煤尘爆炸的研究现状及发展趋势

煤尘爆炸是矿井热动力主要灾害形式之一。为明确煤尘爆炸的研究情况,防止煤尘爆炸事故的发生,总结了国内外对煤尘爆炸机理、爆炸特性、爆炸传播规律,以及煤尘爆炸抑制技术在理论、实验和数值模拟方面的研究现状,并对现阶段的煤尘爆炸研究提出了展望。分析表明:针对煤尘爆炸机理的研究处于热力学阶段,针对爆炸特性、传播规律的研究停留在宏观特征参数方面,抑爆措施有待改进,需加强对煤尘爆炸自主知识产权数值模拟软件的研发。     

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。     

抑制瓦斯煤尘爆炸传播的主动喷粉抑爆技术

通过阐述主动喷粉抑爆技术的技术原理,分析总结瓦斯煤尘爆炸传播规律,认为主动喷粉抑爆技术的应用效果主要与抑爆粉剂浓度、主动喷粉抑爆技术装备动作时间及瓦斯煤尘爆炸传播规律有关;并通过大型地下试验巷道,模拟实际应用主动喷粉抑爆技术及装备抑制实际发生的瓦斯煤尘爆炸传播试验,分析了主动喷粉抑爆技术对爆炸火焰及冲击波压力的抑爆效果,验证了主动喷粉抑爆技术能够在爆炸初期抑制瓦斯煤尘爆炸传播。     

瓦斯煤尘爆炸研究现状及发展趋势

为了明确瓦斯煤尘爆炸的研究情况,以便更好地服务于煤矿安全生产,对瓦斯煤尘爆炸的研究现状进行了分析。分别从瓦斯煤尘爆炸机理、爆炸特性、爆炸传播规律几个方面,对其理论研究、实验研究和数值模拟研究的进展进行了综合论述。在此基础上,提出了该领域未来的发展趋势。     

瓦斯抑爆材料及机理研究进展与发展趋势

为了有效控制和降低瓦斯爆炸事故带来的破坏效应,不断完善抑爆理论体系,在调研国内外抑制瓦斯爆炸相关文献的基础上,按抑爆材料种类的不同,分别从气体、水雾、粉体以及多相复合抑爆4个方面总结和分析了近年来瓦斯抑爆材料和抑爆机理的研究进展,并提出未来的创新发展趋势。大部分研究通过试验研究对比分析各类材料抑爆效果的差异性,结合最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、爆炸极限、爆炸威力指数、火焰传播、火焰温度等特征参数的变化规律,基于理论分析和数值模拟解释其爆炸抑制机理,主要基于物理惰化可燃气体及氧气浓度、冷却或吸收爆炸区域热量、隔绝热传递、消除甲烷爆炸支链反应产生的H、O、OH等关键自由基等进行瓦斯抑爆机理分析,发现能有效探明抑爆材料影响瓦斯爆炸反应微观作用机理的试验检测手段明显不足。多相态材料复合抑爆是近年来研究的热点,发现了多种抑爆材料联合使用时会出现协同增效现象,其抑爆效果明显比单一材料使用时抑爆效果好,但其协同抑爆机理尚未揭示清楚,有待深入研究。多种材料的组合抑爆规律、多种材料协同抑爆机理的精准揭示、使用先进的试验设备检测反应微观过程、高效环保的新材料抑爆剂研发等将是未来瓦斯抑爆研究的重点。     

不同总量沉积煤尘在瓦斯爆炸诱导下的传播规律模拟研究

应用连续相、颗粒相计算方法对瓦斯爆炸诱导不同量沉积煤尘参与爆炸进行数值模拟,对煤尘参与爆炸的行为机理进行了研究。结合瓦斯爆炸传播的两波三区结构理论,以及冲击气流对诱导煤尘颗粒飞扬、点火过程,分析了不同总量煤尘条件下的爆炸火焰发生情况及其作用机理,并对不同模式下煤尘区的冲击波和火焰传播的规律进行定量讨论,为认清瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸的机理,有效预防瓦斯煤尘爆炸提供理论基础。     

我国煤矿瓦斯爆炸抑爆减灾技术的研究进展及发展趋势

瓦斯爆炸严重威胁着矿井安全开采,瓦斯爆炸防治一直是煤矿安全工作的重点之一。我国相关研究机构、学者在瓦斯爆炸防治领域开展了较广泛的研究,开发了一系列的瓦斯爆炸抑爆减灾技术及装备。从文献研究的角度出发,从基础研究、材料开发、装备研制3个方面对我国瓦斯抑爆减灾技术及装备的研究现状进行了综述与讨论。瓦斯爆炸及抑爆方面,国内学者主要基于实验手段,采用宏观的参数(如最大爆炸压力和最大压力上升速率等)表征瓦斯爆炸在障碍物激励或者抑爆剂抑制作用下的最终结果,缺乏对瓦斯爆炸过程中详细的爆炸或抑制过程的理论认识。瓦斯爆炸火焰传播过程中爆炸火焰-湍流-压力波的多场耦合作用下的火焰传播理论仍需完善,抑爆过程中抑爆介质对瓦斯爆炸反应的详细作用机制仍需明确。抑爆装置研制方面,近年发生的重(特)大瓦斯爆炸事故表明现有的瓦斯抑爆、控爆装备较难在矿井发生瓦斯爆炸时对瓦斯爆炸火焰实现精准探测、快速响应和高效抑爆,致使瓦斯爆炸抑爆装备在防控瓦斯爆炸过程中作用较为有限。对于瓦斯爆炸抑爆、控爆装置的配置方式及如何高效的实现抑爆、控爆功能仍需要进一步研究。减灾装备研制方面,国内学者主要考虑改变风井防爆门的结构以实现快速开启、复位功能。在这些设计中缺乏对风井防爆门在瞬时(ms)冲击作用下的破坏动态力学特征与动作响应特征的考虑。在未来,瓦斯爆炸抑爆减灾技术体系的研究以瓦斯爆炸机理及火焰传播特性理论为基础,打破以实验为主的研究手段,发展数值模拟理论模型,深入基础理论的研究;以瓦斯抑爆介质及其抑爆机理为核心,探寻具有物理和化学抑爆耦合作用机制的高效复合抑爆材料;以瓦斯抑爆装备和减灾技术为保障,发展兼顾快速、高精确度、高稳定性的瓦斯爆炸火焰探测技术,优化各抑爆、控爆设备的配置方式,研制具有抗冲击、多次泄压、快速复位、锁扣密封及自动控制功能的主-备一体化智能风井防爆门。     

矿井瓦斯煤尘爆炸传播实验研究

煤矿中瓦斯爆炸容易引起煤尘参与爆炸,且掘进工作面是瓦斯煤尘爆炸事故的多发区域。在与实际矿井环境、几何条件相似的大型地下试验巷道中,进行了独头巷道瓦斯煤尘爆炸火焰、冲击波传播试验。试验中,瓦斯煤尘爆炸火焰到达各测点的时间与测点距离呈对数函数关系;爆炸火焰的传播速度在铺有煤尘段迅速上升,过了煤尘段开始下降;火焰区长度约为煤尘区长度的2倍;爆炸冲击波压力在铺有煤尘段前端降到最低值,然后迅速上升到最大值后下降。实验结论为煤矿隔抑爆装置的研制和安装提供了理论基础。瓦斯煤尘爆炸与单纯瓦斯爆炸相比,最大爆炸压力峰值大,火焰传播速度快;瓦斯煤尘爆炸的威力和破坏程度,要远远大于单纯瓦斯爆炸。因此,在煤矿实施防尘降尘技术,具有十分重要的意义。     

瓦斯爆炸诱导沉积煤尘参与爆炸作用模式

应用连续相、颗粒相计算方法对瓦斯爆炸诱导沉积煤尘参与爆炸的传播过程进行数值模拟,并以此对爆炸作用模式及其异同进行研究。根据模拟结果,从不同煤尘云点火机理在爆炸过程中所起主导作用将爆炸模式分别确定为沉积煤尘扬尘爆炸和沉积煤尘火焰燃烧。进一步分析表明：不同爆炸作用模式显著改变冲击波和火焰传播规律,影响小规模诱导火焰区的长度...     

煤尘爆炸传播特性的实验研究

用实验方法,在长1.5 m、直径0.3 m的爆炸腔体与80 mm×80 mm方形断面管道对接的实验装置中进行煤尘爆炸传播特性研究。研究结果表明,爆炸火焰区传播距离远大于原始煤尘积聚区长度,爆炸传播过程中各测点冲击波压力出现先“升”后“降”变化,冲击气流衰减变化与爆炸煤尘量和断面有关,爆炸毒害气体并非一开始就扩散传播,而是在动压作用下冲击一段距离后开始扩散,可能存在膨胀极限区。     

Research on numerical emulator of mine methane and coal dust explosion

The mathematical physics model of mine methane and coal dust explosion propagation was established in the research, by using continuous phase, combustion, particulate equations of mathematical physics. Based upon the data from mine methane drainage roadway explosion, and mine methane and coal dust explosion propagation experimental studies, the numerical emulator system of mine methane and coal dust explosion software was developed by using prevalent flow simulation platform, which can be used to simulate the explosion accidents process effectively. In addition, the system can also be used to determine whether coal dust involved in the explosion, and to simulate accurately the transition from deflagration to detonation in methane explosion, propagation velocity of explosion shock, attenuation pattern, and affected area of explosion.     

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)     

Experiment study on the propagation laws of gas and coal dust explosion in coal mine

The experiment of gas and coal dust explosion propagation in a single laneway was carried out in a large experimental roadway that is nearly the same with actual environment and geometry conditions. In the experiment, the time when the gas and coal dust explosion flame reaches test points has a logarithmic function relation with the test point distances. The explosion flame propagation velocity rises rapidly in the foreside of the coal dust segment and comes down after that. The length of the flame area is about 2 times that of the original coal dust accumulation area. Shock wave pressure comes down to the rock bottom in the coal dust segment, then reaches the maximum peak rapidly and comes down. The theoretical basis of the research and assemble of across or explosion is supplied by the experiment conclusion. Compared with gas explosion, the force and destruction degree of gas and coal dust explosion is much larger. Supported by the National Basic Research Program (973) (2005CB221506); the Open Research Fund Program of Shandong University of Science and Technology (MDPC0611)     

基于20 L球形爆炸装置的煤尘爆炸特性研究

采用标准的20 L爆炸球实验装置,研究了3种不同煤质的煤尘及瓦斯煤尘混合物的爆炸特性,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。研究结果显示：不同煤质特性煤尘的爆炸特性存在显著差异,在实验选定的粉尘浓度范围内,煤尘的爆炸超压及超压的上升速率随粉尘浓度基本呈先增加后降低的变化趋势;随着爆炸环境初始压力的增加,显著延长了煤尘析出的可燃性挥发分气体的火焰发展期,使得煤尘的爆炸参数随初始压力均呈现升高的变化规律;煤尘的爆炸特性随混合物中瓦斯气体的含量呈先增加后降低的趋势,初始少量瓦斯气体的加入显著改善与提高了瓦斯煤尘混合物的爆炸特性,降低了瓦斯煤尘混合物的爆炸下限。采用图像处理的方法对煤尘爆炸产物颗粒表面的结构特性进行了半定量分析,获得了产物颗粒表面的孔隙形状因子及其分布。