矿井瓦斯爆炸高速气流的破坏和伤害特性研究

针对煤矿瓦斯爆炸事故频发现状,基于爆炸动力学、流体动力学理论对巷道受限空间瓦斯爆炸冲击波波阵面后高速气流的传播特性进行分析,建立高速气流压力和速度关系的数学模型。结合在实验巷道中瓦斯爆炸高速气流压力实验数据,拟合瓦斯爆炸高速气流速度和传播距离的计算公式,其结果表明,井下瓦斯爆炸事故高速气流的传播速度随传播距离的增加而减小。依据我国陆地地面风力等级划分标准比照可得瓦斯爆炸高速气流的等级为飓风级,对井下人员伤害巨大。该研究成果为控制和预防瓦斯爆炸破坏和伤害事故扩大及事故应急救援提供了理论依据。     

煤与瓦斯突出冲击波及瓦斯气流所致伤害研究

为揭示煤与瓦斯突出过程中冲击波及瓦斯气流传播特性,针对这种突出做功随瓦斯压力、煤的普氏系数和煤的放散初速度变化的特征,运用气体动力学理论,建立冲击波超压、冲击瓦斯流速度与传播距离以及煤层瓦斯压力等参数的关系,计算不同超压下瓦斯气流传播伤害的范围。理论计算与现场测试结果表明,突出冲击波属惰性弱冲击波;波阵面上的超压传播伤害距离与突出时瓦斯膨胀的强度、巷道断面及巷道壁面的摩擦力和局部阻力等因素有关;冲击产生的高压瓦斯气流是造成巷道内大量人员窒息伤亡的主要诱因;突出能量瞬间释放没有补给,冲击波及瓦斯气流会在巷道阻力等因素作用下迅速衰减。     

障碍物对瓦斯爆炸冲击波影响研究

为研究障碍物对瓦斯爆炸冲击波传播规律的影响,利用水平管道式气体——粉尘爆炸实验装置,测试并分析障碍物数量、尺寸和壁面粗糙程度对瓦斯爆炸冲击波超压、冲击波传播规律的影响。结果表明:障碍物对瓦斯爆炸过程中冲击波传播规律具有重要影响。障碍物存在时,改变了爆炸冲击波的传播规律,提高了冲击波超压的最大峰值压力,且随着障碍物数量和尺寸的增加,这种激励作用越明显。随着壁面粗糙程度的增大,瓦斯爆炸冲击波超压明显增大。研究结果对井下巷道瓦斯爆炸冲击波的防治具有一定的指导意义。     

H型通风巷道瓦斯爆炸及泄爆过程模拟研究

为探究在H型巷道中瓦斯爆炸及泄爆过程中压力及风流流态的变化,运用Fluent对瓦斯爆炸冲击波破坏巷道正常通风的过程进行仿真模拟;对比分析爆炸前后巷道内CO2摩尔分数、温度及流体的运动方式,得到爆炸冲击波在巷道内的传播特征。研究结果表明:爆炸冲击波经巷道壁面反射后与正向冲击波叠加,增大了叠加区域的压力值;爆炸冲击波改变了联络巷内风流流动状态,使联络巷内气流由双涡旋模式向单涡旋模式变化;泄爆过程中瓦斯引爆区一侧巷道泄爆能力较大,爆炸产生的大量冲击波沿泄爆能力较大的巷道排出;爆炸结束后巷道能够恢复正常通风。     

高海拔矿井掘进巷道瓦斯爆炸火焰传播规律数值模拟*

为研究高海拔矿井瓦斯爆炸火焰传播规律，运用数值模拟方法，建立矿井掘进巷道瓦斯气体爆炸数学及物理模型，并对海拔高度为0，1 000，2 000，3 000，4 000 m时的爆炸火焰传播速度、温度和冲击波压力进行研究。结果表明:瓦斯浓度和聚集体积量一定的掘进巷道发生瓦斯爆炸时，随着海拔高度的升高，火焰传播速度增大，且海拔每升高1 000 m，瓦斯气体聚集区和非聚集区的平均火焰传播速度分别增大4.7%和1.9%，掘进巷道内同一位置受到的瓦斯爆炸火焰最高冲击波压力随着海拔高度增加而显著降低，且呈二次函数关系，达到最大冲击波压力和最高火焰温度的时间缩短，最高爆炸火焰温度受海拔高度的影响较小。     

基于AUTODYN、LS-DYNA的救生舱抗爆仿真试验

为了减少矿用可移动式救生舱抗瓦斯爆炸能力物理实验室的建设费用、试验成本,缩短试验周期,用AUTODYN模拟矿井瓦斯在巷道内的冲击压力波传播,用LS-DYNA模拟救生舱在冲击波超压作用下的动态响应,获得了作用时间为300 ms、救生舱迎爆面最大超压为0.6 MPa时,冲击压力波传播到救生舱各舱段相应基本单元面上的超压;将模拟所得超压作用到救生舱上,获得了在巷道内受瓦斯爆炸影响的救生舱的应力历程和变形历程。仿真结果表明,救生舱的强度、刚度和密封等满足标准要求。     

瓦斯爆炸传播过程中矿车激励效应的实验研究

为了分析矿车在矿井瓦斯爆炸传播过程中的激励效应,模拟井下工作环境,构建了实验管道,按照比例建造了矿车模型,分别设定一个矿车和三个矿车链接两种实验工况进行试验。根据冲击波传播过程中激励效应的形成机制,以爆炸传播过程中火焰和冲击波波阵面变化测试为主要测试目标,采用激光纹影的测试方法,分别观测了两种工况条件下下矿车区域附近爆炸冲击波畸变情况,捕获了冲击波经过矿车附近时,冲击波变化特征。根据试验观测,当冲击波经过障碍物附近时,波阵面明显发生畸变,而当三个矿车存在时,火焰出现了回流和绕流现象,燃烧强度和速度都明显增加,这一实验结果一方面证实了矿车对瓦斯爆炸存在明显的激励效应,同时指出矿车数量多,激励效应会更强。本文研究结果对瓦斯爆炸事故阻爆、隔爆技术开发和事故调查有一定的指导意义。     

不同类型管道内瓦斯爆炸冲击波传播试验研究

为探究不同类型管道内瓦斯爆炸冲击波传播规律,利用L型、T型和十字型试验管道模拟井下巷道结构,采用瓦斯燃烧爆炸测试系统进行瓦斯爆炸模拟试验,监测管道内不同位置的压力值,研究不同类型管道内瓦斯爆炸冲击波在转弯和分岔结构前后的压力变化规律。试验发现:L型管道转弯处外侧管壁爆炸冲击波压力峰值最高;T型和十字型管道的分岔结构可以降低L型管道转弯处的压力峰值,且T型分岔结构的降低效果更好;L型、T型和十字型管道对冲击波压力的衰减效果依次增强。     

爆炸空气冲击波在巷道转弯处的传播特性

为了探索爆炸空气冲击波在巷道内的传播规律,进行了数值计算和理论分析,讨论了爆炸冲击波通过45°弯曲巷道后的压力变化过程.研究结果表明: 爆炸空气冲击波通过45°弯曲巷道后的压力分布复杂,空气冲击波逐渐恢复为平面波需经过4倍等效巷道直径的距离传播.在该4倍等效距离内,冲击波反射叠加,在巷道外侧壁面Mach反射点取得超压最大值,恢复平面波以后超压随距离呈单调衰减.     

煤矿长壁工作面瓦斯爆炸全尺寸模拟

为丰富煤矿事故调查内容和有效应用矿井阻隔爆技术,利用气体爆炸数值模拟软件FLACS建立原型尺度的采煤工作面巷道模型进行数值模拟,并结合事故调查资料,研究瓦斯爆炸火焰、冲击波超压和动压在直巷、转角、分叉等巷道结构中的传播规律和破坏特征。结果显示:巷道分叉提供的自由空间可显著限制爆炸火焰传播;巷道分叉及转角能有效降低冲击波超压;冲击波动压气流速度衰减在巷道分叉处较为明显,但对直巷和转角不敏感;携残片和毒烟的动压高速气流是灾区远场的主要致灾因子。定量的数值仿真结果对认识矿井原型尺度下瓦斯爆炸传播规律、再现事故场景、优化阻隔爆设施布置有一定借鉴意义。     

爆炸冲击波及高温耦合引起瓦斯二次爆炸特性研究

在煤矿安全事故中,破坏程度最严重的事故之一就是瓦斯爆炸,而瓦斯爆炸冲击波及火焰锋面可能会二次点爆其他位置积聚瓦斯,加速火焰锋面及冲击波传播,并能产生更高的超压,造成更大的人员伤亡及财产损失。借助详细反应机理GRI Mech 3.0,基于开源化学动力学软件Cantera,研究冲击波强度、瓦斯体积分数和冲击波及高温耦合条件下对瓦斯爆炸特性的影响。结果显示,冲击波诱导瓦斯爆炸中,点火延迟时间随着瓦斯体积分数的增大而出现增大现象,随冲击波强度的增大而降低;同时分析了二氧化碳、一氧化碳和一氧化氮致害物质的浓度随瓦斯体积分数、冲击波强度和冲击波及高温耦合条件下的变化情况。     

挡气板对综合管廊燃气舱爆炸冲击波传播规律影响研究

为研究挡气板对综合管廊燃气舱爆炸冲击波传播影响规律,采用Fluent模拟软件,研究三维燃气舱模型中不同挡气板间距下燃气爆炸后超压变化规律,探究不同间距挡气板对抑制燃气舱内爆炸冲击波传播效果.结果表明:挡气板对燃气舱中部超压影响较小,对顶部超压变化影响较大,导致燃气舱顶部挡气板处超压峰值激增;当气体填充区长20 m,挡气...     

大尺寸通风管网中障碍物对瓦斯爆炸冲击波传播特性影响的数值模拟

为了研究大尺寸通风管网中的瓦斯爆炸传播规律,采用数值模拟方法,针对具有不同障碍物数量的大尺寸通风管网模型,利用Fluent分析管网中各个监测点的超压变化曲线以及障碍物附近的速度矢量图,分析爆炸冲击波传播规律。研究结果表明:初期瓦斯爆炸后,障碍物的存在改变了通风管网内未燃瓦斯的积聚区域;高温和高压发生耦合作用,在氧气相对充足的进气管道中形成二次爆炸;障碍物与火焰波以及管网自身结构变化等多种因素形成复合作用,改变了通风管网内瓦斯爆炸冲击波的传播路径和叠加区域的位置;无障碍物时高压区域出现在进气管道中,有障碍物时高压区域出现在中部直管与斜管的交汇处附近,且数值相对较大。     

开敞空间可燃气云爆炸冲击波超压及灾害动力响应研究评述

为了进一步梳理和分析开敞空间可燃云爆炸冲击波超压传播规律及灾害动力响应方面的各项研究成果,推进可燃气体爆炸安全防控,减少人员伤亡和经济损失。在分析现有研究的基础上,总结开敞空间可燃气云爆炸冲击波超压传播规律及灾害动力响应研究等方面存在的不足,提出开敞空间多元混合气体爆炸冲击波超压传播规律研究、多影响参数下可燃气云爆炸冲击波超压传播规律定量分析、基于可燃气云爆炸冲击波超压作用下的承载体动力响应等未来研究的关键技术问题。     

Coupling effects of foam ceramics on the flame and shock wave of gas explosion

The coupling of gas explosion flame and shock wave is analyzed. In the gas explosion process, shock wave is affected by the flame directly, and shock wave also induces the flame. Inhibiting explosion can be achieved by the interference between the flame and shock wave propagation. If the coupling effects can be damaged, the adverse effects caused by the explosion should be mitigated and controlled. According to the structure characteristics of foam ceramics, the coupling effects mechanism of ceramic foam on gas explosion flame and shock wave is researched. When the explosion goes through the structure of foam ceramics, the flame can be quenched and the shock wave be attenuated. After the flame is quenched, the supply of precursor shock wave energy is cut off. Due to lack of energy supply, the destructive effects of blast wave will be reduced effectively. Coupling effects of the flame and shock wave can be damaged by the special structure of foam ceramics. Studies suggest that a certain function to represent the structure characteristics of foam ceramics must exist. For a certain material of foam ceramics, the sure porosity δ and the pore diameter d also can be get, which is the key to research and develop foam ceramic suppression technology of gas explosion.     

Influence of laneway support spacing on methane/air explosion shock wave

A laneway support system provides an available way to solve problems related to ground movements in underground coal mines, but also poses another potential hazard. Once a methane/air explosion occurs in a laneway, inappropriate design parameters of the support system, especially the support spacing, likely have a negative influence on explosion disaster effects. The commercial software package AutoReaGas, a computational fluid dynamics code suitable for gas explosions, was used to carry out the numerical investigation for the methane/air explosion and blast process in a straight laneway with different support spacing. The validity of the numerical method was verified by the methane/air explosion experiment in a steel tube. Laneway supports can promote the development of turbulence and explosion, and also inhibit the propagation of flame and shock wave. For the design parameters in actual laneway projects, the fluid dynamic drag due to the laneway support plays a predominant role in a methane/air explosion. There is an uneven distribution of the peak overpressure on the same cross section in the laneway, and the largest overpressure is near the laneway walls. Different support spacing can cause obvious differences for the distributions of the shock wave overpressure and impulse. Under comparable conditions, the greater destructive effects of explosion shock wave are seen for the laneway support system with larger spacing. The results presented in this work provide a theoretical basis for the optimized design of the support system in coal laneways and the related safety assessments.     

可燃气体爆炸破坏效应的试验研究

借助高速摄像机及ProAnalyst软件,研究可燃气体体积分数和障碍物对可燃气体爆炸破坏力的影响。测定不同体积分数下的甲烷-空气预混气体爆炸冲击波超压,和爆炸火焰波在有无乒乓球方向传播的平均速度。试验结果表明:超压和平均速度均随着甲烷体积分数的增加呈现先增大后减小的变化趋势,其最大值均出现在甲烷体积分数为10%～11%之间;同一体积分数下的甲烷-空气预混气体爆炸火焰波在有乒乓球方向传播的平均速度比没有乒乓球方向传播的平均速度大。根据试验结果,推导出可燃气体爆炸冲击波超压和爆炸火焰波传播平均速度与可燃气体体积分数之间的函数关系,并得出障碍物对爆炸火焰波传播的加速作用随着体积分数的增加呈现先加强后减弱的变化趋势。     

A methodology to predict shock overpressure decay in a tunnel produced by a premixed methane/air explosion

A methodology for estimating the blast wave overpressure decay in air produced by a gas explosion in a closed-ended tunnel is proposed based on numerical simulations. The influence of the tunnel wall roughness is taken into account in studying a methane/air mixture explosion and the subsequent propagation of the resulting shock wave in air. The pressure time-history is obtained at different axial locations in the tunnel outside the methane/air mixture. If the shock overpressure at two, or more locations, is known, the value at other locations can be determined according to a simple power law. The study demonstrates the accuracy of the proposed methodology to estimate the overpressure change with distance for shock waves in air produced by methane/air mixture explosions. The methodology is applied to experimental data in order to validate the approach.     

不同含水率煤尘在瓦斯爆炸诱导下爆炸传播规律研究

为了探究不同含水率煤尘在瓦斯爆炸诱导下的爆炸传播规律,利用自行搭建的直管瓦斯爆炸诱导煤尘二次爆炸实验系统,从冲击波压力和火焰传播速度2个方面,研究了不同含水率沉积煤尘在瓦斯爆炸诱导下的爆炸传播规律和原因。研究结果表明:当煤尘含水率小于40%时,管道内沉积煤尘会在瓦斯爆炸诱导下产生二次爆炸,同时沉积煤尘总量一定时,沉积煤尘二次爆炸产生的冲击波超压峰值和火焰传播速度随着煤尘含水率的增加先增大后减小;当沉积煤尘含水率为20% 时,煤尘二次爆炸产生的冲击波超压峰值、火焰传播速度峰值达到最大值,分别为1.657 MPa和468.060 m/s;当沉积煤尘含水率大于40%时,沉积煤尘无法产生二次爆炸,此时爆炸产生的威力小于单一瓦斯爆炸,火焰传播速度衰减较无煤尘的瓦斯爆炸更快,沉积煤尘起到抑制瓦斯爆炸传播的作用。研究结果可以为防治煤尘二次爆炸提供理论依据。