低浓度瓦斯对煤尘爆炸下限的影响研究

采用20 L钢制近球形爆炸特性测试系统,对低浓度瓦斯参与条件下、3种不同煤尘的爆炸下限变化规律进行了试验研究。研究发现:在本试验条件下,煤尘的爆炸下限浓度随瓦斯浓度的增加而逐渐下降;当瓦斯浓度在0~1.0%范围内,煤质组成成分对爆炸下限影响较大,相应的瓦斯和煤尘共存的爆炸复合体系表现为"强煤尘"性;当瓦斯浓度大于1%时,煤尘爆炸下限浓度的数值差异不大,煤质成分对煤尘爆炸下限的影响不再明显,相应的瓦斯煤尘共存的复合爆炸体系表现为"强瓦斯"性。     

低浓度瓦斯对煤尘爆炸下限的影响研究北大核心

采用20 L钢制近球形爆炸特性测试系统,对低浓度瓦斯参与条件下、3种不同煤尘的爆炸下限变化规律进行了试验研究。研究发现:在本试验条件下,煤尘的爆炸下限浓度随瓦斯浓度的增加而逐渐下降;当瓦斯浓度在0~1.0%范围内,煤质组成成分对爆炸下限影响较大,相应的瓦斯和煤尘共存的爆炸复合体系表现为"强煤尘"性;当瓦斯浓度大于1%时,煤尘爆炸下限浓度的数值差异不大,煤质成分对煤尘爆炸下限的影响不再明显,相应的瓦斯煤尘共存的复合爆炸体系表现为"强瓦斯"性。     

煤质成分对煤尘爆炸特性影响实验研究

采用粉尘20 L爆炸特性测试系统,研究了不同煤样的煤尘爆炸特性特征参数,对煤质组成成分对爆炸特性影响情况给出了评价。研究结果表明:挥发分增加促进爆炸的进行,使爆炸下限降低,最大爆炸压力和最大压力上升速率同比增加,而灰分的增加却是相异的作用效果,阻碍爆炸的发展;挥发分是影响煤尘爆炸特性的首要因素,灰分次之,而固定碳含量40%-60%的煤尘压力特性特征参数受煤质成分的影响较显著。所得的结论为认清煤尘爆炸作用机理及煤尘爆炸事故预防及其控制提供了理论依据。     

瓦斯、煤尘共存条件下爆炸极限变化规律实验研究

采用20L近球形爆炸特性测试系统对瓦斯、煤尘共存条件下爆炸极限变化规律进行了实验研究。研究发现:在本实验条件下,煤尘的爆炸下限浓度随瓦斯浓度的增加而逐渐下降,纯煤尘时的爆炸下限浓度是28.4g/m3,当加入1.70%浓度瓦斯时,煤尘爆炸下限浓度下降到7.8g/m3,且煤尘爆炸下限与瓦斯浓度呈指数函数关系变化;瓦斯的爆炸极限随煤尘浓度的增加发生改变,且与煤尘浓度呈不同的指数函数关系;纯瓦斯的爆炸上限为15.8%,而加入100g/m3的煤尘后瓦斯的爆炸上限下降到了12.8%;瓦斯的爆炸下限随煤尘浓度的增加逐渐下降,纯瓦斯的爆炸下限为5.10%,而加入100g/m3的煤尘后瓦斯的爆炸下限下降到了3.1%。研究结果为煤矿井下瓦斯煤尘爆炸事故的防治提供理论依据。     

不同浓度煤尘云爆炸前后微观结构分析

运用20 L粉尘爆炸特性测试系统,实验研究了某一典型高挥发分煤尘的爆炸压力变化特性,并通过电镜扫描技术对其爆后残留物的微观结构进行了分析。通过研究得出:煤尘爆炸压力和压力上升速率随着煤尘云浓度的增加先增大后减小;平均粒径为19.45μm的煤尘,随着煤尘云浓度的增加,爆后残留物的孔隙率和粒径逐渐增加,且粒径随煤尘云浓度的增加呈指数增大的趋势变化。所得结论为认清煤尘爆炸机理及有效防治煤尘爆炸事故提供了重要的理论依据。     

管道中煤尘爆炸特性实验

在长度为32.4 m、内径为199 mm的圆形管道中采用强点火方式对甲烷-空气混合物及甲烷-煤尘-空气混合物爆炸超压传播规律及爆速进行了研究。研究结果表明：强点火条件下甲烷－空气混合物的最大爆压和爆速分别为4 MPa、1 766 m/s,在标准状态瓦斯爆炸极限浓度外2.5%、4.1%、15.2%时也出现稳定爆轰。相同浓度甲烷-煤尘-空气混合物爆炸超压及爆速要大于甲烷-空气、煤尘-空气混合物,甲烷-煤尘-空气混合物在爆炸当量浓度时,随着煤尘浓度越大,瓦斯浓度越小,爆炸超压和爆速越小。     

密闭容器复杂环境瓦斯爆炸压力特性研究

在密闭容器内对不同初始温度和环境压力条件下的瓦斯气体进行爆炸测试,研究了复杂环境条件下瓦斯气体的爆炸压力特性。通过实验得出:瓦斯爆炸存在最佳爆炸浓度,最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率随瓦斯浓度变化呈抛物线分布;环境条件对最大爆炸压力上升速率影响较小,而对最大爆炸压力影响较大。     

初始压力对矿井可燃性气体爆炸特性的影响

采用20 L近球型爆炸反应器对不同初始压力下矿井单元及多元可燃性气体的爆炸特性进行了实验研究,并结合碰撞理论和火焰传播机理对实验结果进行了理论分析。实验结果表明：初始压力增加使可燃性气体的爆炸危险性增强,但使其到达最大爆炸超压的时间略有延长;最佳浓度与爆炸上限之间的可燃性气体较最佳浓度与爆炸下限之间的可燃性气体对初始压力更敏感;相同的初始压力下,矿井多元可燃性气体较单元可燃性气体甲烷爆炸的危险性更高,破坏性更强。     

瓦斯爆炸界限的影响因素研究

分析了瓦斯爆炸条件,实验总结了不同点火能量、环境温度、压力、爆炸性粉尘(煤尘)及其他易燃易爆气体伴生等情况下,低浓度瓦斯爆炸的规律。     

不同煤种对瓦斯煤尘爆炸影响的实验研究

为了进一步探究不同煤种参与的瓦斯煤尘爆炸的传播规律,选取3种具有代表性的煤尘在自制的半封闭管道内进行试验,主要研究了瓦斯煤尘爆炸火焰传播速度、火焰面发光强度和最大爆炸压力。研究结果表明:瓦斯煤尘爆炸的最大爆炸压力和火焰传播速度皆随着煤尘浓度的增加呈先上升后下降的趋势;存在着一个最佳的瓦斯浓度和煤尘浓度,使火焰传播速度达到最大,发光强度也达到最大;火焰传播速度、最大爆炸压力和爆炸产生的发光强度都是按褐煤、烟煤、无烟煤依次降低。     

湍流状态下竖直管道内甲烷-煤尘预混特征及爆炸过程数值模拟

为揭示管道内甲烷-煤尘预混湍流特征及爆炸火焰传播过程,构建了竖直管道内甲烷-煤尘预混扩散及爆炸物理数学模型;基于流体力学及传热-传质理论,对管道内甲烷-煤尘扩散特征和爆炸过程进行了数值模拟。划分了管道内气固两相扩散特征阶段,分析了初始真空度和进气压力对扩散湍流强度的影响规律;研究了煤尘粒径、浓度及甲烷浓度对爆炸最大压力及最大爆炸压力上升速率的影响特征;揭示了管道内甲烷-煤尘预混爆炸过程中火焰传播特征及爆炸机制。结果表明:煤尘颗粒在竖直管道罐内扩散可分为快速注入、减速分散、稳定和沉降4个连续阶段,初始真空度及进气压力对湍流强度均有影响;爆炸过程中,不同时刻下管道整体爆炸压力场基本均匀分布。甲烷浓度、煤尘浓度及粒径与最大爆炸压力P_(max)及最大爆炸压力上升速率(dP/dt)_(max)均呈现二次函数关系;不同时刻下爆炸火焰结构及火焰高度、火焰传播速度的模拟与试验结果具有较好的一致性,火焰结构呈现"月牙-S-下凹月牙-指尖"传播至爆炸结束。温度分布不均,高温区集中在管道上部和中下部。火焰传播速度先增大后减小,后期呈现震荡性特征。     

煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限的影响研究

瓦斯和煤尘复合爆炸是煤矿井下爆炸灾害的主要形式之一,研究瓦斯/煤尘复合爆炸下限变化规律,是有效防治煤矿爆炸灾害的必备条件。为研究煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限的影响,特选用2种组分不同的煤尘(烟煤和无烟煤)。依据EN 14034标准,使用10 kJ化学点火头在标准20L球形爆炸容器中,分别对2种煤尘的最小爆炸浓度、相同试验条件下的瓦斯爆炸下限以及煤尘与瓦斯的复合爆炸下限进行了测量。试验测得烟煤和无烟煤的最小爆炸浓度分别为50 g/m^3和70 g/m^3,瓦斯爆炸下限为4%。当煤尘中分别通入1%、2%、3%、4%的瓦斯后,烟煤最小爆炸浓度分别降低至40、20、5、0 g/m^3,无烟煤最小爆炸浓度分别降低至50、20、5、0 g/m^3。基于上述测量结果,对比分析了煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限变化规律的影响,并探讨了Le Chatelier、Bartknecht、Jiang等气粉复合爆炸下限预测模型对瓦斯/煤尘复合体系的适用性。结果表明:2种煤尘的最小爆炸浓度均随瓦斯浓度的增大而降低,但挥发分含量低的煤尘降幅更大,即瓦斯对低挥发分煤尘最小爆炸浓度的影响更为显著。Jiang模型预测值远远偏离实际测量值;Le Chatelier模型预测值高于实际测量值,且误差随瓦斯浓度的增大而增大;Bartknecht模型适用性相对较好,且更适用于低挥发分瓦斯/煤尘复合体系。     

密闭管内甲烷－煤粉复合爆炸火焰传播规律的实验研究

在1.2 m长竖直爆炸管内对不同初始条件下的甲烷－煤粉混合物进行了弱点火火焰传播实验。分别考察了甲烷浓度、煤粉浓度、煤粉粒径以及点火延迟时间对复合爆炸火焰传播特性的影响。结果表明,煤粉的存在使得纯甲烷在空气中爆炸火焰传播速度显著增大,最大火焰传播速度出现在距离点火端0.425 m（长径比等于6）处;火焰传播至长管末端壁面后,爆炸压力达到最大值;甲烷浓度越接近化学当量比,火焰传播速度越快;火焰传播速度随煤粉浓度和点火延迟时间的变化趋势为先增大后减小,最佳煤粉浓度为500 g/m³,最佳点火延迟时间为500 ms;在一定粒径范围内,火焰传播速度随着煤粉粒径的增大而减小。     

点火延迟时间对甲烷煤尘爆炸特性的影响

为研究不同湍流环境下,煤尘对甲烷爆炸特性的影响,基于20 L爆炸球采用0、25、50、100、200 g/m^3的煤尘分别与6.5%、9.5%、12%的甲烷在点火延迟时间60 ms和120 ms的条件下进行混合爆炸实验。结果表明:点火延迟时间的增大对单相甲烷爆炸最大爆炸压力影响较小,显著降低最大压力上升速率;有煤尘参与时,3种甲烷浓度下,点火延迟时间的提高能够降低最大爆炸压力和最大压力上升速率,当甲烷浓度为9.5%时,2种点火延迟时间下,对应的最佳煤尘浓度不同,点火延迟时间越小,最佳煤尘浓度越小,甲烷浓度为12%时,点火延迟时间为60 ms时,最大爆炸压力和最大压力上升速率对高浓度煤尘比较敏感,火延迟时间为120 ms时,最大爆炸压力和最大压力上升速率对低浓度煤尘较为敏感。     

分散度对煤粉爆炸特性的影响

煤矿工作面煤尘呈多分散性,因此采用单一粒径的煤样评估煤尘爆炸风险存在缺陷。为了研究分散度对煤尘爆炸特性的影响规律,找出合适的平均粒径表示方式来评估分散度对爆炸风险的影响,以5种粒径分布范围相同但分散度不同的煤样为研究对象,采用20 L爆炸球实验装置,测量样品的最大爆炸压力P_(ex)、最大爆炸压力上升速率(dp/dt)_(ex)、开始点火至最大爆炸压力的时间段t_1和开始点火至最大爆炸压力上升速率的时间段t_2四个参数。后续采用热值分析、扫描电镜试验方法探究不同分散度煤尘的反应程度。借助方差分析和斯皮尔曼相关性分析研究测量结果组间的差异性、不同粒径表示方式与爆炸特性参数的相关性。实验结果表明:对于具有相同粒径分布的煤粉,分散度对煤粉爆炸反应速率影响较大。小粒径煤尘颗粒的质量分数越大,反应速率越快,反应越充分,释放的能量越大。当小粒径煤尘质量分数达到30%时,最大爆炸压力上升速率显著增大,t_1和t_2明显减小。粒径最小的原始样品3的爆炸产物热值最低,且爆炸产物表面形成了较为丰富的孔洞结构,说明小粒径煤尘较快的脱挥发速率能增加爆炸的反应程度。D_(10),D_(25)(为投影面积的10%和25%的颗粒直径)、D_(3,2)(索特尔直径)与最大爆炸压力上升速率、t_1和t_2三个参数的斯皮尔曼相关系数均落在高度相关和显著相关的区间,呈现出较好的相关性。对于多分散性的煤尘,D_(10),D_(25)和D_(3,2)可以较好的评估分散度对煤尘爆炸特性的影响。     

含弱约束结构受限空间甲烷爆炸及传播特征实验研究

为研究含弱约束受限空间内甲烷爆炸压力升高及沿扩散管的传播特征,对不同体积分数甲烷的爆炸特征参数进行了系列实验。获得了含弱约束结构受限空间在不同浓度甲烷爆炸时的压力升高规律,研究表明,含弱约束受限空间内的甲烷爆炸压力升高趋势类似封闭空间,但压力峰值远小于封闭空间,封闭空间最大压力是含弱约束结构空间的3.2倍。由于若约束结构的存在,甲烷体积分数较低时破膜压力较大,腔体内高压持续时间较短,而接近爆炸当量浓度时腔体内高压持续时间增长。扩散管中的爆炸压力和火焰传播规律随甲烷体积分数变化呈现明显不同。在实验条件下,当甲烷体积分数低于7.0%时,破膜激波与火焰锋面时间差最大为5.255 ms,扩散管中的火焰主要为膨胀火焰。而甲烷体积分数高于7.4%时,破膜激波与火焰锋面时间差为28~40 ms,说明在管外发生了二次爆炸,以湍流火焰为主。爆炸压力的沿管道传播则分为3种情况,甲烷体积分数低于7.0%时,爆炸压力随传播距离增大而减小;甲烷体积分数为7.4%和11.0%时,爆炸压力随传播距离增大呈线性增大;甲烷浓度为当量浓度时,其压力传播特征类似于全管道甲烷爆炸的特征,随传播距离呈现锯齿形增大。实验结论对天然气长输管道、LNG和CNG储罐检修过程中的爆炸事故预防和含弱约束结构的其他气体泄爆具有参考意义。     

甲烷-煤尘复合爆炸威力实验

建立了由压力变送器、数据采集卡、计算机和电极点火装置组成的密闭空间甲烷-煤尘复合爆炸实验系统,动态响应时间小于1 ms,测试精度为0.5级.对甲烷－煤尘复合爆炸威力进行了系统的实验研究.结果表明:密闭空间内甲烷－煤尘复合爆炸的最危险爆炸条件为甲烷浓度5%,煤尘浓度500 g/m³,煤尘粒径26 μm,点火延迟时间40 ms;最大爆炸压力与甲烷浓度、煤尘浓度和点火延迟时间呈二次函数关系;最大爆炸压力随着煤尘粒径的增大而减小.甲烷的存在使得纯煤尘在空气中的爆炸下限降低,而爆炸压力增大;同样,煤尘的存在使得甲烷的爆炸下限降低,而爆炸压力升高.     

改性高岭土抑爆剂对瓦斯煤尘复合爆炸压力的影响

瓦斯煤尘复合爆炸严重影响了煤矿的安全生产,造成了大量的生产损失与人员伤亡。研发能应用在煤矿中高湿低温等复杂环境中的抑爆剂成为了研究的难点与热点。为研发出新型改性高岭土瓦斯煤尘抑爆剂,通过插层改性的方法制备了3种改性高岭土抑爆剂,采用热重分析、扫描电镜和红外光谱分析对样品的热稳定性、表面结构以及官能团变化进行了研究。选用重庆南桐煤样,通过标准筛对煤样进行筛分,通过粒径扫描与扫描电镜观测了煤粉的粒径分布与表面形貌。使用20 L球型爆炸系统对抑制剂抑制瓦斯煤尘爆炸的特性进行了研究,探究改性后高岭土对爆炸最大压力、最大压力上升速率及爆炸峰值时间等爆炸特征参数的影响;基于粉体表征结果及抑爆数据对改性高岭土抑制作用下的瓦斯煤尘爆炸的抑爆机理进行了分析。结果表明:改性高岭土抑爆剂兼具高岭土及插层粒子的双重抑爆效果,改善了高岭土的团聚现象,同时氨基磺酸铵粒子提升了高岭土的热解与抑爆性能。对瓦斯煤尘复合爆炸的抑制性能明显优于改性前粉体,且抑爆效果随着抑制剂质量浓度增加而增大,存在临界质量浓度,试验表明,当改性高岭土与煤尘比例为2∶3,且质量浓度为0.175 g/L时,最大爆炸压力的降幅达到了32.6%,爆炸峰值时间延缓了0.45 s,展现出最佳的抑爆效果。     

改性高岭土抑爆剂对瓦斯煤尘复合爆炸压力的影响

瓦斯煤尘复合爆炸严重影响了煤矿的安全生产,造成了大量的生产损失与人员伤亡。研发能应用在煤矿中高湿低温等复杂环境中的抑爆剂成为了研究的难点与热点。为研发出新型改性高岭土瓦斯煤尘抑爆剂,通过插层改性的方法制备了3种改性高岭土抑爆剂,采用热重分析、扫描电镜和红外光谱分析对样品的热稳定性、表面结构以及官能团变化进行了研究。选用重庆南桐煤样,通过标准筛对煤样进行筛分,通过粒径扫描与扫描电镜观测了煤粉的粒径分布与表面形貌。使用20 L球型爆炸系统对抑制剂抑制瓦斯煤尘爆炸的特性进行了研究,探究改性后高岭土对爆炸最大压力、最大压力上升速率及爆炸峰值时间等爆炸特征参数的影响;基于粉体表征结果及抑爆数据对改性高岭土抑制作用下的瓦斯煤尘爆炸的抑爆机理进行了分析。结果表明:改性高岭土抑爆剂兼具高岭土及插层粒子的双重抑爆效果,改善了高岭土的团聚现象,同时氨基磺酸铵粒子提升了高岭土的热解与抑爆性能。对瓦斯煤尘复合爆炸的抑制性能明显优于改性前粉体,且抑爆效果随着抑制剂质量浓度增加而增大,存在临界质量浓度,试验表明,当改性高岭土与煤尘比例为2∶3,且质量浓度为0.175 g/L时,最大爆炸压力的降幅达到了32.6%,爆炸峰值时间延缓了0.45 s,展现出最佳的抑爆效果。     

受限空间煤尘爆炸残留气体特征分析

采用20 L球形爆炸装置进行煤尘爆炸实验,研究了不同条件下煤尘爆炸后气体体积分数变化及生成规律。结果表明:爆炸残留气体成分及体积分数与煤尘浓度、粒径、点火能量以及煤尘变质程度关系密切。随煤尘浓度升高,爆炸后残留气体体积分数φ(CH4),φ(CO),φ(H2)及φ(CO)/φ(CO2)呈上升趋势,φ(CO2)呈先上升后下降趋势。一定范围内随煤尘粒径减小,φ(CH4)增大,φ(CO)及φ(CO)/φ(CO2)呈减小趋势,当粒径小于25μm时,φ(CH4)急剧减小。随点火能量增大,φ(CH4)及φ(CO)增大,φ(CO)/φ(CO2)整体变化量不大,当点火能量大于10 k J时,φ(O2)明显减小。随煤尘变质程度增加,φ(CO)/φ(CO2)先增大后减小,φ(CH4)整体呈降低趋势,烟煤煤尘爆炸消耗的O2量较褐煤、无烟煤少。