基于“双釜对爆”实验的煤矿瓦斯二次爆炸特性研究

Gas explosion results in the most serious damage in the accidents in coal mine. And even shock wave and flame induced by gas explosion can ignite gas explosion in other locations again. Flame front and shock wave will be accelerated , and overpressure will be greater,which will cause a lot of casualties and loss. So it is made clearly what is the mechanism and characteristics of the secondary explosion of mine gas induced by gas explosion shock wave. The double vessel explosion system was adopted which is made up of two vessel, gas distribution system, ignition system and test system. In the experiment, the gas is ignited in one vessel , while the secondary explosion occurred in the other vessel. Based on the experimental platform, the main research contents are as follows: (1) the inducement for secondary explosion by gas explosion; (2) wave velocity and overpressure threshold of shock wave which induces secondary explosions, and thresholds coupled with flame and shock wave induced secondary explosions; (3) transient flow field of secondary explosions. The results will not only clarify the mechanism and law of the secondary explosion of mine gas induced by gas explosion shock wave, but also provide theory support for controlling gas secondary explosion disaster.

煤矿事故中，破坏程度最严重的就是瓦斯爆炸，而瓦斯爆炸冲击波及火焰锋面可能会二次点爆其他位置积聚瓦斯，加速火焰锋面及冲击波传播，并能产生更高的超压，造成更大的人员伤亡及财产损失，所以亟需弄清楚瓦斯爆炸二次点爆瓦斯机理及特性。本申请项目拟建立一套由双抗爆灌、配气系统、点火系统及测试系统组成的水平管道式气体爆炸实验系统——“双釜对爆”实验系统，并以此为基础，明确瓦斯爆炸二次点爆积聚瓦斯的诱因，以及冲击波及冲击波与火焰锋面耦合在二次点爆瓦斯过程中的作用；研究诱导瓦斯二次爆炸的冲击波波速及超压临界值、冲击波与火焰耦合诱导瓦斯二次爆炸的临界值；最后，采用实验及数值模拟手段，研究二次爆炸的瞬态流场变化特征。本研究不仅能理论上阐明瓦斯爆炸二次点爆积聚瓦斯机制及规律，而且对瓦斯二次爆炸灾害控制提供理论支持。

煤矿事故中，瓦斯爆炸是破坏程度最严重的事故之一，而瓦斯爆炸冲击波及火焰锋面可能会二次点爆其他位置积聚瓦斯，加速火焰锋面及冲击波传播，并能产生更高的超压，造成更大的人员伤亡及财产损失。本课题采用1m3密闭容器-管道系统实验装置，研究了瓦斯浓度为6.5%、7.0%、8.0%、9.0%、9.5%及10.0%时管道内瓦斯爆炸冲击波传播特性。研究结果显示：不同瓦斯浓度的爆炸冲击波特性存在显著差异，压力上升速率随浓度增大而增大，管道内爆炸冲击波振荡明显，压力上升阶段更为突出，随着瓦斯浓度的增加压力振荡振幅先增大后减小，瓦斯浓度在9.5%时，具有最强的振荡特性，爆炸冲击波最大压力随传播距离先增大后减少，管道封闭端振荡，瓦斯浓度为9.0%与10%时管道内爆炸冲击波最大压力高于瓦斯浓度为9.5%时的爆炸最大压力；基于Open FOAM开发了精确捕捉冲击波算法，通过1m3密闭容器-管道系统的瓦斯爆炸实验及数值计算，验证了数值模拟的正确性，分析了容器和管道内冲击波和火焰的传播特性；理论计算了冲击波强度、瓦斯体积分数和冲击波及高温耦合条件下对瓦斯爆炸影响规律，点火延迟时间随着瓦斯体积分数的增大而出现增大， 随冲击波强度的增大而呈负指数降低， 二氧化碳、一氧化碳和一氧化氮致害物质随着不同冲击波强度和高温，变化规律明显不同；搭建了双釜对爆实验平台，并进行了相关实验，研究证明管道经过无瓦斯管道后会引起瓦斯二次爆炸，火焰经过管道，在管道中加速，最终以射流形式喷入到二次爆炸釜；二次爆炸釜中先经历了冲击波的上升阶段，大约上升到 300 Kpa 时，出现一段平台，因爆炸冲击波的撞击反射作用，及反射后冲击波影响下使瓦斯出现二次爆炸，形成 2 次冲击波的急剧上升。本研究不仅能理论上阐明瓦斯爆炸二次点爆积聚瓦斯机制及规律，而且对瓦斯二次爆炸灾害控制提供理论支持。发表标注该基金的研究论文12篇（其中SCI、EI收录 4篇），获得省部级科技进步奖1项，申请国家专利1项，指导培养研究生6名，4名已经毕业并获得硕士学位。