瓦斯煤尘爆炸气/固态产物特征分析及应用基础研究

瓦斯煤尘爆炸灾害严重影响我国煤矿的安全和高效生产，同时造成了巨大的经济损失和人员伤亡。现有的对瓦斯煤尘爆炸灾害事故特征参数的研究，主要集中在瓦斯爆炸参数、传播及影响因素，对瓦斯煤尘爆炸后气固体残留物的成份及变化规律研究较少，不能满足瓦斯煤尘爆炸事故调查分析的要求。本项目通过实验测试并分析不同瓦斯浓度、不同煤质、不同煤尘浓度等瓦斯煤尘混合爆炸过程中主要特征参数的相互影响及关联效应，提取爆炸后气态和固态残留物，分析研究气、固态残留物的成份特征和变化规律及与爆炸特征参数之间的关系；分析气、固体残留物的产生机制，为深入研究瓦斯煤尘爆炸事故演化过程及瓦斯煤尘爆炸事故调查物证分析技术提供基础理论依据；这对于进一步揭示瓦斯、煤尘爆炸的细观机理、预防瓦斯煤尘爆炸事故发生具有深远的理论意义和应用价值。

瓦斯煤尘爆炸事故影响矿井安全生产，目前对瓦斯煤尘爆炸灾害事故特征参数的研究不能满足瓦斯煤尘爆炸事故调查分析的要求。通过建立瓦斯煤尘爆炸实验系统，研究了不同条件下瓦斯、瓦斯煤尘、煤尘爆炸特性参数的特征及其耦合效应，采用气相色谱仪，扫描电镜，FT-IR仪及工业分析仪等分析了爆炸气、固残留物的特征规律及爆炸特性参数与爆炸残留物之间的关联效应，揭示了爆炸气、固残留物产生的机制。研究结果为进一步揭示瓦斯煤尘爆炸事故演化过程及事故物证分析技术提供重要的数据支撑和理论基础。主要研究成果如下：.（1）设计并建立完善了现有的瓦斯煤尘爆炸实验系统（20升球形爆炸装置、水平管道爆炸系统），增设喷（气）粉装置、可调控点火系统、高精度、高采样率的动态数据分析系统及气、固残留物收集系统。对实验系统进行了标定，并制定了瓦斯、瓦斯煤尘、煤尘爆炸的实验方案。.（2）研究发现了瓦斯、煤尘、瓦斯煤尘爆炸特性参数（爆炸压力，火焰传播速度及火焰温度）随测点长径比的变化规律，得出了瓦斯浓度与爆炸特征参数的关系；发现了爆炸最大压力及爆炸最大压力上升速率与煤尘浓度，煤尘粒径及点火能量之间的规律。近400组大管状煤尘爆炸性测试结果表明：挥发分与火焰长度近似呈指数函数关系，火焰长度与抑制煤尘爆炸最低岩粉量近似呈对数函数关系。对管道瓦斯爆炸模拟结果表明，火焰向前传播时火焰逐渐呈现“凹”形，出现Tulip火焰形状；在巷道拐弯处，爆炸压力存在负值，然后出现第二次的峰值。.（3）运用气相色谱仪对瓦斯、煤尘爆炸气态残留物成分进行了分析检测，得出了不同浓度瓦斯、煤尘爆炸后残留气体的成分特征及变化规律，发现了煤尘爆炸后都会产生C2H4、C2H6和C3H8等气体；通过水平管道爆炸系统得出了瓦斯煤尘爆炸气态残留物成分的体积分数沿水平管道的时空分布规律。.（4）采用工业分析、扫描电镜和傅里叶变换红外光谱仪等分析了煤尘爆炸固态残留物的特征。煤尘爆炸的最大爆炸压力、最大压力上升速率等越大，煤尘爆炸固态残留物的灰分含量越高，挥发分含量越低；与原煤相比，残留物中灰分增加，挥发分减少；得出了固态残留物的微观结构特征和表面元素的分布规律；发现了原煤样和爆炸后固态残留物中化学结构的特征峰强度存在明显差异。.（5）煤尘爆炸过程中颗粒的蒸发、冷凝、融合、膨胀及破碎等作用产生了残球形、类原煤形和近似球形的固态残留物；煤尘热解过程析出的挥发分产物越多，爆炸反