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。     

瓦斯爆炸波在转弯巷道内传播特征的模拟

通过对淮南矿区某一掘进巷道瓦斯爆炸的数值模拟,得到了转弯巷道内瓦斯爆炸波的传播特征。对煤矿井下转弯巷道瓦斯爆炸波的传播规律的研究,有利于预防、抑制瓦斯爆炸事故发生,对确定爆炸后救灾决策和防灾减灾工作具有重大意义。     

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。     

瓦斯爆炸引起沉积煤尘爆炸传播实验研究

运用井下大型实验巷道对瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸进行实验研究,并对几次实验结果进行对比分析。通过对爆炸压力以及火焰产生、发展、传播过程进行的分析,得出瓦斯爆炸引起沉积煤尘爆炸过程中压力波存在回传现象;在煤尘刚开始参与爆炸处,爆炸超压有一个较长的持续时间;爆炸火焰的传播速度在铺有煤尘段迅速上升,最后有一平缓的上升阶段,过了煤尘段开始下降;火焰区长度约为煤尘区长度的2倍等规律。实验研究发现的规律为有效的预防瓦斯煤尘爆炸事故提供了理论依据。     

瓦斯爆炸事故有毒气体扩散及危险区域分析

针对瓦斯爆炸事故毒气扩散实际情况对高斯烟团模型进行改进,得出了适合井下瓦斯爆炸事故毒气扩散规律的公式,并对公式中的扩散参数进行了修正。按照井下瓦斯爆炸事故频发区的几种典型巷道,拟合了距爆源处大于300m情况下的毒气传播规律公式。依据该公式划分了瓦斯爆炸事故毒气扩散死亡区、重伤区、轻伤区,为瓦斯爆炸事故安全评价提供了理论基础。     

煤矿巷道瓦斯爆炸传播规律及破坏效应分析

井下瓦斯爆炸的影响因素众多,随机性强,分析和研究瓦斯爆炸的传播规律只有通过巷道模拟实验的方法。通过对爆炸过程中爆炸压力、温度、速度等相关参数随时间、空间的变化规律的分析,进一步研究瓦斯爆炸的机理和破坏效应,在煤矿生产过程中采取合适的阻隔防爆技术措施,减少瓦斯爆炸带来的损失。     

巷道截面积突变情况下瓦斯爆炸冲击波传播规律的研究

瓦斯爆炸冲击波传播规律是研究冲击波的破坏和伤害机理的前提及依据,笔者利用流体动力学、爆炸动力学理论对巷道截面积突变情况下瓦斯爆炸冲击波传播规律进行理论分析,建立巷道截面积突变情况下冲击波传播的数学模型,得到了冲击波波阵面压力和其他空气动力学参数的表达式,从而得到冲击波波阵面压力过巷道截面积突变面时的变化规律。研究成果丰富了瓦斯爆炸冲击波传播规律理论,对井下瓦斯爆炸安全评价以及制定防灾减灾措施提供了理论基础。     

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。     

小型管道中瓦斯爆炸火焰传播特性的实验研究

自行设计了内径88mm、壁厚6mm、总长1600mm、点火孔20mm的小型瓦斯爆炸实验管道,结构简单、操作方便,具有可观察性。采用高速摄录分析系统,对不同浓度瓦斯爆炸初期火焰传播特性进行了实验研究。结果表明:瓦斯爆炸初始阶段,火源引爆瓦斯到形成明显的、大强度的火焰传播的时间约为10~30ms;随着瓦斯浓度增大,爆炸感应期逐渐变短;瓦斯爆炸的火焰传播有一个突变过程,瓦斯浓度越大,达到突变的时间越短;当燃烧波在开始移动到5~10倍巷道宽度距离后,便开始明显加速,达到爆燃;当瓦斯爆炸火焰冲出管道时,爆炸火焰速度又一次加快。实验结果验证了该实验台研究瓦斯爆炸是可行的。     

矿井瓦斯煤尘爆炸传播数值模拟研究

基于连续相、燃烧、颗粒相数理方程建立瓦斯煤尘爆炸传播数理模型,并应用连续相、颗粒相计算方法,依据大型巷道瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸传播实验数据,借助普遍应用的流场模拟平台,成功开发瓦斯、煤尘爆炸数值模拟系统。该系统可有效地模拟煤矿瓦斯、煤尘的爆炸事故过程,对瓦斯爆炸的爆燃转爆轰、煤尘是否参与爆炸、爆炸冲击传播速度、衰减规律以及爆炸灾害的波及范围都能进行较准确的模拟。     

受限空间煤尘爆炸毒害气体传播伤害研究

为减少煤矿煤尘爆炸后毒气对人的危害,为煤矿防爆、抑爆和安全评价,以及事故应急救援等提供理论依据,研究了煤尘爆炸后毒气的传播伤害规律。基于质量守恒定律与空气动力学理论,建立煤尘爆炸后风流作用下的毒害气体在受限空间内的数学传播模型,得到巷道内毒气传播的弥散系数,计算出沿爆炸传播方向毒气浓度随距离变化的关系,划分伤害三区并推导出相应的伤害范围计算公式。研究表明:毒气传播的峰值点随风流方向移动,其峰值点浓度逐渐变小。     

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。     

水平管道内障碍物数量对瓦斯爆炸过程的影响研究

为了研究水平管道内障碍物数量对瓦斯爆炸的影响,利用自制的水平管道式气体爆炸试验装置,选用阻塞率为60%的圆环型障碍物,在常温常压下对管道内障碍物数量分别为1片、3片、5片和7片时瓦斯(试验气体为甲烷与空气的混合物,下同)爆炸过程进行试验研究。结果表明:瓦斯的爆炸压力及其上升速率均随障碍物数量的增加呈先增后减的变化规律,而火焰传播速度则随着障碍物数量的增加单调递增,但递增幅度逐渐减小。在密闭置障管道内瓦斯的爆炸压力及其上升速率随测试位置长径比的增大先减小后增大,而火焰传播速度则随测试位置长径比的增大单调递减。     

直线管道煤尘爆炸火焰传播规律的试验研究

为提供煤尘爆炸事故预防和缓解所需的科学依据,对煤尘爆炸火焰传播过程进行试验研究。所用试验装置,其主要部分为直径0.3 m的圆形管道与断面边长为80 mm的方形管道对接形成的一个长2 m的爆炸腔体。在其中共进行9次煤尘爆炸试验。结果表明,煤尘爆炸火焰传播具有速度快,波动大,稳定性较差的特点,火焰区长度远大于扬尘区长度,最大火焰速度和传播距离与煤尘量均不存在正比例关系,但存在一个特定的煤尘质量浓度。在这个特定质量浓度处,最大火焰速度达到最大值。当煤尘质量浓度大于这个特定质量浓度时,火焰传播速度曲线整体下降,暂时缺氧被认为是导致这一情况的重要因素。     

Premixed methane-air deflagrations in a completely adiabatic pipe and the effect of the condition of the pipe wall

A completely adiabatic pipe that is similar to a coal-mine coal or rock roadway was simulated using the computational software AutoReaGas. A partially adiabatic pipe was established using an experimental steel pipe with heat-insulating material installed in the inner wall, and a non-adiabatic pipe was also established using the experimental steel pipe without the heat-insulating material. Premixed methane/air deflagrations were studied in the three types of pipe to reveal the influence of the condition of the pipe wall on gas explosions. The results showed that in the completely adiabatic pipe, the maximum explosion overpressure was dynamic and decreased and increased with increasing distance; however, the flame-propagation speed increased gradually. In the partially adiabatic pipe and the non-adiabatic pipe, the maximum explosion overpressure and flame-propagation speed increased initially and then gradually decreased with increasing distance. The majority of explosion overpressure and flame-propagation speed values at each gauge in the completely adiabatic pipe were larger than those of the partially adiabatic pipe. Both measurements at each gauge in the partially adiabatic pipe were much greater than those of the non-adiabatic pipe. The condition of the pipe wall has a large influence on the maximum explosion overpressure and the flame-propagation speed. In future explosion experiments, heat insulating materials should be installed in the inner wall of steel pipes to obtain data for application to the prevention and control of gas explosions in underground coal mines.     

公共大空间建筑生化恐怖模式和通风技术分析

公共大空间建筑生化恐怖模式主要有制造火灾产生毒性气体、爆炸毒气弹分散毒性物质和人工直接布洒毒性物质。分析表明:火灾烟气受热浮力作用,在建筑物上部出现明显的烟气层,采用自然或机械排烟能有效地减缓或控制烟气层下降;爆炸分散毒性物质,除了爆炸点周边区域外,毒气扩散受热气流诱导,以及浓度差引起的运动;不考虑室内对流气流的影响,人工布洒毒性物质产生的毒性气体,其扩散主要是由浓度差引起的。不同类型恐怖袭击产生的毒性气体受室内对流气流的控制,合适的通风方式能够控制毒性气体的扩散和输运过程。但能否采用某一形式的通风系统兼备防范不同类型的恐怖袭击,需要对通风系统的通风量、气流组织和控制方式做更深入的研究。     

瓦斯爆炸过程中火焰瞬时传播规律研究

在改善后的瓦斯爆炸试验条件下,为了得到任意位置的火焰传播速度,对火焰通过各传感器所处的位置与其对应时间进行统计分析,发现可以用二次抛物线方程来表达火焰传播距离与其对应时间之间的关系,由此推导火焰瞬时传播速度随管道位置变化的关系式,得到管道任意位置及任意时刻的火焰速度计算公式。研究发现:瓦斯爆炸火焰传播运动过程近似于匀加速直线运动过程;当加螺旋环时火焰传播过程接近于匀速直线运动。随着管道长度的不断增大,火焰瞬时速度不断增加,但增加的幅度越来越小,当管道长度达到某值后,火焰速度将趋于某一定值。煤矿井下可根据各点计算得出的火焰速度大小,采用相应的预防措施,减少瓦斯爆炸造成的损失。     

隧道并行输气管道爆炸对邻管的冲击效应分析

针对隧道内输气管道泄漏发生爆炸对相邻管道的潜在威胁,基于泄漏率的求解,得到爆炸气体的扩散分布规律,确定蒸气云爆炸的TNT当量;利用LS-DYNA有限元软件建立隧道并行输气管道爆炸模型,分析在不同的泄漏尺寸、爆心距和风速下,邻管对爆炸冲击的动力学响应。基于峰值振速的经验公式的验证,表明所采用的管隧模型的可行性。结果表明:在内压和爆炸荷载的共同作用下,隧道内管道的等效应力和速度会出现多个峰值,有别于开敞空间的爆炸规律;泄漏尺寸越小、爆心距和风速越大,管道的动力响应越小;相比爆心距和风速,管道的动力响应峰值对泄漏尺寸的变化更敏感。研究成果可为管隧结构在极端情况下的事故预防和维护抢修提供理论指导。     

条形障碍物对瓦斯爆炸特性影响研究

我国煤矿瓦斯爆炸事故不断出现,造成了巨大的人员伤亡和经济损失,在置障条件下研究瓦斯爆炸特性,对预防和减少瓦斯爆炸事故具有重要意义。利用水平管道式爆炸试验装置,研究密闭管道内条形障碍物的数量和阻塞率对管道内瓦斯最大爆炸压力、火焰速度、最大爆炸压力上升速率和爆炸指数的影响以及敞口状态的影响。研究表明:障碍物对瓦斯爆炸具有显著激励作用,管道内瓦斯最大爆炸压力、火焰速度、最大爆炸压力上升速率和爆炸指数均显著增大,随着障碍物数量和阻塞率的增加,激励作用越明显;敞口状态下管道内最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率和爆炸指数均显著减小,火焰持续传播。研究结果对防治煤矿瓦斯爆炸事故提供一定的理论支持。     

障碍物对油气-空气混合气体泄压爆炸火焰传播特性影响

为了研究障碍物对油气泄压爆炸火焰传播特性的影响规律,进行了不同数量障碍物工况下的对比实验,并利用纹影仪和高速摄影仪记录了火焰传播过程,针对障碍物对火焰形态、火焰锋面位置及火焰传播速度的影响规律进行了研究,结果表明:圆柱体障碍物会导致油气泄压爆炸火焰形态产生褶皱和弯曲变形,诱导层流火焰向湍流火焰转变,加速火焰的传播,对油气泄压爆炸火焰的初始传播形态有显著影响;随着障碍物数量的增多,火焰锋面传播距离点火端的最大距离增大,但到达最远距离的时间减少;障碍物能够增强火焰的传播速度,尤其对障碍物下游火焰影响最为显著,随着障碍物数量的增多,火焰传播的最大速度也随之增大,但达到最大火焰传播速度的时间却随之减少;障碍物的存在增大了油气泄压爆炸过程外部爆炸压力,并且随着障碍物数量的增多,外部爆炸压力峰值增长幅度增大。