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。     

点火能量对煤粉爆炸行为的影响

为了探明点火能量对煤粉爆炸特性参数的影响,利用20 L球形爆炸装置进行试验测试,试验研究了不同点火能量对煤粉爆炸行为的影响,对煤粉爆炸猛度(最大爆炸压力和最大升压速率)及惰性介质的抑爆效力随点火能量的变化规律进行了重点探讨。结果表明:随着点火能量的增加,爆炸压力随着煤粉浓度的增加呈现先上升后下降的趋势,在同一浓度下,粉尘最大爆炸压力和最大升压速率呈线性上升,在高浓度下,粉尘爆炸压力受点火能量的影响更显著;惰性介质抑爆效力随点火能量增加而下降,建议采用5~10 kJ点火能量考察惰性介质对煤粉爆炸的抑制效力。     

外部条件对煤粉爆炸特性的影响北大核心

为了探明外部条件对煤粉爆炸特性参数的影响,利用20 L球形爆炸装置进行试验测试,探讨了不同点火能量对爆炸的影响,对比CaCO_3和Al(OH)_32种惰性介质的抑爆效果,不同含水量煤粉的燃烧爆炸行为。结果表明:随着点火能量的增加,粉尘最大爆炸压力呈线性上升,爆炸压力随着煤粉浓度的增加呈现先上升后下降的趋势;添加CaCO_3和Al(OH)_3能够降低煤粉的爆炸压力,相对于CaCO_3的物理抑爆而言,Al(OH)_3的物理-化学抑爆效果更佳;煤粉爆炸最大爆炸压力随粉尘含水量降低而不断增大。     

外部条件对煤粉爆炸特性的影响

为了探明外部条件对煤粉爆炸特性参数的影响,利用20 L球形爆炸装置进行试验测试,探讨了不同点火能量对爆炸的影响,对比CaCO_3和Al(OH)_32种惰性介质的抑爆效果,不同含水量煤粉的燃烧爆炸行为。结果表明:随着点火能量的增加,粉尘最大爆炸压力呈线性上升,爆炸压力随着煤粉浓度的增加呈现先上升后下降的趋势;添加CaCO_3和Al(OH)_3能够降低煤粉的爆炸压力,相对于CaCO_3的物理抑爆而言,Al(OH)_3的物理-化学抑爆效果更佳;煤粉爆炸最大爆炸压力随粉尘含水量降低而不断增大。     

密闭管内甲烷—煤粉复合爆炸实验研究

在竖直长管内进行弱点火条件下甲烷—煤粉复合爆炸实验,研究了甲烷煤粉配比浓度、煤粉粒径、点火延迟时间等初始状态参数对复合爆炸特性的影响。结果表明:火焰传播越快,压力上升越显著,最大压力上升速率出现在爆炸初期,当火焰传播至管末端后,压力达到最大值;低浓度甲烷添加煤粉后,爆炸压力显著增大;煤粉粒径越小,复合爆炸压力越大,压力上升速率越大;最大爆炸压力和最大压力上升速率随着煤粉浓度增大和点火延迟时间增加先上升后下降,存在峰值点。     

不同变质程度煤尘爆炸特性对比分析

采用20L球形爆炸装置研究了煤尘浓度、点火能量、煤尘粒径对不同变质程度煤尘爆炸特性的影响,分析了不同变质程度煤尘在相同条件下的爆炸特性差异性。结果表明:浓度为100g/m3时不同变质程度煤尘最大爆炸压力相差较大,700g/m3时差异不大,最佳煤尘浓度下爆炸最大压力与变质程度呈负相关。低变质程度煤尘爆炸最大压力随点火能量增大而增大,高变质程度煤尘爆炸最大压力受低点火能量影响显著,当点火能量增大至8kJ后影响作用减弱。高变质程度煤尘的燃烧持续时间受点火能量影响作用明显,低变质程度煤尘的燃烧持续时间受粒径影响作用明显。     

静电点火下煤粉爆炸特性研究

为完善粉尘爆炸测试方法,建立了一套基于20L球形爆炸装置的煤粉爆炸特性参数的测试系统。实验采用大能量静电点火对不同粒径的煤粉-空气混合物的爆炸特性进行了研究,测得了不同实验条件下煤粉的爆炸特性参数。实验结果表明,随着煤粉浓度的增加,爆炸压力、压力上升速率等爆炸参数先增大后减小;煤粉粒径对其爆炸特性影响很大,煤粉粒度越小,爆炸烈度越强烈;随着点火能量的增大,爆炸压力、爆炸压力上升速率等爆炸参数逐渐增大,当点火能量增大到一定值时,这些参数又趋于稳定。     

索特平均直径对煤粉及其在瓦斯气氛下爆炸特性的影响

为了研究索特平均直径(D_3,2)对煤粉及其在瓦斯气氛中爆炸特性的影响,利用20-L球形爆炸装置,测量了煤粉初始样和混合样及其在瓦斯气氛中的爆炸特性参数,研究了粒径分散度σ_D对煤尘爆炸威力的影响,对比分析了粒径特征参数d₅₀,D_4,3,D_3,2值与煤粉粉尘爆炸威力的相关性;同时收集了煤粉粉尘爆炸的固体残渣,并通过扫描电镜对其微观结构进行了表征;最后,结合煤粉粉尘爆炸实验数据和产物微观结构分析结果,探讨了煤粉粉尘及其在瓦斯气氛中爆炸的机理。实验结果表明:当d₅₀值相同时,σ_D值最大(2.31)时煤粉粉尘的压力最大值P_max和(d P/d t)_max值较σ_D值最小(1.49)时分别增加了14.71%和68.05%,说明煤粉粉尘的粒径分散度σ_D会显著影响其爆炸性能;相对于d₅₀值和D_4,3值,D_3,2值可以更好的阐述煤粉粉尘的爆炸特性,D_3,2值最大(120μm)时的粉尘爆炸压力P_ex和(d P/d t)_ex值较D_3,2值最小(2.5μm)时分别降低了33.33%和83.33%,说明D_3,2值对(d P/d t)_ex值的影响大于对P_ex值的影响;在瓦斯气氛中,随着D_3,2值的增加,煤粉粉尘的(d P/d t)_ex值逐渐减小,低瓦斯体积分数时,D_3,2值对P_ex值影响较小,但高瓦斯体积分数时,D_3,2值越大则P_ex值越小,而煤粉颗粒的D_3,2值越小,挥发分燃烧速率更快,爆炸更剧烈,其残渣表面的孔洞越多,破碎程度也越大。     

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。     

煤矿煤尘爆炸特性的实验研究

为了研究新安煤矿的煤尘爆炸特性,采用20升爆炸测试系统,测试了煤尘的爆炸下限、最大爆炸压力以及压升速率,为煤矿科学防止煤尘爆炸提供实验支持。实验结果表明:新安煤矿煤尘最低爆炸浓度为100g/m3,最大爆炸压力0.814MPa,最大压力上升速率为35.782MPa/ms,煤尘爆炸下限低,爆炸猛度大,要对煤矿的煤尘爆炸重点预防。     

密闭空间煤粉气动分散湍流对爆炸参数的影响规律

采用自行设计的20 L长径比1∶1圆柱形透明有机玻璃罐、铸铁爆炸实验罐及对称式双喷头气动喷粉分散装置,研究了气动湍流强度、煤粉粒径及其爆炸特性,获得了不同实验条件下煤尘的爆炸特征参数,并给出了定量评价。实验结果表明在不同气动分散作用下,湍流均方根速度Urms测得1.1~6.2 m/s,平均湍流积分尺度在40~72 mm,雷诺数在8 000~16 300;爆炸超压峰值随湍流均方根速度呈线性增长,而爆炸超压上升速率Urms在1.1~3.5 m/s范围增速明显,Urms在3.5~6.2 m/s范围增速变缓。较大的湍流强度虽然具有加速煤粉与空气充分预混及自身反应,但同样导致对煤粉粒径间的传热传质效率下降;由最大有效燃烧速率理论计算与实验结果对比,也间接性的验证了实验结论的一致性。     

考虑两侧煤柱与弹性煤体基础的基本顶板初次破断特征

建立考虑两侧煤柱支撑与实体煤作为弹性基础的基本顶板初次断裂力学模型,采用差分算法及主弯矩破断准则计算研究得到如下结论。① 基本顶初始断裂位置为偏较弱煤柱侧悬顶区中部下表面(弹性基础系数k较小,基本顶厚度h、弹模E较大时),反之为偏较弱煤柱侧的长边实体煤区上表面;② 两侧煤柱的宽度L1,L2及支撑系数km1,km2改变时,基本顶中部区与实体煤区的主弯矩及位置几乎不改变,而两侧煤柱区的主弯矩及位置变化显著;③ E,h大,而L1,km1,L2,km2小时,基本顶在两侧煤柱区不断裂,破断顺序为:偏较弱煤柱侧的悬顶区中部下表面→偏较弱煤柱侧长边实体煤区上表面,断裂特征为非对称“=-X”型;反之基本顶在煤柱区会断裂,破断顺序为:偏较弱煤柱侧长边实体煤区上表面→偏较弱煤柱侧悬顶区中部下表面→较强煤柱区上表面→较弱煤柱区上表面,断裂特征为非对称“O-X”型;而L1,km1较小,L2,km2较大时,只较弱煤柱侧基本顶不破断,最终断裂形态为非对称“U-X”型;④ 比值k/E或k/(Eh3)不变(k,E,h改变时,km1及km2与k保持某个任意比值不变),基本顶破断规律不变。     

综采工作面基本顶厚跨比对其初次断裂失稳影响规律

综采工作面基本顶初次断裂失稳机理对工作面支架选型及采场围岩稳定性控制至关重要。通过建立顶板力学模型分析得出:综采工作面基本顶初次断裂前,基本顶厚跨比从初始状态减小趋近极限状态时,其内部最大主应力σ1与最大剪应力τmax均逐渐增加;当厚跨比接近02时,σ1与τmax均出现陡增,但σ1增加速率大于τmax,易在基本顶两端顶部发生断裂,且基本顶初次断裂时极限厚跨比n1一般大于02。在不发生滑落失稳条件下,基本顶极限厚跨比n1随回转角θ的增大近似呈线性增加;证明了基本顶铰接结构回转初期(θ为0°～3°)易发生滑落失稳。在仅考虑厚跨比影响的条件下,基本顶铰接结构发生回转失稳的临界条件为极限厚跨比n1=0624。然而,当n1<0624时,回转极限平衡角大于岩块回转平衡角所允许的最小值时,亦会造成铰接结构回转失稳。同时,在考虑支架弹性变形的基础上,建立了基本顶铰接结构滑落失稳对工作面支架动载系数计算方法,当直接顶与基本顶离层量Δh为0时,动载系数Fsd取最小值;Δh不为0时,Fsd随Δh增加而增大,但随直接顶与支架刚度之比、直接顶自重与基本顶传递载荷之比增加而减少。最后,通过对不同综采工作面初次来压时支架工作阻力与动载系数进行计算,验证了理论分析的有效性。     

基于不同类型煤吸附甲烷的吸附势重要参数探讨

目前广泛使用的以饱和蒸汽压(P0)和吸附相密度(ρa)为重要参数的吸附势理论,在用于煤-甲烷吸附体系研究时,因求取虚拟饱和蒸汽压时参数k值选取随意,导致吸附行为描述精度不高。借助低中变质程度构造煤和共生非构造煤样品,通过开展煤对甲烷等温吸附实验,进行P0和ρa标定,获得相应的吸附特征曲线,并在较宽温域内对不同类型煤等温吸附曲线进行预测。研究发现,基于k值的P0计算对吸附特征曲线影响较大,不同煤样的最优k值分别为kP1N=3.2,kP1D=3.4,kP8N=3.1,kP8D=3.0。利用313 K下吸附数据预测了不同煤在243,283,303,323 K的等温吸附曲线,认为选用Amankwah公式并利用最优k值计算P0时所获得结果与实测值吻合最好。     

Numerical investigation on the spraying and explosibility characteristics of coal dust

This paper utilises FLUENT software to simulate the spraying and explosion of coal dust in a spherical explosion chamber. The influence of particle size on coal dust spraying is analysed. Explosion easily develops for small particle sizes under the same conditions of coal dust concentration and ignition temperature. For large-size coal dust particles, the speeds of release and transmission reduce dramatically due to lack of oxygen inside. Explosion is very difficult to develop in such conditions. Coal dusts with smaller particle size distribute uniformly in the chamber, whereas larger particles concentrate in parts of the chamber. The influence of coal dust concentration, ignition temperature and particle size on the pressure of coal dust explosion is also studied. The results show that, when ignition temperature is less than a certain value, the maximum pressure increases rapidly with the growth of ignition temperature. As ignition temperature is larger than the value, the change of the maximum pressure is small. The maximum explosion pressure increases first and then decreases with the increase of coal dust concentration. Because the inside of large size particles burn only partially due to lack of oxygen and slow combustion heat release and transfer, the decrease of the maximum explosion pressure is proportional with the increase of particle size.     

基于Logistic统计方法的煤粉爆炸下限研究

粉尘云爆炸下限是表征粉尘易燃易爆危险性的主要参数,相对精确地测试并表示粉尘云爆炸下限对评估和预防粉尘爆炸灾害是十分重要的。基于统计分析的Logistic回归模型,应用以概率表示粉尘云爆炸下限的计算方法,在20 L球形爆炸罐中对不同粒径的煤粉-空气混合物进行爆炸下限测试实验,利用SPSS统计分析软件计算得到不同粒径、不同实验次数下煤粉点火成功概率-浓度分布曲线,结果表明不同点火概率下的爆炸下限均随粒径的减小而呈现逐渐减小的趋势,且粉尘粒径越小,点火成功概率从p=10%增至p=90%的浓度区间越窄,即其燃爆特性越稳定。实验次数对爆炸下限概率分布存在影响,实验次数越多,爆炸下限概率分布的浓度区间越窄,但点火概率为50%的浓度值与实验次数无关,是研究粉尘爆炸下限的关键值。与其他计算方法的结果相比,以概率表示特定物质的爆炸下限更符合实际情况,更能满足不同生产环境对安全控制的需要。     

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。     

Mechanism research of gas and coal dust explosion

Combined with the experimental results from the large tunnel of the Chongqing Research Institute, the mechanism of gas and coal dust explosion was studied. Some concepts about gas and coal dust explosion were introduced such as the form condition and influential factors. Gas and coal dust explosion propagation was researched and the lifting process of coal dust was simulated. When an explosion occurred due to great mixture of gas and air, the maximum explosion pressure appeared in the neighborhood of the explosion source point. Before it propagated to the tunnel of the deposited coal dust, the maximum explosion pressure appeared to be in declining trend. Part of the energy was lost in the process of raising the deposited coal dust through a shock wave, so the maximum explosion pressure was smallest on the foreside of the deposited coal dust sector. On the deposited coal dust sector, the explosion pressure rapidly increased and dropped off after achieving the largest peak value. Because of coal dust participation in the explosion, the flame velocity rose rapidly on the deposited coal dust and achieved a basic stable value; coal dust was ignited to explode by initial laminar flame, and the laminar flame transformed into turbulent flame. The turbulence transformed the flame fold into a funnel shape and the shock wave interacted with the flame, so the combustion rate rose and the pressure wave was further enhanced. The regeneration mechanism between the flame combustion rate and the aerodynamic flowing structure achieved the final critical state for forming the detonation. Supported by the National Basic Research Program (973) (2005CB221506); National Natural Science Foundation of Chongqing (CSTC, 2007BA6018); National Key Technology R&D Program (2006ABK03B04)