矿井受限空间瓦斯爆炸演化过程的化学反应动力学机理与致灾机制

项目围绕矿井受限空间条件下的瓦斯爆炸反应机理这一难题，综合应用自适应化学理论、链式反应理论、密度泛函理论、敏感性分析等方法，建立矿井受限井巷网络空间，甲烷、一氧化碳、二氧化碳、重烃、水蒸气、氢气等混合气体以及粉尘参与下的瓦斯爆炸化学反应动力学机理，找出对瓦斯爆炸起关键作用的基元反应；并对相应的基元反应进行定量分析，确定各步关键基元反应中的焓变、吉布斯自由能、活化能、指前因子及温度指数等参数的变化规律；通过定容燃烧反应器不同工况条件下瓦斯爆炸反应的数值模拟和实验研究，结合链式反应理论，探明瓦斯爆炸过程中的中间产物与自由基的生成时序性条件、演化规律，揭示瓦斯爆炸致灾机制，同时探索瓦斯爆炸的抑制机理与控制基础，为预防和抑制瓦斯爆炸提供理论支撑和科学依据。

针对项目计划任务书中规定的主要研究内容，以瓦斯爆炸反应动力学机理为研究对象，通过建立定容燃烧反应器和激波管中瓦斯爆炸反应动力学数学模型，分别对定容燃烧反应器中瓦斯爆炸反应动力学机理和激波诱导瓦斯爆炸反应动力学机理进行了数值模拟研究，找出了影响瓦斯爆炸反应动力学特性的关键基元反应步；通过分别建立定容燃烧反应器和激波管物理模型，利用定容燃烧反应器和激波管实验装置，对瓦斯爆炸火焰特征、着火特性等反应动力学特性进行了实验研究，并得出了与数值模拟相符合的研究结果，对数值模拟的研究结果进行了对比验证。.首先，针对矿井受限空间瓦斯爆炸演化过程的反应动力学特性，分别建立了定容燃烧反应器中瓦斯爆炸反应动力学计算模型和激波诱导瓦斯爆炸反应动力学计算模型，对计算模型中的数学模型进行了详细的推导求证，基于GRI-Mech3.0，建立了瓦斯爆炸反应动力学化学当量系数矩阵，并对数学模型进行了验证。同时，为验证数学模型的可靠性，分别建立了定容燃烧反应器和激波管物理模型，为瓦斯爆炸反应动力学的实验研究提供有力支撑。.其次，对矿井受限空间内瓦斯爆炸反应动力学机理进行了数值模拟研究。其中利用定容燃烧反应器模块，对瓦斯爆炸层流燃烧速率、火焰扩展过程中反应物浓度分布趋势、火焰扩展过程中自由基浓度分布、火焰扩展过程中主要生成物浓度分布趋势等火焰结构特征进行了研究；对瓦斯爆炸过程中的温度、反应物浓度变化、自由基浓度变化、致灾性气体浓度变化等随时间的变化规律进行了研究。利用敏感性分析方法，研究了定容燃烧反应器中瓦斯爆炸过程的关键影响因素，找出了起关键作用的基元反应步。利用激波管反应模块，研究了影响激波诱导瓦斯爆炸特性的关键基元反应步、当量比对激波诱导瓦斯爆炸关键基元反应步的影响规律、初始压力对激波诱导瓦斯爆炸关键基元反应步的影响规律等。.最后，对矿井受限空间瓦斯爆炸反应动力学机理进行了实验研究。其中，利用定容燃烧反应器实验装置系统，研究了受限空间内瓦斯爆炸的典型火焰发展特征、受限空间内瓦斯爆炸火焰的不稳定性、当量比对受限空间内瓦斯爆炸火焰特性的影响规律、初始压力对受限空间内瓦斯爆炸火焰发展特性的影响规律、初始温度对受限空间内瓦斯爆炸火焰发展特性的影响规律等；利用激波管实验装置系统，研究了激波诱导瓦斯气体着火特性、当量比对激波诱导瓦斯爆炸着火延迟时间的影响、浓混合气下N2对激波诱导瓦斯爆炸着火特性的影响等。