合爆炸火焰传播影响机制的不同。同时,本文还采用了La Vision激光流场诊断系统对障碍物和超细水雾条件下的混合爆炸流场进行了测量,进一步验证了上述结果的准确性,也更进一步的提示了障碍物和超细水雾对混合爆炸的影响机理。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TD712

【参考文献】