瓦斯爆炸多参数时空演化及气固射流幕抑爆特性

发布时间：2018-10-05 13:21

【摘要】：瓦斯爆炸事故是我国煤矿井下最严重的灾害事故之一，容易造成大量的人身伤亡和巨大的国家财产损失。为了从源头上防止瓦斯积聚，越来越多的煤矿加大了瓦斯抽采的投入，但是我国低浓度瓦斯的抽采量占有较大比重，在通过管道长距离输送至瓦斯利用端的过程中也存在着严重的安全隐患。考虑到瓦斯爆炸特征参数众多，其发展过程中可能会呈现特殊性和复杂性，因此需要研究巷道（或瓦斯输送管道）内瓦斯爆炸的多参数时空演化特征，继而开发新型抑爆设备，把瓦斯爆炸灾害控制在小的范围内。本文采用理论分析、数值模拟和实验研究等方法，研究了瓦斯爆炸超压及火焰瞬时速度与传播距离的耦合关系、瓦斯爆炸多参数的加速发展特征、瓦斯爆炸多参数的衰减特征、瓦斯爆炸防爆安全距离及防火距离等，以此为指导，开发了高压气固两相射流幕抑爆惰化技术及装置，并测试了抑爆装置的响应时间和抑爆效果。取得的主要创新性成果如下：基于一定假设条件建立了瓦斯爆炸强冲击波衰减后的超压、气流速度、冲击波传播速度与传播距离的耦合关系式，，发现超压与传播距离和巷道断面积成反比，与瓦斯爆炸释放总能量成正比，而气流速度、冲击波传播速度均与传播距离和巷道断面积的平方根成反比，均与瓦斯爆炸总能量的平方根成正比。在一定实验条件下得到了充满燃料平直钢管内瓦斯爆炸火焰瞬时传播速度与传播距离的耦合关系式，发现火焰瞬时速度随着传播距离的增大而增大，但增大幅度逐渐减小。计算了各种初始温度、初始压力、初始球形火焰半径和瓦斯积聚体积量等条件下的瓦斯爆炸防爆安全距离及防火距离。揭示了这些因素对爆炸多参数衰减特征及防爆距离的影响规律，发现初始温度的增大导致最大超压、最大密度、最大气流速度和最大燃烧速率呈线性关系减小，最高温度和防火距离呈线性关系增大，防爆安全距离逐渐增大；初始压力的增大可使最大超压、最大密度和最大燃烧速率线性增大，对防爆安全距离的影响不存在明显规律性，对防火距离的影响可以忽略；初始球形火焰半径的变化对最大超压、最大密度、最高温度、最大气流速度和最大燃烧速率的影响小，对防爆安全距离的影响不存在明显规律性，对防火距离的影响可以忽略；瓦斯积聚体积量的增大导致最大超压、最大密度、最大气流速度、最高温度和防爆安全距离呈增大趋势变化，防火距离呈明显线性关系增大。采用氮气与ABC干粉灭火剂的混合物作为抑爆剂，开发了高压气固两相射流幕抑爆惰化技术及装置。装置的喷撒效率比国家标准AQ1079-2009规定的参考值提高了24.73%，ABC干粉喷撒完成时间缩短了20%，从传感器接受火焰信号到喷撒出最大质量干粉灭火剂的总时间缩短了24.86%，只要抑爆剂喷射口前方某一火焰传感器与触发火焰传感器得到的火焰到达时间差介于117~919ms之间，则抑爆成功。通过抑爆试验发现，喷撒氮气与ABC干粉对爆炸超压及火焰速度的抑制作用比较明显，超压降幅最高为76.7%，火焰速度降幅最高为100%；火焰熄灭的位置基本处于抑爆剂喷射口前后3m范围内，小于标准规定的6m；喷撒一次高压氮气与普通ABC干粉抑爆后，剩余抑爆剂的存在还可以抑制至少5次瓦斯爆炸的传播。气固两相射流幕抑爆技术的研发成功可以为煤矿井下巷道或瓦斯输送管道内的瓦斯爆炸隔爆抑爆提供一种新的技术途径，研究成果对防止瓦斯爆炸灾害事故的扩大具有十分重要的科学价值和实际意义。
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【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD712.7

【参考文献】