【摘要】：煤礦開采是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，，瓦斯爆炸是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要因素。我國的大多數(shù)礦井屬于高瓦斯礦井，且由于受地質(zhì)條件限制及生產(chǎn)需要，礦井設計和布置結(jié)構復雜，所以，瓦斯爆炸的形成和發(fā)展過程中會受到眾多復雜結(jié)構和復雜條件等因素的影響，同時爆炸所表現(xiàn)出的特征也呈現(xiàn)復雜性和特殊性，為煤礦瓦斯爆炸防治增加了難度。因此，探索煤礦各種復雜結(jié)構及復雜條件下瓦斯爆炸的特征及成因，成為有效防治煤礦瓦斯爆炸的關鍵。針對這一實際問題，綜合運用燃燒爆炸學、化學反應動力學、流體力學、工程力學等多學科知識，進行了620次管道模擬實驗，分別拍攝了關于爆炸火焰?zhèn)鞑サ母咚贁z影50個、高速紋影80個，同時運用多種方法對煤礦中存在的幾種復雜結(jié)構及其復雜條件下的瓦斯爆炸作用機制進行了對比分析研究，得出了以下創(chuàng)新性的成果。 （1）研究網(wǎng)格狀障礙物對瓦斯爆炸的影響 通過對幾種網(wǎng)格狀障礙物對比研究發(fā)現(xiàn)，火焰通過圓孔障礙物時，相對方孔障礙物，形成較小的火焰速度和爆炸壓力，這是爆炸擴張和流體流動總是試圖保持最小體積即球形決定了圓孔易于火焰擴張通過的結(jié)果；當網(wǎng)格障礙物的小孔尺寸小于火焰的臨界熄爆直徑，甚至小于臨界安全間隙時，火焰經(jīng)過障礙物會發(fā)生熄滅，但過瓦斯感應期后，在小孔另一側(cè)會發(fā)生復燃。同時，由于氣流從小孔噴出及復燃延遲相對較慢，而爆炸過程相對較快，導致氣流穿過障礙物后會發(fā)生一連串的小爆炸，而且網(wǎng)孔越細，小爆炸愈多。由于氣流通過網(wǎng)格障礙物產(chǎn)生噴射沖擊作用，同時在障礙物本身的梳理擾動作用下，致使產(chǎn)生強烈湍流，火焰速度劇增，壓力驟升。 從高速攝影和高速紋影圖像看，火焰通過障礙物或過障礙物雖熄滅但重燃后，由于障礙物形狀不同，火焰形狀嚴重分化，火焰前鋒或因浮力作用上揚、或因氣流濃度增大而下垂，同時很快分化形成tulip結(jié)構。 （2）模擬研究礦井風門、密閉墻等對瓦斯爆炸的影響 通過模擬實驗結(jié)果看，當爆炸突破薄膜時，火焰速度和壓力暫時下降，能量有所損失，但會因預壓、預熱作用產(chǎn)生更大的激波和高熱，極大地提高爆炸壓力和火焰速度。薄膜破裂會因火焰?zhèn)鞑ヒ稹爱惖囟伪ā�，還會反沖逆襲引起“原地二次爆炸”。此外，通過綜合幾種障礙物來看，薄膜障礙物對爆炸的激勵作用最大、最強，進一步說明了加固相關設施的必要性和重要性。 （3）瓦斯爆炸對礦井硐室的影響 通過運用不同內(nèi)徑的管道模擬瓦斯爆炸對礦井硐室的影響，發(fā)現(xiàn)無論在硐室模擬管道開口或閉口但易被突破的的情況下，內(nèi)部瓦斯爆炸會產(chǎn)生遠大于主干管道的壓力和壓力上升速度，并產(chǎn)生強力回沖現(xiàn)象，造成二次破壞或形成二次爆炸點火源。另外，模擬硐室門窗出現(xiàn)小縫隙或孔洞的情況下，火焰經(jīng)過時會出現(xiàn)熄滅、復燃現(xiàn)象，同時回沖過程中再次出現(xiàn)熄滅、復燃現(xiàn)象，這種反復激勵作用，會導致更大的爆炸力。所以硐室及其門窗等要從強度、材料、密封性等諸方面周密設計制作，隔斷熱量和火焰?zhèn)魅腠鲜覂?nèi)部。 （4）通過實驗和流體力學理論模擬研究巷道各種瓦斯填充情況下，拐彎結(jié)構對瓦斯爆炸的影響 隨著拐彎內(nèi)折角度增大，主干管道段壓力明顯有增大的趨勢，而經(jīng)過拐彎后的火焰速度和壓力衰減呈加劇趨勢，當內(nèi)折角度增大到一定程度，可發(fā)生局部熄滅或完全熄滅，造成火焰速度和壓力衰減更加加劇。此外，拐彎阻力造成的能量損失以及開口處的稀疏波影響也是導致火焰速度和壓力衰減的重要原因。 一般在直管道中，開口狀況下60%以上的瓦斯填充率產(chǎn)生的爆炸壓力和火焰速度與管道全充滿瓦斯時產(chǎn)生的壓力和火焰速度基本一樣。但在拐彎管道中，激波反射形成回沖激波，大大抑制火焰速度，并使管道內(nèi)壓強疊加增大，同時，回沖激波使直管道前段的空氣回沖與前行的瓦斯混合稀釋，使瓦斯燃燒受到更大影響，火焰速度進一步下降，由此造成壓力相對有所下降。 當拐彎前火焰速度為超聲速時，經(jīng)過拐彎后，凹壁側(cè)的火焰速度小于凸壁側(cè)的火焰速度，而凹壁側(cè)的壓力大于凸壁側(cè)的壓力；在拐彎前，管道上側(cè)壓力大于下側(cè)壓力。當拐彎前火焰速度為亞聲速，火焰速度和壓力變化規(guī)律與超聲速情況下的結(jié)論正相反。 本研究成果將進一步豐富瓦斯爆炸理論，為煤礦巷道結(jié)構及設施的布置提供有益的啟示和借鑒，對煤礦復雜結(jié)構及復雜條件下的瓦斯爆炸防治發(fā)揮指導作用。 根據(jù)本研究成果發(fā)表相關論文9篇，其中SCI2篇，EI源刊3篇，國際會議論文3篇，中文核心期刊1篇。
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【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TD712

【參考文獻】

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本文編號：2323819