瓦斯煤尘预混爆炸的火焰传播机理与自由基辐射特性研究

Gas-coal dust explosion accident is one of the most severe disaster in coal mining industry. At the present, the studies concerning flame propagation mechanism of premixed gas and coal dust explosion and the free radicals in the chemical reaction are very limited. So the micro mechanism in flame propagation and the radiation characteristics of free radicals are not fully presented until now. Experiment system of fine structure of premixed gas and coal dust flame in airtight pipeline, as well as advanced measuring techniques like high speed schlieren system, high frequency pressure sensor, micro thermocouple, ion probe and transient spectrum system, are all adopted to do the research. On the condition of changes on four external parameters of gas concentration, dust concentration, dust granularity and dust ranks, we measured the flame propagation process of premixed gas and coal dust explosion, studied the flame dynamics process of the explosion in pipelines, evolvement rules of flame micro structure and radiation characteristic of free radicals. Finally, we found the flame propagation mechanism and the radiation characteristics of free radicals, which is of great significance to gas-coal dust explosion prevention and control.

瓦斯煤尘爆炸是煤炭井工开采中的一类重大灾害。现阶段国内外对瓦斯煤尘预混爆炸的火焰传播机理及爆炸中的化学反应自由基研究得较少，其火焰传播微观机理和自由基辐射特性未得到充分揭示。文中采用“密闭管道式气-粉预混火焰精细结构实验系统”开展系列实验，综合应用高速纹影系统、高频压力传感器、微细热电偶、离子探针、瞬态光谱系统等先进测量技术，针对瓦斯浓度、煤尘浓度、煤尘粒度、煤尘种类四种外部参量不同改变条件下，测量瓦斯煤尘预混爆炸的火焰传播过程，研究瓦斯煤尘预混爆炸在管道中传播的火焰动力学过程、火焰微观结构演变规律和自由基辐射特性，揭示瓦斯煤尘预混爆炸的火焰传播机理与自由基辐射特性，对瓦斯煤尘爆炸灾害防治基础理论的发展具有重要意义。

瓦斯煤尘爆炸是煤炭井工开采中的一类重大灾害。采用“密闭管道式气-粉预混火焰精细结构实验系统”开展系列实验，揭示瓦斯煤尘预混爆炸的火焰传播机理与自由基辐射特性，对瓦斯煤尘爆炸灾害防治基础理论的发展具有重要意义。随瓦斯浓度的增加，瓦斯爆炸火焰最大传播速度和火焰温度峰值、最大爆炸压力都而呈现出先增大后减小的趋势，三者之间存在正相关关系。因煤的变质程度不同，混合体系的最大爆炸压力和火焰温度峰值不同。瓦斯-煤尘混合体系爆炸火焰的预热区厚度受瓦斯浓度、煤尘浓度及煤变质程度三方面因素影响。瓦斯爆炸体系越接近爆炸威力最强浓度，宏观表现为反应体系的温度升高，微观体现在七种物质的相对辐射强度加大。总体趋势上，同一瓦斯浓度下，瓦斯爆炸火焰中相对辐射强度偏高的主要是CH、OH、O2，其次是C2、O、CH2O。对于同一煤种和瓦斯浓度，瓦斯-煤尘爆炸火焰中，位于可见光波长内的中间反应物（C2、O、CH2O、CH）要比紫外光波长内的中间反应物（O2、CHO、OH）的光谱相对辐射强度高。C2自由基是甲烷氧化反应过程中重要的中间产物；CH自由基与OH自由基在整个反应过程中这两种自由基的浓度较大。