我国煤矿瓦斯爆炸抑爆减灾技术的研究进展及发展趋势
发布时间：2021-08-01 13:10
瓦斯爆炸严重威胁着矿井安全开采,瓦斯爆炸防治一直是煤矿安全工作的重点之一。我国相关研究机构、学者在瓦斯爆炸防治领域开展了较广泛的研究,开发了一系列的瓦斯爆炸抑爆减灾技术及装备。从文献研究的角度出发,从基础研究、材料开发、装备研制3个方面对我国瓦斯抑爆减灾技术及装备的研究现状进行了综述与讨论。瓦斯爆炸及抑爆方面,国内学者主要基于实验手段,采用宏观的参数（如最大爆炸压力和最大压力上升速率等）表征瓦斯爆炸在障碍物激励或者抑爆剂抑制作用下的最终结果,缺乏对瓦斯爆炸过程中详细的爆炸或抑制过程的理论认识。瓦斯爆炸火焰传播过程中爆炸火焰-湍流-压力波的多场耦合作用下的火焰传播理论仍需完善,抑爆过程中抑爆介质对瓦斯爆炸反应的详细作用机制仍需明确。抑爆装置研制方面,近年发生的重（特）大瓦斯爆炸事故表明现有的瓦斯抑爆、控爆装备较难在矿井发生瓦斯爆炸时对瓦斯爆炸火焰实现精准探测、快速响应和高效抑爆,致使瓦斯爆炸抑爆装备在防控瓦斯爆炸过程中作用较为有限。对于瓦斯爆炸抑爆、控爆装置的配置方式及如何高效的实现抑爆、控爆功能仍需要进一步研究。减灾装备研制方面,国内学者主要考虑改变风井防爆门的结构以实现快速开启、复位...
【文章来源】：煤炭学报. 2020,45(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：21 页
【部分图文】：
障碍物管道内火焰湍流耦合机制
影响细水雾抑爆效果的因素很多,包括细水雾喷雾量、细水雾粒径大小、瓦斯体积分数、雾区长度以及火焰传播流场及速度等[44,47-51]。这使得在某些时刻,细水雾不但不能达到抑制瓦斯爆炸的效果,反而能够促进瓦斯爆炸[52-53]。曹兴岩等[53]指出一方面,在瓦斯爆炸火焰传播过程中,细水雾吸热汽化,体积膨胀,致使受限空间内的压力上升,当瓦斯爆炸火焰吸热降温导致的压降小于细水雾汽化膨胀导致的压升时,细水雾在一定程度上增加受限空间的爆炸压力。此外,曹兴岩等[53]认为细水雾能够影响瓦斯爆炸火焰的传播状态,进而影响细水雾对瓦斯爆炸的态度(抑制/促进)。图5为细水雾与瓦斯爆炸火焰面相互作用关系。细水雾的粒径与速度是影响细水雾与瓦斯爆炸火焰作用关系的关键。当细水雾粒径较小且速度较小时,小水滴的动量及脉动强度较小,细水雾颗粒能够被压力波反弹,水雾颗粒对火焰面的扰动较小(图5(a),(b)),使得细水雾在反应区之前汽化带走部分热量,降低瓦斯爆炸反应强度,从而起到抑制瓦斯爆炸的作用。当细水雾粒径和速度较大时,细水雾颗粒具有较大的动量和脉动强度,能够穿透或离散火焰面,制造大尺度湍流(图5(c),(d)),此时在火焰-湍流耦合作用的激励作用下瓦斯爆炸强度得到增强。此时细水雾的汽化速率得到增强,但瓦斯爆炸火焰吸热降温导致的压降仍极大地小于细水雾汽化膨胀导致的压升,在此情况下,细水雾促进瓦斯爆炸的发展。图6 含添加剂细水雾对瓦斯爆炸火焰传播速度的影响
图5 细水雾与火焰面相互作用机制往细水雾中添加具有化学灭火性能的、易溶于水的无机盐,形成含添加剂细水雾,能够更好地起到抑制瓦斯爆炸的作用。笔者[54]分别测试了不同浓度的含添加剂细水雾对甲烷爆炸火焰的影响,实验结果如图6所示。相较于纯水,含添加剂细水雾能够明显的抑制瓦斯爆炸火焰的传播,具体表现为当火焰进入含添加剂的细水雾区域时,其火焰传播速度快速下降。研究表明,含添加剂细水雾具有更佳的抑爆效果。这主要是含添加剂细水雾增强了瓦斯爆炸反应过程中的化学抑制作用,溶于细水雾中的碱金属离子(如Na+,Fe2+,Mg2+等)和酸根离子(Cl-,HCO-3等)能够与瓦斯爆炸链式反应中H,O和OH等自由基发生反应,降低中间自由基的浓度,抑制瓦斯爆炸反应链的进行。含添加剂细水雾的抑爆性能与所含添加剂的浓度和添加剂的种类密切相关[54-57]。曹兴岩等[55-56]研究发现含NaCl细水雾能够明显的抑制瓦斯爆炸火焰的传播,具体表现为当火焰进入含添加剂的细水雾区域时,其火焰传播速度快速下降。研究表明,含添加剂细水雾具有更佳的抑爆效果。这主要是含添加剂细水雾增强了瓦斯爆炸反应过程中的化学抑制作用,溶于细水雾中的碱金属离子(如Na+,Fe2+,Mg2+等)和酸根离子(Cl-,HCO-3等)能够与瓦斯爆炸链式反应中H,O和OH等自由基发生反应,降低中间自由基的浓度,抑制瓦斯爆炸反应链的进行。含添加剂细水雾的抑爆性能与所含添加剂的浓度和含有添加剂的种类密切相关[54-57]。曹兴岩等[55-56]对含NaCl细水雾抑制瓦斯爆炸抑爆效果进行研究,研究结果表明随着添加剂浓度的增加,抑爆效果得到增强。笔者[54]实验测试含不同添加剂的细水雾抑爆性能,抑爆效果为FeCl2(0.8%)>MgCl2(5%)>MgCl2(2.5%)>NaHCO3(7.5%)>FeCl2(0.4%)>MgCl2(1%)>NaHCO3(3.5%)>FeCl2(0.2%)>NaHCO3(3.5%)。此外,曹兴岩等[57]对实验测试了含不同碱金属盐添加剂细水雾的抑爆效果,发现抑爆效果排序为K2CO3>KCl>KHCO3 >Na2CO3>NaCl,溶于细水雾中的碱金属自由基对瓦斯爆炸链式反应影响较大,其效果为K+>Na+,Cl->HCO-3。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属丝状材料对预混气体爆炸影响规律研究[J]. 周尚勇,高建村,胡守涛,孙谞,王乐,于平. 北京石油化工学院学报. 2019(02)
[2]ZFM30/10型矿用区域灭火抑爆装置[J]. 张伟,胡双启,胡立双,周温,雷武. 消防科学与技术. 2019(01)
[3]气液两相介质抑制管道甲烷爆炸协同增效作用[J]. 裴蓓,韦双明,余明高,陈立伟,潘荣锟,王燕,李杰,景国勋. 煤炭学报. 2018(11)
[4]2000—2016年我国煤矿重特大事故统计分析[J]. 朱云飞,王德明,李德利,戚绪尧,邵振鲁. 能源与环保. 2018(09)
[5]煤矿抑爆装置现状分析研究[J]. 常琳. 煤矿机械. 2018(09)
[6]CO2-超细水雾对瓦斯/煤尘爆炸抑制特性研究[J]. 裴蓓,李杰,余明高,韦双明,杨双杰,温小萍. 中国安全生产科学技术. 2018(08)
[7]CO2-超细水雾对CH4/Air初期爆炸特性的影响[J]. 裴蓓,韦双明,陈立伟,潘荣锟,王燕,余明高,李杰. 爆炸与冲击. 2019(02)
[8]障碍物对甲烷/氢气爆炸特性的影响[J]. 余明高,阳旭峰,郑凯,万少杰. 爆炸与冲击. 2018(01)
[9]惰性气体N2/CO2抑制瓦斯爆炸实验研究[J]. 张迎新,吴强,刘传海,江丙友,张保勇. 爆炸与冲击. 2017(05)
[10]水雾粒径对超细水雾抑制甲烷/空气爆炸过程的影响[J]. 曹兴岩,任婧杰,毕明树,姜海鹏,李一鸣. 煤炭学报. 2017(09)
博士论文
[1]泡沫陶瓷隔爆棚抑制瓦斯爆炸的机理及数值模拟研究[D]. 张如明.中国矿业大学(北京) 2012
本文编号：3315586
【文章来源】：煤炭学报. 2020,45(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：21 页
【部分图文】：
障碍物管道内火焰湍流耦合机制
影响细水雾抑爆效果的因素很多,包括细水雾喷雾量、细水雾粒径大小、瓦斯体积分数、雾区长度以及火焰传播流场及速度等[44,47-51]。这使得在某些时刻,细水雾不但不能达到抑制瓦斯爆炸的效果,反而能够促进瓦斯爆炸[52-53]。曹兴岩等[53]指出一方面,在瓦斯爆炸火焰传播过程中,细水雾吸热汽化,体积膨胀,致使受限空间内的压力上升,当瓦斯爆炸火焰吸热降温导致的压降小于细水雾汽化膨胀导致的压升时,细水雾在一定程度上增加受限空间的爆炸压力。此外,曹兴岩等[53]认为细水雾能够影响瓦斯爆炸火焰的传播状态,进而影响细水雾对瓦斯爆炸的态度(抑制/促进)。图5为细水雾与瓦斯爆炸火焰面相互作用关系。细水雾的粒径与速度是影响细水雾与瓦斯爆炸火焰作用关系的关键。当细水雾粒径较小且速度较小时,小水滴的动量及脉动强度较小,细水雾颗粒能够被压力波反弹,水雾颗粒对火焰面的扰动较小(图5(a),(b)),使得细水雾在反应区之前汽化带走部分热量,降低瓦斯爆炸反应强度,从而起到抑制瓦斯爆炸的作用。当细水雾粒径和速度较大时,细水雾颗粒具有较大的动量和脉动强度,能够穿透或离散火焰面,制造大尺度湍流(图5(c),(d)),此时在火焰-湍流耦合作用的激励作用下瓦斯爆炸强度得到增强。此时细水雾的汽化速率得到增强,但瓦斯爆炸火焰吸热降温导致的压降仍极大地小于细水雾汽化膨胀导致的压升,在此情况下,细水雾促进瓦斯爆炸的发展。图6 含添加剂细水雾对瓦斯爆炸火焰传播速度的影响
图5 细水雾与火焰面相互作用机制往细水雾中添加具有化学灭火性能的、易溶于水的无机盐,形成含添加剂细水雾,能够更好地起到抑制瓦斯爆炸的作用。笔者[54]分别测试了不同浓度的含添加剂细水雾对甲烷爆炸火焰的影响,实验结果如图6所示。相较于纯水,含添加剂细水雾能够明显的抑制瓦斯爆炸火焰的传播,具体表现为当火焰进入含添加剂的细水雾区域时,其火焰传播速度快速下降。研究表明,含添加剂细水雾具有更佳的抑爆效果。这主要是含添加剂细水雾增强了瓦斯爆炸反应过程中的化学抑制作用,溶于细水雾中的碱金属离子(如Na+,Fe2+,Mg2+等)和酸根离子(Cl-,HCO-3等)能够与瓦斯爆炸链式反应中H,O和OH等自由基发生反应,降低中间自由基的浓度,抑制瓦斯爆炸反应链的进行。含添加剂细水雾的抑爆性能与所含添加剂的浓度和添加剂的种类密切相关[54-57]。曹兴岩等[55-56]研究发现含NaCl细水雾能够明显的抑制瓦斯爆炸火焰的传播,具体表现为当火焰进入含添加剂的细水雾区域时,其火焰传播速度快速下降。研究表明,含添加剂细水雾具有更佳的抑爆效果。这主要是含添加剂细水雾增强了瓦斯爆炸反应过程中的化学抑制作用,溶于细水雾中的碱金属离子(如Na+,Fe2+,Mg2+等)和酸根离子(Cl-,HCO-3等)能够与瓦斯爆炸链式反应中H,O和OH等自由基发生反应,降低中间自由基的浓度,抑制瓦斯爆炸反应链的进行。含添加剂细水雾的抑爆性能与所含添加剂的浓度和含有添加剂的种类密切相关[54-57]。曹兴岩等[55-56]对含NaCl细水雾抑制瓦斯爆炸抑爆效果进行研究,研究结果表明随着添加剂浓度的增加,抑爆效果得到增强。笔者[54]实验测试含不同添加剂的细水雾抑爆性能,抑爆效果为FeCl2(0.8%)>MgCl2(5%)>MgCl2(2.5%)>NaHCO3(7.5%)>FeCl2(0.4%)>MgCl2(1%)>NaHCO3(3.5%)>FeCl2(0.2%)>NaHCO3(3.5%)。此外,曹兴岩等[57]对实验测试了含不同碱金属盐添加剂细水雾的抑爆效果,发现抑爆效果排序为K2CO3>KCl>KHCO3 >Na2CO3>NaCl,溶于细水雾中的碱金属自由基对瓦斯爆炸链式反应影响较大,其效果为K+>Na+,Cl->HCO-3。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属丝状材料对预混气体爆炸影响规律研究[J]. 周尚勇,高建村,胡守涛,孙谞,王乐,于平. 北京石油化工学院学报. 2019(02)
[2]ZFM30/10型矿用区域灭火抑爆装置[J]. 张伟,胡双启,胡立双,周温,雷武. 消防科学与技术. 2019(01)
[3]气液两相介质抑制管道甲烷爆炸协同增效作用[J]. 裴蓓,韦双明,余明高,陈立伟,潘荣锟,王燕,李杰,景国勋. 煤炭学报. 2018(11)
[4]2000—2016年我国煤矿重特大事故统计分析[J]. 朱云飞,王德明,李德利,戚绪尧,邵振鲁. 能源与环保. 2018(09)
[5]煤矿抑爆装置现状分析研究[J]. 常琳. 煤矿机械. 2018(09)
[6]CO2-超细水雾对瓦斯/煤尘爆炸抑制特性研究[J]. 裴蓓,李杰,余明高,韦双明,杨双杰,温小萍. 中国安全生产科学技术. 2018(08)
[7]CO2-超细水雾对CH4/Air初期爆炸特性的影响[J]. 裴蓓,韦双明,陈立伟,潘荣锟,王燕,余明高,李杰. 爆炸与冲击. 2019(02)
[8]障碍物对甲烷/氢气爆炸特性的影响[J]. 余明高,阳旭峰,郑凯,万少杰. 爆炸与冲击. 2018(01)
[9]惰性气体N2/CO2抑制瓦斯爆炸实验研究[J]. 张迎新,吴强,刘传海,江丙友,张保勇. 爆炸与冲击. 2017(05)
[10]水雾粒径对超细水雾抑制甲烷/空气爆炸过程的影响[J]. 曹兴岩,任婧杰,毕明树,姜海鹏,李一鸣. 煤炭学报. 2017(09)
博士论文
[1]泡沫陶瓷隔爆棚抑制瓦斯爆炸的机理及数值模拟研究[D]. 张如明.中国矿业大学(北京) 2012
本文编号：3315586
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