瓦斯/煤尘复合爆炸耦合机制及量化模型研究

Explosion caused by hybrid mixture of gas and coal dust is one of the main explosion forms in coal mine. Investigation on the coupling mechanism of hybrid explosion of gas and coal dust and building the quantitative model of explosion characteristic parameters are essential conditions used for preventing explosion accidents in coal mine. Now researches on explosion characteristics of hybrid mixture of gas and coal dust are not perfect and no valid quantitative model has been built. Based on this, the hybrid explosion characteristics of gas and coal dust will be studied in this project, using the method combining experiments and theoretical analysis. By systematically changing the gas and coal dust concentration, coal dust particle size and components, the lower explosion limit, minimum ignition energy, minimum ignition temperature, maximum explosion pressure, maximum rate of explosion pressure rise and explosion index of hybrid mixture of gas and coal dust will be measured. Based on the measured results, the coupling mechanism of hybrid explosion will be discussed and the formation mechanism of the change rule of hybrid explosion characteristic parameters will be analyzed. The aim of this project is to establish quantitative description of the change law of these parameters and then build a quantitative model using for calculated these under the condition of multi-factor coupling. The research results are expected to provide theoretical basis for preventing explosion disasters in coal mine.

瓦斯/煤尘复合爆炸是煤矿爆炸的主要形式之一，研究瓦斯/煤尘复合爆炸耦合机制，构建复合爆炸特性参数量化模型是有效防治煤矿爆炸的必备条件。目前，国内外学者关于瓦斯/煤尘复合爆炸特性的研究还不够完善，且未能建立有效的特性参数量化模型。基于此，本项目拟采用实验与理论分析相结合的方法研究瓦斯/煤尘复合爆炸特性，通过系统的改变瓦斯和煤尘浓度、煤尘粒径、组分等因素，对瓦斯/煤尘复合爆炸下限、最小点火能量、最小点火温度、最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率和爆炸指数等参数进行测量。基于测量结果，探讨瓦斯/煤尘复合爆炸耦合机制，分析复合爆炸特性参数变化规律及形成机理，建立复合爆炸特性参数变化规律的定量描述，并构建多因素耦合条件下复合爆炸特性参数量化模型。研究成果期望为煤矿爆炸灾害防治提供理论依据。

目前，煤炭在我国整体能源消费中占比过半，能源消费结构仍然以煤为主。然而，在煤矿生产过程中，爆炸事故严重制约着煤矿的安全生产。有关研究表明，煤矿爆炸事故多由瓦斯和煤尘共同参与引起。因此，研究瓦斯/煤尘复合爆炸特性对煤矿爆炸灾害防治具有重要意义。基于此，本项目综合考虑浓度、组分、粒径等因素，系统开展了瓦斯/煤尘复合体系爆炸特征参数变化规律及量化模型研究，具体内容如下：.选取3种组分相同粒径不同以及4种组分不同粒径相同的煤尘，在标准20 L球形爆炸装置中测定并分析了瓦斯/煤尘复合体系最大爆炸压力、爆炸指数及爆炸下限变化规律。结果表明，对于任何粒径和组分的煤尘，瓦斯的加入均可显著提升其最大爆炸压力和最大爆炸指数，且当煤尘粒径较大或挥发分含量较低时，瓦斯对其最大爆炸压力和爆炸指数的提升作用更为显著。此外，在任何瓦斯浓度下，两相体系最大爆炸压力和爆炸指数均高于纯煤尘，但低于纯瓦斯。另外，对于任何粒径或组分的煤尘，其爆炸下限均随着瓦斯的添加而显著降低，即低于爆炸下限的煤尘和低于爆炸下限的瓦斯混合后仍然可能发生爆炸。当煤尘粒径越大，煤尘挥发分含量越低时，相同浓度瓦斯诱导其爆炸下限降低幅度越大，即煤尘粒径越大，挥发分含量越低，瓦斯对其爆炸下限的影响越大。.基于不同粒径和组分煤尘与瓦斯组成的复合体系最大爆炸压力、爆炸指数和爆炸下限变化规律，采用数值分析和数值建模的方法建立了煤尘粒径、煤尘组分、瓦斯和煤尘浓度等多因素影响下的复合体系最大爆炸压力、最大爆炸指数、爆炸下限预测模型。经验证，三个特征参数预测模型的预测结果与实验值有较高的吻合性，预测精度较高，即对瓦斯/煤尘复合体系具有较好的适用性。研究结果可为煤矿爆炸灾害防治提供理论依据。