瓦斯浓度对爆炸传播及瓦斯爆炸诱导煤尘爆炸的影响研究

论文摘要

运用理论分析、实验研究和数值仿真的方法对在不同浓度条件下的瓦斯爆炸压力、火焰传播规律以及瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸规律进行了系统深入的研究。在对瓦斯煤尘爆炸的传播过程进行理论分析的基础上,运用中煤科工集团重庆研究院直径700mm的实验管道及断面7.2m2的大型实验巷道分别实验研究了不同浓度条件瓦斯爆炸传播规律的变化及瓦斯爆炸诱导沉积煤尘参与爆炸的过程,在此基础上借助流体模拟软件对其进行了模拟验证分析。通过瓦斯爆炸传播过程的研究得出,瓦斯爆炸过程中点火处的最大压力值并不是整个爆炸过程的最大值,冲击波最大压力在点火处附近先降低,然后上升到某一峰值后再逐步衰减。瓦斯浓度的改变对爆炸过程中压力和火焰的传播规律有明显影响,当测定点距离一定时,压力峰值与浓度呈现二次函数关系,火焰传播速度的倒数与浓度呈现二次函数关系；点火附近火焰传播速度较小,上升到某一峰值后又衰减。通过研究认为,激波及波后气体的湍流效应是引起沉积煤尘扬起的主要因素。煤尘颗粒的表面剪切力在其上扬过程中维持在某一阈值,所以沉积的煤尘颗粒可以维持在一定的速度范围内向上扬起。通过对煤尘颗粒速度场数值模拟的分析,发现沉积煤尘的扬起过程主要由启动、加速和减速三个阶段组成。有煤尘参与的混合爆炸相对于单纯瓦斯爆炸,其爆炸产生的冲击波及火焰锋面不易衰减,传播速度更快,持续时间更长,压力峰值更高,波及范围更广；在瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸的起始阶段,爆炸产生的正压区持续时间更长,并且爆炸压力在较长时间内产生持续的回升现象,破坏性更大；最大爆炸压力的出现时间并非沿着管道传播距离的加长而依次后延,也并非随最大爆炸压力的大小依次出现。瓦斯爆炸游到沉积煤尘爆炸的过程分为单纯瓦斯起爆阶段、沉积煤尘卷扬参与爆炸阶段(即瓦斯爆炸产生的冲击波与沉积煤尘作用、沉积煤尘卷扬起并被与瓦斯爆炸的火焰波引爆阶段)、瓦斯煤尘混合爆炸传播阶段和爆炸衰减等四个阶段。根据研究得出,在起爆阶段压力峰值出现时间最早,煤尘卷扬参与爆炸阶段压力峰值出现时间远远晚于瓦斯煤尘混合爆炸传播阶段,这是由于沉积煤尘卷扬参与爆炸的特点决定的,瓦斯煤尘爆炸传播衰减阶段压力值的出现的时间最晚。研究得到的这些结论,对有效防治煤矿爆炸灾害防治、降低爆炸灾害所造成的损失以及煤矿瓦斯煤尘爆炸事故的分析调查具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 瓦斯煤尘爆炸传播规律的研究
• 1.2.2 瓦斯煤尘爆炸机理的研究
• 1.2.3 瓦斯煤尘爆炸数值模拟的研究
• 1.2.4 研究发展方向
• 1.3 本课题研究的主要内容和方法
• 1.3.1 课题研究的主要内容
• 1.3.2 课题研究采用的方法
• 第2章 瓦斯浓度对爆炸压力波传播的影响研究
• 2.1 瓦斯爆炸传播理论分析
• 2.1.1 瓦斯爆炸传播过程的物理机制
• 2.1.2 瓦斯爆炸传播的基本方程
• 2.1.3 瓦斯空气混合气的爆炸冲击波传播与爆燃转爆轰
• 2.2 瓦斯浓度对爆炸压力波传播影响的实验研究
• 2.2.1 管道系统
• 2.2.2 数据采集系统
• 2.2.3 实验方案
• 2.2.4 试验过程及结果
• 2.3 瓦斯浓度对爆炸压力波传播的影响分析
• 2.3.1 瓦斯爆炸最大压力沿管道变化规律
• 2.3.2 瓦斯浓度与最大爆炸压力函数关系
• 2.4 瓦斯浓度对爆炸传播影响的数值模拟研究
• 2.4.1 连续相计算方法
• 2.4.2 建模和分网
• 2.4.3 管道瓦斯爆炸传播数值模拟结果分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 瓦斯浓度对爆炸火焰传播的影响研究
• 3.1 瓦斯浓度对爆炸火焰传播影响的理论分析
• 3.1.1 气体的热爆炸理论
• 3.1.2 瓦斯浓度对爆炸传播的影响
• 3.2 瓦斯浓度对爆炸火焰传播影响的实验研究
• 3.2.1 实验目的
• 3.2.2 实验内容
• 3.2.3 实验测试内容
• 3.2.4 实验过程
• 3.2.5 实验结果
• 3.3 瓦斯浓度对爆炸火焰传播的影响研究
• 3.3.1 瓦斯爆炸火焰速度变化特征
• 3.3.2 瓦斯浓度对爆炸火焰速度的影响分析
• 3.4 瓦斯浓度对爆炸火焰传播影响的数值模拟研究
• 3.4.1 爆炸火焰传播规律分析
• 3.4.2 浓度对火焰传播的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸研究
• 4.1 沉积煤尘参与爆炸的理论分析
• 4.1.1 单颗粒煤尘受力分析
• 4.1.2 沉积煤尘参与爆炸传播的条件
• 4.1.3 煤尘爆炸机理
• 4.1.4 瓦斯诱导沉积煤尘参与爆炸过程分析
• 4.2 瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸的实验研究
• 4.2.1 大型巷道实验系统
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 结果及分析
• 4.3 瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸数值模拟的研究
• 4.3.1 爆炸模型
• 4.3.2 数值计算方法
• 4.3.3 建模和分网
• 4.3.4 初始及边界条件设定
• 4.3.5 模拟结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论著、获奖情况
• 作者从事科学研究和学习经历的简历