细水雾抑制煤尘与瓦斯爆炸实验

搭建小尺寸细水雾实验平台,用相应管道模拟矿井环境.在阐明煤尘与瓦斯爆炸传播机理的基础上,研究细水雾抑制管道混合物爆炸的有效性,并对其做定性定量的分析研究.研究发现:在细水雾作用下,煤尘与瓦斯的火焰传播速度会相应减小、所测火焰温度有所降低.当混合物爆炸的威力较大时,细水雾对其相关参数影响较弱,应适当增加压力,改变细水雾的物理化学抑制作用,增强灭火特性.实验结论:细水雾抑制煤尘与瓦斯爆炸的研究为煤矿抑爆装置的研制和安装提供了技术支撑.     

细水雾粒度对瓦斯抑爆效果的影响研究

细水雾作为抑爆介质具有高效、环保等优点,受到越来越多的重视。以透明管道为基础搭建了细水雾抑制瓦斯爆炸的实验平台,通过改变喷嘴个数、喷雾压力研究了不同细水雾流量、粒度对瓦斯爆炸上限的影响。根据实验物理模型,进行了细水雾与瓦斯燃烧爆炸相互作用过程的数值模拟。结果表明:随着细水雾粒度变小,瓦斯爆炸上限降低,水雾粒度与爆炸上限呈一阶增加指数关系;细水雾粒度相对水雾流量在抑制瓦斯爆炸过程中起主导作用,190μm左右的细水雾粒度具有更好的抑爆效果。研究得出的规律性结论可以为细水雾抑爆技术及装备的研究提供理论基础。     

障碍物形状对瓦斯爆炸火焰传播过程的影响

为研究障碍物形状对瓦斯爆炸火爆传播过程的影响,利用水平长直爆炸实验管道,研究了圆形、半圆形、十字圆、四孔圆、挡板和网状共6种形状障碍物对火焰传播速度和瓦斯爆炸超压的影响. 结果表明,瓦斯体积分数为8%时,在半圆形障碍物下火焰传播速度最快,火焰加速诱导的较强激波对未燃气体的作用起到了关键作用,其它形状障碍物条件下火焰传播速度较低;瓦斯体积分数为10%时,火焰整体传播速度较低,四孔圆和挡板形状的障碍物下火焰传播速度最小;激波越过障碍物后受到火焰的影响较小,在不同工况下爆炸超压呈现出相似的分布规律.      

圆管内泡沫陶瓷对瓦斯爆炸的抑制特性

为有效抑制瓦斯爆炸冲击波及火焰传播,构建大尺度圆形管道实验装置,对瓦斯预混爆炸过程中泡沫陶瓷对冲击波和火焰传播抑制特性进行研究.结果表明：泡沫陶瓷能够吸收瓦斯爆炸冲击波能量,对火焰和冲击波传播抑制效果明显,泡沫陶瓷挡板厚度及设置层数、位置是典型影响因素.挡板设置位置距点火端距离十分重要,其临界值应为起爆期间火焰传播速度达到最大值位置以内,进而实现对瓦斯爆炸传播与发展的有效抑制.对比双层和单层挡板布置的实验结果,双层布置时冲击波最大超压下降更快.但是,挡板厚度的影响并不明显.设置厚度为50 mm或30 mm的挡板时,测得最大超压的沿程衰减趋势一致,大小也很相近.     

超细水雾作用下CH4层流火焰传播速度数值研究

层流火焰传播速度(LFPS)是研究分析燃烧与爆炸的关键特征参数,层流火焰速度下降率也是评价各种稀释剂对燃烧抑制效果的常用方法。基于CHEMKIN 17.0中的一维层流预混火焰速度计算模型,定量分析了稀释、潜热冷却、化学抑制对CH4-AIR层流火焰传播速度的影响规律;并考虑了化学当量比变化的影响。研究表明稀释和潜热冷都是降低CH4层流火焰传播速度的主要因素。随着稀释剂浓度的增加,稀释作用对火焰传播速度的影响增大,潜热冷却作用对火焰传播速度的影响减小,化学抑制作用的影响基本不变化,范围在8.8%~10.2%。化学当量比小于1.2时,化学抑制作用会降低火焰传播速度,降低比例在8.1%~9.7%之间;当化学当量比大于1.3时,化学抑制不起作用,甚至促使火焰传播速度的增大。     

蒙脱石粉体对瓦斯爆炸特性参数的影响研究

选用天然矿物粉体蒙脱石作为抑爆材料,通过20 L球形爆炸装置和自主设计的5 L管道实验系统,测试了蒙脱石粉体及其浓度对甲烷-空气预混气体的爆炸压力、火焰传播速度等特性参数的影响.结果表明:蒙脱石粉体对甲烷爆炸具有一定的抑制作用,甲烷-空气预混气体的最大爆炸压力和爆炸火焰传播的平均速度随着粉体浓度的增加呈现先降低后上升的趋势.其中,当粉体浓度为0.16 g/L时,爆炸压力下降至最低,比未添加粉体时下降了29.2%;当粉体浓度为0.20 g/L时,火焰传播平均速度最小.此外,结合蒙脱石粉体的元素组成及热解特性分析其瓦斯抑爆机理.      

纳米粉体对矿井瓦斯的抑爆作用

通过对传统抑爆剂抑制瓦斯爆炸的作用分析,自主改进形成了瓦斯抑爆实验系统,采用最大爆炸压力、压力上升平均速率等指标表征纳米粉体的抑爆性能.实验结果表明,同微米级粉体相比,纳米粉体的抑爆效果更好,甲烷最大爆炸压力、压力上升平均速率分别下降了70.5%和90%以上,爆炸压力峰值时间延长了3倍多.并在纳米粉体表面效应等基本理论的基础上,结合粉体热重分析,从物翟、化学抑制自由基作用及纳米粉体特殊的阻燃抑爆作用分析探讨了纳米粉体对矿井瓦斯的抑爆机理,提出了纳米抑爆粉体的性能表征参数.图5,表2,参12.     

超细水雾对甲烷-煤尘爆炸过程抑制机理研究

为了研究超细水雾对甲烷-煤尘混合爆炸过程的作用规律，在20 L长方体爆炸装置中进行了抑爆实验.同时基于甲烷气体、雾滴颗粒、煤尘颗粒在受限空间内的蒸发、脱挥发、燃烧过程，建立了超细水雾抑制甲烷-煤尘混合爆炸的数学模型.同实验进行对比可知，数值模拟得到的爆炸压力可准确反映实际爆炸过程.结果表明，超细水雾的加入改变了爆炸的传播规律.与无抑制的甲烷-煤尘混合爆炸相比，加入超细水雾降低了已燃区的气相温度及煤尘颗粒温度，并推迟了火焰阵面沿轴向的传播过程.煤尘颗粒温度分布表明，超细水雾在推迟煤尘颗粒升温过程的同时，反应区煤尘颗粒的中位温度也明显降低.随着超细水雾浓度的不断增加，其对甲烷-煤尘混合爆炸的气相燃烧过程和颗粒脱挥发及燃烧过程的抑制效果也不断增强.研究可为工业生产中甲烷-煤尘爆炸强度预测和水雾抑制提供参考.     

双层泡沫陶瓷抑制瓦斯爆炸研究

为有效抑制煤矿瓦斯爆炸产生的冲击波,自行设计、搭建了瓦斯爆炸圆形大尺度管道实验系统,对8%浓度的瓦斯预混爆炸过程中多孔泡沫陶瓷对冲击波的抑制特性进行了研究.研究结果表明：泡沫陶瓷的多孔结构通过弹性形变和塑性形变吸收瓦斯预混爆燃的冲击波能量,实现抑制、衰减冲击波的效果.泡沫陶瓷层数、厚度和位置对抑制瓦斯爆炸传播均有一定的影响,其中层数影响尤为显著,双层布置时爆炸冲击最大超压下降速度更快、梯度更大;设置位置距点火端的距离3 m至4 m的范围内可以成功抑制爆炸的发展和演化;泡沫陶瓷厚度对爆炸冲击波趋势影响并不明显,而对最大超压数值有影响,相比50 mm厚,30 mm厚的泡沫陶瓷最大超压衰减率更大,抑爆效果更好.     

结构异常管路对瓦斯爆炸传播特性的影响

在实验研究的基础上,分析了结构异常管路对瓦斯爆炸传播特性的重要影响。研究结果表明,在拐弯处的瓦斯爆炸传播过程是一个压力波、火焰、复杂流动场相互作用的过程,压力波超压、火焰传播速度迅速增大,对拐弯处的壁面破坏特别严重。弯管角度对瓦斯爆炸传播特性有很大的影响,瓦斯爆炸通过不同角度的弯管后,火焰传播速度和压力波超压值都有不同程度的变化。管道拐弯既增加了燃烧区的湍流度而加速燃烧产生能量以推动加速传播,同时也因为拐弯而增大了总阻力和热量向壁面的传递,弯角处膨胀波也会抑制瓦斯爆炸的传播。管道拐弯对瓦斯爆炸传播特性的影响取决于抑制因素和激励因素的综合作用。     

输送管道内低浓度瓦斯爆炸传播实验研究

为了提高煤矿抽采瓦斯的利用率和抽采系统的安全性,实现低浓度瓦斯的安全抽采和利用,开发可靠、完善、配套的低浓度瓦斯抽放系统设备,对低浓度瓦斯抽放输送管道中瓦斯爆炸传播机理进行了实验研究.研究表明,DN500 mm和DN700 mm管道的全管道瓦斯爆炸最大压力峰值出现在出口附近,在本试验条件下,最大压力峰值在0 7～1 9 MPa之间;瓦斯爆炸压力峰值从爆源点开始逐渐下降,传播一段距离后出现拐点,压力峰值开始上升;火焰速度随着传播距离的加长而依次增大,在靠近出口处,火焰传播速度最快;管道管径的不同明显影响了瓦斯的爆炸过程.这些规律性的结论为低浓度瓦斯输送管道的承压设计、各种隔抑爆设备的承压设计以及输送管道上各种隔抑爆设备的安装距离的确定提供了理论依据.     

管道中瓦斯爆炸过程的数值模拟

利用AutoReaGas软件对封闭的长直管道内瓦斯爆炸进行了数值模拟,研究了瓦斯的浓度对爆炸超压影响的规律. 在此基础上,进一步研究了障碍物个数和阻塞比对瓦斯爆炸超压和火焰传播速度的影响. 数值结果表明,在无障碍物的管道中,当瓦斯浓度为化学当量浓度时,爆炸超压值最大;在带有障碍物的管道中,火焰速度值随着障碍物数量的增加先增大后减小;当障碍物个数一定时,最大爆炸超压和火焰速度随阻塞比增大而增加.     

管道内多层金属丝网对预混可燃气体爆炸火焰传播的影响

为了研究抑爆材料对可燃气体爆炸火焰传播的影响,设计加工了横截面积为200 mm×200 mm的方形实验管道,且在其内进行无抑爆材料和安装多层金属丝网条件下预混可燃气体爆炸火焰传播影响的实验,并通过高速摄影仪进行火焰传播的全程拍摄。结果表明,预混可燃气体爆炸火焰在管道内的传播速度和结构都不稳定,出现来回震荡的现象,而多层金属丝网对预混可燃气体爆炸火焰传播具有很大的影响,可以完全淬熄较弱的爆炸火焰。研究结果对煤矿瓦斯爆炸的防治具有重要的理论和实际价值。     

管道内多层金属丝网对预混可燃气体爆炸火焰传播的影响

为了研究抑爆材料对可燃气体爆炸火焰传播的影响,设计加工了横截面积为200 mm×200 mm的方形实验管道,且在其内进行了无抑爆材料和安装多层金属丝网条件下预混可燃气体爆炸火焰传播影响的实验,并通过高速摄影仪进行火焰传播的全程拍摄.结果表明,预混可燃气体爆炸火焰在管道内的传播速度和结构都不稳定,出现来回震荡的现象,而多层金属丝网对预混可燃气体爆炸火焰传播具有很大的影响,可以完全淬熄较弱的爆炸火焰.研究结果对煤矿瓦斯爆炸的防治具有重要的理论和实际价值.     

甲烷浓度和煤粉粒径对混合爆炸火焰传播速度的影响

为评价瓦斯空气煤粉混合爆炸危险性大小,探究爆炸机理,方便相关事故原因分析,利用水平透明玻璃式爆炸管道,探究了甲烷浓度、煤粉粒径对复合爆炸中火焰传播速度的影响。实验结果表明:随着甲烷浓度的增大,火焰传播速度先增大后减小,在接近爆炸上限浓度和爆炸下限浓度时达到最大值;随着煤粉粒径的增大,火焰传播速度逐渐变小,最大火焰传播速度也变小,甲烷浓度为10%,煤粉粒径为30μm时火焰传播速度最大。     

超细Al(OH)3粉体抑制甲烷爆炸的实验研究

粉体材料能够有效地抑制矿井瓦斯爆炸,其粒径越小,抑爆作用越明显,但对于不同浓度的甲烷和空气混合气体而言,粉体材料抑制爆炸的效果不同.文中采用20 L球形不锈钢爆炸罐试验系统,考察粒径1.3μm超细Al(OH)3粉体对不同浓度的甲烷和空气混合气体的抑爆效果.实验结果表明,超细Al(OH)3粉体对抑制甲烷爆炸有效果,对于不同甲烷浓度的甲烷-空气混合气体,可使其最大爆炸压力平均降低11.08%,最大压力上升速率平均降低66.15%,到达最大爆炸压力的时间平均降低57.53%.研究结果对于超细粉体应用于矿井瓦斯爆炸的控制具有一定的指导意义.     

泡沫陶瓷对瓦斯爆炸火焰传播的影响

为了有效抑制煤矿瓦斯爆炸的冲击波,设计加工了断面为200 mm×200 mm的方形爆炸实验管道,实验研究无障碍物条件下瓦斯爆炸火焰传播规律和泡沫陶瓷对瓦斯爆炸火焰传播的影响,并采用高速摄影系统对火焰的传播过程进行了拍摄.实验结果表明,管道内瓦斯爆炸火焰的传播速度和结构不稳定;泡沫陶瓷可以抑制火焰的传播,起到淬熄火焰的作用.研究结果对于防治煤矿瓦斯爆炸具有重要的使用价值和理论意义.     

分岔管道内瓦斯爆炸火焰传播规律实验及数值模拟

为了研究煤矿井下瓦斯爆炸火焰在分岔巷道内的传播规律,自制45°分岔管道实验装置开展甲烷体积分数为9.5%的瓦斯爆炸火焰传播实验,用Fluent 16.0软件模拟分岔管道内瓦斯爆炸火焰传播过程。对比分析实验数据与模拟结果,得到分岔管道瓦斯爆炸火焰传播的变化规律。研究结果表明:1)分岔管道内瓦斯爆炸火焰在分岔处产生漩涡,加速管道内爆炸火焰湍流化,火焰冲击反射现象明显;2)分岔支管截面处爆炸火焰温度、传播速度、冲击波超压与离子电流峰值最大;3)瓦斯爆炸火焰传播的模拟结果与实验数据在数值上存在一定差异,但各参量总体变化趋势相同。研究结果为深入认识井下瓦斯爆炸传播机制和在巷道分岔处采取瓦斯爆炸火焰传播抑制措施提供一定参考。     

基于Open CV的瓦斯爆炸火焰形态演化与传播速度关系的研究

为获取瓦斯爆炸火焰形态,计算火焰传播速度,利用激光纹影技术拍摄了管道内爆炸火焰传播图像,比较了Open CV中Canny、Sobel、Scharr、Laplacian算子的计算结果,分析了障碍物作用下的火焰形态变化以及火焰轴向传播速度与变化规律。结果表明：基于Open CV的边缘检测方法对复杂条件下爆炸火焰边缘的显示效果清晰,火焰边缘位置检测结果准确。边缘检测算子对火焰边缘检测结果有重要影响,四种算子中,Canny算子对火焰边缘位置检测最为精确,满足火焰形态分析与速度计算的需要。激波管空载时火焰锋面产生内含涡流的球状褶皱;单个障碍物时,障碍物后方形成孔洞状火焰面褶皱;两个障碍物时,障碍物间湍流度提升致使火焰锋面快速扩张。基于Canny算子边缘检测图像获得的火焰传播速度可知,管内无障碍物时,火焰运动近乎停滞后“突跃式”向前传播,峰值速度提升了13.3%。加入一个障碍物时,火焰轴向速度显著降低后震荡上升,峰值速度提升了14.2%;两个障碍物时,火焰产生反向速度,且速度峰值增幅最大,为25.9%。计算得出的火焰速度分布规律与爆炸图像一致,表明该方法能计算复杂条件下火焰锋面轴向速度时空分布。     

CO2—水雾协同抑制瓦斯爆炸的数值模拟研究

为解决CO₂—水雾协同抑制瓦斯爆炸过程中重要物理、化学参数变化等问题,以20L球形爆炸罐为研究对象,采用数值模拟方法研究了不同浓度CO₂(0%、2%、4%、6%)、CO₂—水雾协同抑爆过程中压力时程、爆炸温度与活性自由基的变化。研究结果表明：CO₂—水雾协同抑爆效果要优于同等浓度或压力下的CO₂抑爆或水雾抑爆,且CO₂—水雾协同抑爆不仅能延迟到达爆炸温度峰值的时间,还可以使温度峰值降低,活性自由基·OH和H·也处在相对较低的水平。研究结论对丰富协同抑爆理论与技术创新有一定意义。