矿井瓦斯爆炸感应期内光学特征实验研究

依据瓦斯爆炸理论和光学技术研究现状，论证了瓦斯爆炸感应期内光学特征研究的可行性，并设计了相应的瓦斯爆炸实验系统.通过实验，分析了瓦斯爆炸传播过程可见光特征和瓦斯爆炸可见光前沿传播规律.研究结果表明：在爆炸管道中瓦斯爆炸可见光前沿位移和传播速度变化过程随时间呈明显阶段性；瓦斯反应过程与时间呈非线性关系，先燃烧后爆炸，瓦斯爆炸在感应期内存在光学现象.     

半封闭空间瓦斯由燃烧转为爆炸过程的动力学分析

以瓦斯爆炸初期火焰传播速度与化学反应速率的关系为基础,实验研究半封闭空间瓦斯爆炸初期的火焰传播动力学过程。分析得出：瓦斯爆炸初期反应速率常数与爆炸传播速度的平方成正比;瓦斯从开始反应到爆炸的动力学过程主要受化学反应速率的影响。瓦斯爆炸初期火焰前沿位置和速度随时间变化曲线分别近似呈指数型增长,瓦斯传播速度为初始速度en 倍时认为瓦斯爆炸。瓦斯爆炸感应期由瓦斯燃烧感应期和由燃烧转为爆炸响应时间组成,瓦斯燃烧感应期为从瓦斯开始反应到瓦斯反应出现火焰的时间,由燃烧转为爆炸响应时间为基准时间t的n倍。     

瓦斯爆炸引起支护木材起火的分析和判定

为了研究木材的支护煤层发生瓦斯爆炸后引起次生火灾的危险性,进行了瓦斯爆炸情形下支护木材次生火灾的发生机理的分析和研究。对包括不同初始浓度和体积的瓦斯爆炸火焰波的特性、爆炸后爆源临近区域的动态热环境进行了分析和研究。基于对爆炸后热环境的分析,应用快速热裂解仪开展了支护木材的快速热裂解实验,实验选取温度处于592~1 313 K,热作用持续时间分别为1,2,5,10 s。结合燃烧学基础理论,分别从可燃物、燃烧浓度极限、最低助燃氧浓度、感应期4个方面对瓦斯爆炸热环境下支护木材的起火可能性进行了分析和判定。得出,如果木材支护的煤层发生初始瓦斯浓度处于5.0%~9.25%之间的某个体积的瓦斯爆炸,则在爆炸后距爆源一定距离范围内就构成了引发支护木材着火的必要条件,就有瓦斯爆炸引起了支护木材次生火灾的可能。     

点火能量对瓦斯爆炸传播压力的影响实验研究

为了研究点火能量对瓦斯爆炸传播压力的影响,在封闭的全管道瓦斯-空气混合气体中,进行不同点火能量条件下瓦斯爆炸传播实验,并对瓦斯爆炸压力峰值和呈现时间进行了分析研究:瓦斯爆炸压力峰值在爆源点附近先降低,传播一段距离后出现拐点,压力开始上升且在出口附近达到最大值;点火能量越高,爆炸压力峰值越大;在点火能量一定时,瓦斯爆炸压力峰值与管道长径比呈二次函数关系Y=AX2+BX+C;在管道长径比一定时,瓦斯爆炸压力峰值与点火能量呈二次函数关系Y=A1W2+A2W+A3;瓦斯爆炸压力峰值在爆源附近呈现时间最晚,而在出口附近呈现时间最早;点火能量越大,瓦斯爆炸压力峰值呈现时间就越短。     

水抑制瓦斯爆炸的机理研究

分析水参与瓦斯爆炸的化学反应动力学机理，并通过爆炸反应平衡计算，说明在瓦斯爆炸链反应过程中，主要是水作为第三体或惰性液滴破坏其中的链载体。从而降低瓦斯爆炸反应能力，瓦斯空气混合物水含量增大，瓦斯爆炸能力下降，强度降低，爆炸极限浓度范围缩小。这些结论与实验结果一致。     

瓦斯浓度和火源对瓦斯爆炸传播影响的实验分析

基于瓦斯爆炸冲击波结构的理论分析,用实验方法探讨火源2个因素对瓦斯爆炸传播的影响。指出瓦斯浓度、火源位置及能量是决定爆炸压力峰值大小及显示时间重要因素。     

点火能量对瓦斯爆炸火焰传播速度的影响

在封闭的DN700 mm管道的瓦斯-空气混合气体中,进行了不同点火能量条件下的瓦斯爆炸传播试验,试验结果表明:瓦斯爆炸火焰传播速度从起爆位置开始随着传播距离的加长而逐渐增大,在靠近出口附近处达到最大值;点火能量越大,火焰传播速度也越大;在点火能量一定时,瓦斯爆炸火焰传播速度与管道长径比呈对数函数关系;在管道长径比一定时,瓦斯爆炸火焰传播速度与点火能量呈二次函数关系。     

点火能量对瓦斯爆炸传播的数值模拟研究

管道内瓦斯爆炸的研究对煤矿工业的安全生产具有重要意义。建立基于总能量方程的RNGκ-ε湍流流场模型和基于多种控制机理的分步反应爆炸燃烧模型,以有限体积法求解爆炸流动及反应控制方程,对不同点火能量条件下的瓦斯爆炸传播过程进行数值模拟研究,对爆炸参数研究得:点火能量越大,瓦斯爆炸压力峰值和火焰传播速度越大的传播规律。同时,分析了瓦斯爆炸压力波、爆炸火焰和湍流三者之间的正反馈机制是推动瓦斯爆炸发展过程的重要因素。所得结论为有效预防瓦斯爆炸事故提供了理论依据。     

瓦斯爆炸燃烧波与冲击波相互关系及影响研究

瓦斯被点燃发生爆炸后,燃烧产物膨胀,火焰阵面前形成冲击波,压缩未反应的混合物,这种冲击波阵面到火焰阵面之间面积收敛,形成了较大的附加压缩,其最终的流场性质从冲击波到火焰是逐渐增加的。冲击波作用产生的涡旋造成燃烧火焰的严重变形以及火焰破碎和湍流燃烧都将极大提高燃烧及扩展速率,从而改变燃烧、爆炸过程。冲击波在衰减前与燃烧波是伴生的,燃烧波的存在为燃烧波、冲击波的传播提供了加速的能量。反应完结后燃烧波消失,不在为爆炸冲击波提供传播的能量,冲击波在内摩擦、壁面吸热及摩擦的作用下开始衰减。燃烧波与冲击波在传播过程中存在着相互作用、相互加速的正反馈机制,使得瓦斯爆炸后冲击波的破坏效应十分显著;火焰传播速度越大,冲击波阵面到火焰阵面之间面积收敛越急剧,超压值就越大,引起的破坏效应越大。     

超细水雾抑制瓦斯爆炸的可行性研究

利用超细水雾冷却效率高,吸热效果好的特点,对“瓦斯—空气”混合气体在不同量超细水雾氛围内的爆炸过程进行了初步的实验研究。实验发现在超细水雾氛围内,瓦斯爆炸的火焰传播速率明显降低,起爆阶段的火焰传播加速度也有较大幅度的降低,火焰在实验管道内的传播时间显著延长,并且发生了火焰驻停现象,但爆炸感应期变化不大。这表明超细水雾较高的吸热效率有效地消耗了瓦斯爆炸燃烧生成的一部分热量,削弱了火焰传播的能量。如果在超细水雾中再加入某些能够起到化学抑制作用的添加剂,形成含添加剂的超细水雾,就能更为有效地抑制瓦斯爆炸火焰的传播。     

细水雾抑制管道瓦斯爆炸的实验研究

在搭建细水雾抑制管道瓦斯爆炸的小尺寸实验平台和阐明瓦斯爆炸传播机理的基础上,研究细水雾抑制管道瓦斯爆炸的有效性,并对其进行定性、定量分析。研究发现：在水雾足量的情况下,细水雾能有效抑制管道瓦斯爆炸的传播速度、降低火焰温度,并能改变火焰图像特性;瓦斯浓度较高或雾通量不足时,细水雾将通过助燃促进瓦斯爆炸的产生。     

置障条件下的矿井瓦斯爆炸传播过程数值模拟研究

对瓦斯爆炸传播过程中障碍物激励效应的物理机制进行了分析,并构建了相应的物理模型．在3种情况下对冲击波经过障碍物附近时的变化特征进行了数值模拟．结果表明,非燃烧区的障碍物同样存在激励效应,激励效应取决于瓦斯爆炸冲击波的初始强度,即爆轰状态激励效应最为强烈。     

初始瓦斯浓度对爆后气体成分影响研究现状

瓦斯爆炸是煤矿主要灾害之一，初始瓦斯浓度会对爆后有毒有害气体的产生以及浓度变化规律产生重要的影响。瓦斯爆炸后产生的毒害气体是造成群死群伤的主要原因之一，分析初始瓦斯浓度对爆后气体成分影响的研究现状，将为不同初始条件下瓦斯爆炸后气体成分及变化规律提供方向，同时为瓦斯爆炸灾害的控制、救援以及事故调查提供重要的理论依据。     

采空区煤自燃引爆瓦斯的机理及控制技术

为有效防治高瓦斯易自燃矿井煤自燃引发瓦斯爆炸的难题,实验研究了CH₄与煤自燃火灾主要气体CO的混合气体的爆炸浓度范围及爆炸危险度,理论分析了煤自燃引爆瓦斯的可能发生区域和参与过程.结果表明,在高瓦斯易自燃矿井采空区内,当CH₄气体中混入大量CO,则混合气体的爆炸浓度上、下限的范围大大增加,爆炸危险度增大;同时,在煤自燃产生的火风压作用下,在发火区与非发火区之间不断形成CH₄,CO与新鲜空气的充分混合和热量的对流交换,导致瓦斯爆炸事故的发生.最后提出了采用大流量高品质的含N2三相泡沫来防治煤自燃引爆瓦斯的新技术.     

巷道内检验“防止煤矿内瓦斯爆炸方法”的特殊爆炸试验

为了检验使用“防止煤矿巷道内瓦斯爆炸装置”在特大瓦斯涌出量情况下的爆炸烈度可能造成的伤害，在总长8 m，一端封闭、一端开口，且封闭端高度（在3.1 m长度上截面为3.1 m×3.1 m）比靠近开口端（截面为3.1 m×2.5 m）高出0.5 m的试验巷道内做了天然气特大送气速率（模拟采煤的特大瓦斯涌出量）4次特殊爆炸试验.其中3次发生了爆炸，但是爆炸的烈度很小.经过3次爆炸，三合板壁面只坏了2块（各1 m面积），试验巷道内部地上枯草、纸片都无燃烧痕迹.证明应用“防止煤矿巷道内瓦斯爆炸的方法（装置）”有较好的防爆效果，在出现特大瓦斯涌出量发生爆炸时也未曾产生大的损失与伤害.     

Study on multi-component combustible gas explosive characteristics of high gas mine

Studied on multi-component combustible gas, methane mainly, explosion characteristics of high gas mine, obtained the rules of gas explosive limit that influenced by environment temperature, pressure, concentration of oxygen, other combustible gas, coal dust, energy of fire source, and the inert gas, proposed a new method of divide gas explosive triangle partition, and gave new partition linear equations. The gas explosive triangle and its new partition has important directive significance in distinguishing if the fire area has a gas explosion when sealing or opening fire area, or fire extinguishing in sealed fire area, and judging if there will be a gas explosion or other trend while fire extinguishing with inert gas. Supported by the National Natural Science Fund of China(50474010); the National “Eleventh Five-year Plan” Science and Technology Support Plan of China(2006BAK03B0503); the Fund of Education Department Liaoning Province(05L-174); the Fund of Education Department Liaoning Province (20060389)     

泡沫陶瓷对瓦斯爆炸过程影响的实验及机理

为了对煤矿瓦斯多次爆炸和连续爆炸实现阻隔爆,利用建立的瓦斯爆炸实验系统,研究了Al₂O₃和SiC两种材质的泡沫陶瓷对瓦斯爆炸过程的影响规律,利用SEM技术对泡沫陶瓷的细观结构进行了测试,分析了其对瓦斯爆炸的作用机理.结果表明：泡沫陶瓷对瓦斯爆炸最大超压衰减作用明显,最大衰减可达到50%;泡沫陶瓷在细观上具有三维连通网络结构,可以淬熄瓦斯爆炸火焰,抑制爆炸应力峰值和爆炸声波.     

激波诱导瓦斯爆炸反应动力学计算模型

为解释和验证激波诱导瓦斯爆炸化学反应动力学机理的物理模型和数学模型,将激波诱导瓦斯爆炸反应体系定义为一个理想反应体系,将瓦斯气体定义为仅含甲烷的单组分理想气体,反应体系中的所有化学反应都在激波管中进行。利用CHEMKIN4.1软件中的Normal Incident Shock反应器,运用数值分析和数学物理方程的推导方法,对激波诱导瓦斯爆炸反应动力学机理的数学模型进行了推导、细化和求证。研究结果表明:计算模型中的控制方程组解释了激波管内各反应组分的流动特性沿轴向距离或随时间变化的函数关系,控制方程组的解描述了激波诱导瓦斯爆炸反应动力学的变化过程和变化情况,从而解释和验证了激波诱导瓦斯爆炸反应动力学机理的计算模型。     

水抑制瓦斯爆炸的实验综述

介绍了水抑制瓦斯爆炸的机理,水雾蒸发火焰面的影响,以及部分应用水雾对瓦斯爆炸效果影响的实验。