气溶胶抑制瓦斯爆炸的基础研究

在瓦斯爆炸特性测试实验的基础上，利用FLACS爆炸模拟软件进行瓦斯爆炸的数值模拟，获取爆炸全过程各参数的场分布；选取几种常见气溶胶进行成胶实验测试，利用热分析、光谱分析和吸附测定等分析技术研究其分散质物化特性，采用高速摄影及图像分析技术研究气溶胶分布及流动规律；从粒度、浓度和释放方式等方面对比研究气溶胶抑制瓦斯爆炸的临界参数，分析影响抑爆效果的主要因素及影响规律，同时研究气溶胶与爆炸火焰及流场的相互作用特征；结合气固两相流动与传热、反应动力学和粉体力学等理论，对气溶胶中断自由基链锁反应的动力学特性和抑爆流场特征及变化规律进行分析，揭示气溶胶抑制瓦斯爆炸的抑爆机理，提出优化气溶胶抑爆效能的合理思路和方法，为气溶胶抑制瓦斯爆炸技术的进一步研究和开发提供理论基础和科学依据。

我国48%以上国有重点煤矿为高瓦斯突出矿井，矿井瓦斯爆炸事故频发。采用自行设计、改进了的XKWB型系列气体爆炸实验装置，系统研究了气体浓度、爆前气体流动状态、点火能量、初始压力等因素对矿井瓦斯爆炸火焰传播特性及压力特性的影响规律，并利用完善了的可燃性气体爆炸流场模型、专业气体爆炸模拟软件FLACS对矿井瓦斯爆炸过程以及气溶胶分布流动规律进行了数值模拟，获得爆炸全过程各参数的场分布以及相互作用特征。建立了计算瓦斯爆炸化学反应不同时刻转化率、温度、各组分浓度等重要参数的数学模型，提出了瓦斯爆炸表观反应动力学模型，从反应物浓度变化、反应吉布斯函数变化提出了爆炸反应达到平衡的条件，计算出总反应的表观平衡常数、其控制过程反应热，正、逆反应活化能及频率因子。选取盐类水雾、硅系、镁系、铝系、磷系粉体等形成的冷气溶胶以及K型热气溶胶作为瓦斯抑爆剂，从抑爆剂的种类、粒度、添加量等方面进行了系列瓦斯抑爆实验，研究了抑爆过程中瓦斯爆炸火焰传播及压力变化规律。不同抑爆材料起到了不同程度的抑制作用，且存在一最佳抑爆添加量，其中K型热气溶胶以及KCl活化水雾、NH4H2PO4粉体形成的冷气溶胶在现有实验装置和条件下抑制住了瓦斯爆炸，取得了较好的效果。基于稳态法原理推导出了瓦斯爆炸总包反应速率方程，并应用Gaussian软件对瓦斯爆炸链式反应进行了微观热力学和动力学的数值计算与分析，提出了消除爆炸反应中的 HO2、HCO 、O 自由基是瓦斯抑爆的关键因素所在，并验证了系列抑爆剂的实质抑爆作用。在此基础上，基于链式反应理论从气溶胶的纳米化以及反应中自由基与原子性能等效原理等方面分析了瓦斯抑爆剂的作用。.项目研究成果为矿井瓦斯爆炸理论的深入研究及爆炸事故的预防和控制提供了重要的参考和依据。