煤矿瓦斯煤尘爆炸冲击波传播的影响因素研究

发布时间：2020-08-25 12:06

【摘要】：煤炭作为我国储量最丰富的能源,也是我国的主体能源。随着煤炭的不断开采,随之而来出现的爆炸事故也越来越严重。在矿井灾害中,其中危害最严重之一的便是矿井瓦斯煤尘爆炸事故,而在发生瓦斯煤尘爆炸事故的国家中,我国的爆炸事故最为严重。冲击波是主要的灾害效应,对冲击波的传播规律进行研究,可为预防和控制爆炸事故提供数据参考,对降低爆炸事故危害、减少人员伤亡以及财产损失具有重要的现实意义。本文对课题的研究背景以及国内外的研究现状进行了分析总结,在理论的基础上,结合井下矿井的实际情况,主要对煤尘粒径、煤尘浓度以及巷道变化几个因素的影响进行了研究,建立了合适的物理模型和数学模型,运用FLUENT软件对巷道内瓦斯煤尘爆炸进行了数值模拟。根据理论分析和数值仿真研究,本文所得结果如下:(1)验证了数值模拟结果的准确性,模拟数值与实验结果相比,误差范围在可接受的范围内,验证了模拟方法的可行性,为下文的研究奠定基础。(2)研究了煤尘颗粒大小与煤尘浓度不同时瓦斯煤尘爆炸压力的变化,其结果表明:大颗粒煤尘和小颗粒煤尘混合下的瓦斯煤尘爆炸中,在煤尘浓度相同的情况下,随着大颗粒煤尘质量百分比的增大,最大爆炸压力呈现下降的趋势,但不同质量百分比值之间下降趋势不同,大颗粒质量百分比介于10%~50%时,爆炸压力下降幅度较大,而质量百分比处于50%~90%时,爆炸压力下降幅度较小,并且混合煤尘的瓦斯煤尘爆炸压力一直处于一个范围之内;大颗粒煤尘所占质量百分比相同的情况下,随着煤尘浓度的增大,最大爆炸压力呈现先上升后下降的趋势,并且最大爆炸压力在煤尘浓度为400g/m~3时达到最大。(3)研究了回风巷宽度与其分岔巷宽度在不同比例时瓦斯煤尘爆炸压力的变化。其结果表明:在回风巷与其分岔巷宽度比例相同时,分岔后巷道内的压力都有所降低,分岔后直巷道的压力比分岔巷道的压力小。随着宽度比例的增大,分岔后直巷道与分岔巷道的压力呈现先减小后增大的趋势,当回风巷宽度与分岔巷宽度比例为1.5:1时,分岔巷道对冲击波的衰减作用较大。(4)研究了多分岔巷道对巷道内爆炸压力的影响,其结果表明:分岔的增多对直巷道内的压力变化影响较大,对拐弯巷道的压力变化影响较小。巷道内的压力相对于初始压力都是降低的,在降低的总基础上,分岔后的分岔巷道(点2处)的压力随着分岔巷道的增多而呈现下降的趋势,分岔后的直巷道(点3处)的压力随着分岔巷道的增多而呈现上升的趋势。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD712.7
【图文】：

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图 2.1 煤尘爆炸过程示意图煤尘的燃烧爆炸包括均相过程也包括非均相过程。煤尘爆炸的过程大致分为下列三个过程:(1) 煤尘颗粒表面与在空气中的氧气分子进行接触煤自身就是可燃的物质，是一种复杂的固体化合物，开采时煤被破碎后不同的场地都有煤尘的存在，与氧气接触的总表面积增加，悬浮在空气中的煤尘具有更强的氧吸收能力和被氧化的能力，更容易发生氧化反应。(2) 高温作用下析出可燃性气体吸收能量与空气混合，开始氧化反应由于外界环境高温作用，悬浮在空气中的煤尘单位时间内从外界中不断吸收热量升高煤尘本身的温度，当温度升至大约 300℃至 400℃时，煤尘粒周围会被从煤尘中析出的可燃性气体所包裹，气体吸收足够的能量并集聚一定浓度，开始了链反应过程，分子之间的链迅速断开，有两个或者两个以上的自由基（也称为游离基）被分离出来，以这

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中北大学学位论文传播至未受扰动的区域，形成冲击波，如图 2.2（c）。冲击波和火焰在燃烧区内呈现正反馈作用，冲击波对未燃烧区域进行扰动，使得巷道未燃区域内的燃烧物质在较高的压力和温度中进行燃烧，燃烧波的传播速度加快，冲击波强度随着燃烧波传播的加速被不断的增大，煤尘云因冲击波波阵面膨胀作用推动向前运动，火焰传播的距离也因此比最初的传播距离更远。冲击波的强度达到最大时，是在所有物质燃烧完毕后，压力和速度随着冲击波的向前传播开始减小，冲击波也开始衰减，直至声波[61,62]。

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e 比热力学能； p 压力； ρ 密度； u 气体速度； c 音速图 2.3 爆炸过程的两波三区结构当遇到障碍物时，冲击波就会发生如图 2.4 所示的反射、透（a）正反射（b）斜反入射波反射波冲击α反射波1D2 D射波入射波反

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