P_2O_5粉体抑制瓦斯爆炸的实验研究

为测定NH_4H_2PO_4的受热分解产物P_2O_5对CH_4爆炸的抑制作用,采用20 L近球形密闭式气体爆炸实验系统对3种不同浓度的P_2O_5粉体进行CH_4爆炸试验,研究P_2O_5的抑爆性能及抑爆机理。试验结果表明:P_2O_5粉体对CH_4爆炸有一定的抑制作用;理论分析认为,P_2O_5分子的多孔网状结构能够有效吸附爆炸中产生的活性自由基,从而抑制CH_4爆炸。     

定容条件下瓦斯爆炸超压及爆后气体成分试验研究

为研究瓦斯爆炸超压及爆后气体的危害,利用20L气体爆炸特性测试系统与气相色谱仪研究了不同初始瓦斯体积分数对瓦斯爆炸后的压力及爆后气体的影响和危害。研究发现:瓦斯爆炸初始体积分数在最佳爆炸体积分数附近时爆炸压力最大,对人体危害最强;爆炸后产生的H_2、CO会促进瓦斯的爆炸,且与初始瓦斯体积分数呈一次函数关系,高体积分数瓦斯爆炸后产生的H_2的体积分数会在爆炸极限范围内;爆炸后环境中的CO会使人中毒死亡,CO_2及低体积分数的O_2会造成人员窒息。     

管道内瓦斯非均匀预混火焰传播特性实验研究

在实际矿井下,瓦斯泄漏后往往在巷道密闭空间内形成分层的、含体积分数梯度的甲烷-空气混合物。目前,国内外研究大多集中在均匀预混瓦斯爆炸火焰传播特性方面。为探究非均匀预混瓦斯爆炸火焰传播特性,通过自主搭建的小尺寸爆炸实验平台,对比研究了管道内甲烷不同自由扩散时间下,甲烷沿管道体积分数梯度分布及非均匀预混甲烷/空气爆炸火焰传播特性。实验通过浓度传感器、高速摄像机、压力传感器获取不同工况下非均匀甲烷爆炸过程中的甲烷体积分数分布、火焰传播结构、甲烷爆炸超压等数据,并进一步分析得出火焰传播速度、爆炸压升曲线等。结果表明:甲烷在管道内泄漏后,受浮力作用沿管道顶部横向传播,同时受体积分数差向底部纵向扩散,形成横向及纵向的体积分数梯度场,且自由扩散时间越短,体积分数梯度越大。体积分数梯度场对管道内非均匀甲烷爆炸火焰传播结构与爆炸超压有显著影响。甲烷体积分数梯度场下形成的非均匀预混火焰在管道内传播经历球形、指形、三重火焰、拉伸三重火焰4个阶段。当甲烷沿管道形成纵向体积分数梯度时,管道内出现三重火焰,且体积分数梯度越大,三重火焰结构愈发明显,三重火焰形态出现后,火焰传播速度、爆炸超压迅速下降,管道内甲烷纵向...     

硅藻土粉体抑制瓦斯爆炸的实验研究

采用自主改进的20 L近球型抑爆实验系统,测试添加硅藻土粉体时瓦斯爆炸极限、压力等特性参数的变化,并同石英粉对比分析其抑爆效果,结合热重分析方法研究硅藻土表面物化特性对抑爆作用过程的影响.结果表明:硅藻土粉体对瓦斯爆炸具有一定的抑制作用,且效果优于石英粉;质量浓度为0.1 g/L的硅藻土粉体可使甲烷与空气混合气体(甲烷体积分数7%)的爆炸压力下降30%左右,爆炸极限范围缩小约28%;硅藻土微孔结构和表面羟基特点是影响其抑爆效果的关键因素.     

点火方式对甲烷爆炸生成气体产物的影响研究

采用自主研发的采空区自燃诱发瓦斯爆炸系统,实验研究电火花和高温源2种点火方式引爆CH_4的气体产物变化规律。结果表明:2种点火方式引爆CH_4后,生成的碳氧化合物规律基本一致;低体积分数爆炸几乎不生成CO;CH_4体积分数大于9.5%时,随CH_4体积分数增大,CO的体积分数随之增加;CO_2的体积分数随CH_4体积分数先增大后减小,在CH_4体积分数为9.5%时CO_2生成量的最大;电火花引爆CH_4生成CO的量高于高温源引爆;高温源引爆CH_4生成CO_2的量高于电火花引爆;电火花点火方式在CH_4体积分数9.5%时,CO的生成较高温源点火方式有着更为敏感的表现。引爆CH_4体积分数较高(11.5%以上)的CH_4后会生成C_2H_6、C2H_4和C_2H_2等C_2类烃气。     

二氧化碳-超细水雾抑制甲烷爆炸的实验研究

为了研究受限空间内二氧化碳-超细水雾对甲烷爆炸的影响,通过自行设计的120mm×120mm×840mm半封闭透明的甲烷爆炸实验台,开展不同气雾比二氧化碳-超细水雾对化学当量比甲烷-空气预混气体的抑爆研究。实验结果表明：二氧化碳和超细水雾结合的抑爆效果要优于单独使用任何一种抑制剂效果之和;CO2体积分数一定的情况下,甲烷气体的爆炸压力、压升速率和爆炸火焰的传播速度均随着超细水雾体积量的增加而明显减小。当单独加入体积分数为2%CO2和1.4mL超细水雾时,两种工况下压力峰值下降之和为72.3mbar;而在两者共同作用下,9.5%甲烷爆炸的超压峰值下降了92.95mbar,说明二氧化碳-超细水雾抑制甲烷爆炸时具有协同效应。     

不同强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播特性

在全透明有机玻璃管道中,利用同步控制系统、高速摄像系统和高速粒子成像测速系统(PIV),从爆炸超压、火焰传播速度、火焰温度和复合火焰演化规律等方面研究了不同瓦斯爆炸强度条件下诱导沉积煤尘爆炸特性和复合火焰传播特性,并分析了煤尘卷扬湍流特征。实验结果表明:3种工况下,随着甲烷体积分数的增加,爆炸超压和压力上升速率明显增高,压力峰值来临时刻减小,且当体积分数超过8.5%后,压力曲线和压力上升速率曲线出现明显的振荡特征;复合火焰传播速度远大于纯瓦斯爆炸工况,且复合火焰传播速度-位置曲线均呈波动上升特征;甲烷的体积分数越接近当量比,爆炸超压、波前流速、火焰锋面温度及其温度上升速率越高;甲烷体积分数为9.5%和8.5%时,复合火焰呈"倒钩形",之后很快出现火焰加速;而甲烷体积分数降至8.5%后,复合火焰亮度降低,结构呈现破碎和不连续的形态特点。PIV测试表明:甲烷体积分数为9.5%时,初始爆炸强度高,波前流速快,煤粉可随冲击波整体快速运动,卷扬区整体湍流强度较高,大大加快了煤粉与空气的混合速度,促进了卷扬煤粉的燃烧。较高的冲击波波前流速和火焰锋面温度2种参数相结合是造成甲烷/煤尘复合火焰不断加速的原因。     

SiO2纳米粉体抑制瓦斯爆炸的试验研究

为了研究纳米粉体的抑爆作用,采用自主改进容积为20L的近球形抑爆试验系统,测试添加SiO2纳米粉体时的瓦斯爆炸极限、压力等特性参数的变化,并同微米级粉体对比分析其抑爆效果,同时研究粉体质量浓度和点火时间对抑爆效果的影响.试验结果表明:同微米级粉体相比.纳米粉体的抑爆效果更好;质量浓度为0.1 g/L、粒径为 50 nm 的SiO2 粉体可使瓦斯与空气混合气体(瓦斯体积分数7%)的爆炸压力下降约70%,压力上升平均速率下降约90%,爆炸极限范围缩小约43%;超细粉体抑爆剂在固定空间内存在最佳抑爆浓度范围,并不是粉体添加量越大抑爆效果越好;粉体抑爆剂喷洒形成固体微粒气溶胶后存在最佳抑爆时间范围,超出该时间范围抑爆作用衰减明显.     

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。     

煤矿火灾诱发瓦斯爆炸危险性预测

针对高瓦斯易自燃煤层火区封闭与启封过程中常发生的瓦斯爆炸问题,采用20 L爆炸装置,在实验研究环境温度为25～200℃和CO体积分数为1%～10%的条件下进行瓦斯爆炸极限测定,发现CO体积分数升高,瓦斯爆炸上限、下限均下降,温度升高,爆炸上限升高、下限下降;温度与CO气体耦合作用下,瓦斯爆炸上限升高、下限下降,瓦斯爆炸危险性增加,爆炸上限、下限与温度和CO气体体积分数呈二次多项式变化趋势。初始温度和CO气体对爆炸极限的耦合影响比单一因素影响大,其对爆炸上限的影响更为显著。在此基础上,基于变化瓦斯爆炸三角形与曲线拟合理论,研究了火区封闭过程中次生瓦斯爆炸危险性演化过程,根据曲线相交原则反演求出CH₄体积分数与O₂体积分数,结合CH₄体积分数与O₂体积分数随时间变化关系,求出可能发生瓦斯爆炸时间t。若可能爆炸点M(X_M(CH₄),Y_M(O₂))点的O₂体积分数小于临界点E的O₂     

CO对CH_4爆炸及自由基发射光谱特性的影响

为深入研究CO对CH_4爆炸特性的影响并分析其作用机制,采用可燃气体爆炸极限测定装置测定了CO作用下的CH_4爆炸极限参数;结合自主设计、改进的密闭球形爆炸实验测试系统与光谱测量系统获取了CO-CH_4-空气爆炸压力参数,并同步采集爆炸过程3种自由基(H~*,OH~*,CH_2O~*)的瞬态发射光谱参数,通过对比分析CO-CH_4-空气爆炸压力参数与火焰发射光谱强度参数,以宏观-微观相结合的方式评估了CO对CH_4爆炸特性的影响规律。结果表明:少量CO会增大CH_4爆炸危险性,减小其临界氧体积分数,并显著增加惰化混合体系所需的惰性气体量。CO对CH_4爆炸压力的影响主要取决于体系中的氧含量和其自身化学性质,在富氧状态下,CO会加剧预混体系的爆炸强度,随着体系中氧的减少促进作用逐渐减弱,在贫氧条件下则体现出阻尼效应。CO对CH_4爆炸压力参数和3种自由基发射光谱参数的影响规律具有良好的一致性,最大爆炸压力时间光谱强度极值时间的变化规律相互吻合,而自由基开始大量积累的时间与预混体系中可燃气体含量及爆炸强度存在相关性。爆炸强度越大则越早开始积累且积累速度越快,中间产物大量且快速的积累是造成体系爆炸加剧的原因之一。相关数据可加深对多元混合体系爆炸机制的理解,为优选化学抑爆介质、提升相关抑爆效能提供理论基础。即,进一步深入开展以气体燃爆过程中的关键自由基团为直接作用目标的化学抑制剂改性相关研究,通过提高其阻断链式反应进程水平的方式加强其抑爆效能。     

瓦斯输送管道爆炸自动喷粉抑爆技术

通过论述自动喷粉抑爆技术原理及构成,分析总结瓦斯管道爆炸传播规律,得出自动喷粉抑爆技术抑爆效果主要取决于装备相应时间、干粉浓度粒度及NH4H2PO4质量分数。在DN500爆炸试验管道进行瓦斯管道爆炸传播试验和抑爆试验研究自动喷粉抑爆装置抑爆效果,抑爆器动作后,爆炸火焰在抑爆器后3.5 m内被扑灭,爆炸冲击波在爆炸火焰被扑灭后,不断衰减,最终消失。试验表明:自动喷粉抑爆技术能够有效的抑制瓦斯爆炸。     

形貌控制合成介孔纤维状钴酸镍粉末

以可溶性氯化镍、氯化钴和草酸为原料, 利用氨为配位剂, 通过配位共沉淀-热分解法制备了多孔纤维状钴酸镍(NiCo₂O₄)粉末。采用XRD、SEM、TEM、IR以及BET对前驱体和NiCo₂O₄粉末的物相、成分与形貌进行了表征, 系统考察了配位共沉淀条件对前驱体粉末形貌、粒度和成分的影响。采用DTA/TG研究了钴酸镍前驱体粉末的热分解历程。结果表明：Ni²⁺-Co²⁺-NH₃-NH₄⁺-C₂O₄^2--H₂O反应体系中, 在溶液pH=8.0、温度50 ℃、金属离子浓度0.5 mol/L的条件下可得到纤维状钴酸镍前驱体粉末; 氨与镍钴离子配合生成含氨草酸镍钴复盐是纤维状形貌形成的机理。在空气气氛中300 ℃热分解该前驱体粉末即可得到比表面积97 m²/g、平均孔径11 nm、轴径比30~50的纤维状多孔NiCo₂O₄粉末。     

惰性气体对KHCO3冷气溶胶甲烷抑爆性能的影响研究

主动式喷粉抑爆装置是煤矿甲烷爆炸的防控装备之一,该装置装填的超细粉体抑爆剂可在甲烷爆炸初期主动喷洒,使其中超细粉体颗粒形成冷气溶胶,减少后续甲烷爆炸危害。为进一步提升主动式喷粉抑爆装置的抑爆性能,探究冷气溶胶抑爆剂的抑爆规律,使用5 L爆炸管道系统,测试了N₂和CO₂两种惰性气体对KHCO₃冷气溶胶甲烷抑爆性能的影响。试验结果表明:N2、CO₂显著强化了KHCO₃冷气溶胶对9.5%甲烷/空气预混气的抑制性能,相比于空气驱动的KHCO₃冷气溶胶,气体介质中含有惰性气体的KHCO₃冷气溶胶使甲烷爆炸最大压力下降更为显著,到达峰值压力时间也更长;CO2对KHCO₃冷气溶胶抑爆性能的增效作用强于N2。其中,体积分数0.03 g/L的KHCO₃冷气溶胶仅使甲烷最大爆炸压力降低60.4%,而在气体介质内充入体积分数15%~20%的N2或5%~10%的CO2时,同浓度KHCO₃冷气溶胶可以完全抑制甲烷爆炸,继续增加惰性气体的体积分数可以进一步减少KHCO₃冷气溶胶用量,从而降低主动式喷粉抑爆装置的成本。试验考察了在不同浓度KHCO₃冷气溶胶与不同体积分数N2、CO2作用下的甲烷爆炸情况,得到了KHCO₃冷气溶胶与惰性气体的最佳抑爆用量配比,能够为基于KHCO₃冷气溶胶的主动式喷粉抑爆装置的设计提供理论依据及技术参数。此外,讨论了含惰性气体的KHCO₃冷气溶胶系统的甲烷抑爆机理,并分析了惰性气体的增效原因。     

煤矿巷道内N2及CO2抑制瓦斯爆炸的机理特性

为探求煤矿巷道内惰性气体（氮气及二氧化碳）对瓦斯预混合爆炸的影响,采用详细反应机理(包括53种组分、325个反应),运用化学动力学计算软件CHEMKIN 3.7中PREMIX程序包,建立巷道内瓦斯爆炸过程的数学模型。通过数值计算,对比了N2及CO2对瓦斯爆炸过程中反应物、自由基、爆炸后产生的主要致灾性气体的浓度以及甲烷总消耗速率等变化的影响,分析N2及CO2对瓦斯爆炸反应过程影响的异同。计算结果表明,在相同体积分数下,CO2比N2更能有效地降低体系中的活化中心浓度和爆炸中所生成致灾性气体CO,NO的浓度,因此CO2在抑制瓦斯爆炸作用方面比N2的效果更为明显。     

惰性介质抑制煤尘燃烧实验研究

为分析惰性介质对煤尘升温燃烧的影响,有效预防煤尘自燃,利用微机差热天平和气相色谱仪监测样品质量变化以及升温过程中一氧化碳和二氧化碳的释放量,对比分析惰性介质:水、磷酸二氢铵、碳酸钙对煤尘燃烧的抑制性能,考察单一惰性介质、不同配比的磷酸二氢铵和碳酸钙、不同粒径的磷酸二氢铵对煤尘升温燃烧的抑制效果。研究结果表明:碳酸钙和磷酸二氢铵混合物作为惰性介质,其抑制效果优于水和碳酸钙,但弱于磷酸二氢铵,瞬间爆炸与缓慢氧化过程中惰性介质的效果并不完全相同,混合物对煤尘燃烧无协同抑制作用。随着磷酸二氢铵粒径的减小,抑制性能增强。     

超细Al(OH)3粉体浓度对甲烷爆炸压力的影响

采用20 L的球形不锈钢爆炸罐试验系统,考察不同浓度Al(OH)₃超细粉体抑制瓦斯爆炸的效果.实验结果表明,随着Al(OH)₃粉体浓度的增加,甲烷最大爆炸压力先减小后增大,即存在控制瓦斯爆炸的最佳的粉体浓度.当甲烷浓度为9.5%时,1.3 μm超细粉体Al(OH)₃的最佳控爆浓度约为250 g/m³,此粉体浓度下的最大爆炸压力、最大压力上升速率、到达最大爆炸压力的时间分别为0.583 MPa,9.082 MPa/s,190 ms;当甲烷浓度为7.0%时的最佳控爆浓度约为200 g/m³,此粉体浓度下的最大爆炸压力、最大压力上升速率、到达最大爆炸压力的时间分别为0.474 MPa,3.76 MPa/s,400 ms.     

变温下多元可燃气体对甲烷爆炸特性的影响数值模拟

为有效地预防及控制矿井下煤自燃过程中产生的常见可燃气体对甲烷爆炸所造成的后果,利用FLACS软件模拟研究了5种初始温度(25、60、100、140、180℃)下C2H4、C2H6、H2和CO这4种气体按不同比例混合后对甲烷最大爆炸压力和最大爆炸温度的影响。研究表明:在定容常压下,随初始温度的增加,与任意多元气体混合后的甲烷,其最大爆炸温度呈上升趋势,最大爆炸压力则呈下降的趋势。随4种可燃气体的混合体积分数从0.4%增加到2.0%,甲烷最大爆炸温度和最大爆炸压力上升且初始温度较低时升幅更大。     

CH4,CO,C2H4多元可燃气体爆炸的实验研究

CO和C2H4作为煤氧化和煤高温热解过程中产生的自燃指标气体,与CH4一起构成采空区多元瓦斯气体的重要组成部分,本文针对CO,C2H4这两种自燃指标气体,研究它们与CH4组成的多元瓦斯气体的爆炸极限特性。探索了可燃性气体本性对浓度爆炸极限的影响、CO对多元瓦斯气体的阻尼效应以及C2H4与CO间的协同氧化诱导效应。本研究结果为分析采空区瓦斯的爆炸链引发、防止灾害的发生提供了理论基础,对指导支链燃烧和支链爆炸的实践,具有一定的理论价值。     

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。