【摘要】：煤礦開(kāi)采是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，，瓦斯爆炸是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要因素。我國(guó)的大多數(shù)礦井屬于高瓦斯礦井，且由于受地質(zhì)條件限制及生產(chǎn)需要，礦井設(shè)計(jì)和布置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以，瓦斯爆炸的形成和發(fā)展過(guò)程中會(huì)受到眾多復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜條件等因素的影響，同時(shí)爆炸所表現(xiàn)出的特征也呈現(xiàn)復(fù)雜性和特殊性，為煤礦瓦斯爆炸防治增加了難度。因此，探索煤礦各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)及復(fù)雜條件下瓦斯爆炸的特征及成因，成為有效防治煤礦瓦斯爆炸的關(guān)鍵。針對(duì)這一實(shí)際問(wèn)題，綜合運(yùn)用燃燒爆炸學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、工程力學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，進(jìn)行了620次管道模擬實(shí)驗(yàn)，分別拍攝了關(guān)于爆炸火焰?zhèn)鞑サ母咚贁z影50個(gè)、高速紋影80個(gè)，同時(shí)運(yùn)用多種方法對(duì)煤礦中存在的幾種復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜條件下的瓦斯爆炸作用機(jī)制進(jìn)行了對(duì)比分析研究，得出了以下創(chuàng)新性的成果。 （1）研究網(wǎng)格狀障礙物對(duì)瓦斯爆炸的影響 通過(guò)對(duì)幾種網(wǎng)格狀障礙物對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，火焰通過(guò)圓孔障礙物時(shí)，相對(duì)方孔障礙物，形成較小的火焰速度和爆炸壓力，這是爆炸擴(kuò)張和流體流動(dòng)總是試圖保持最小體積即球形決定了圓孔易于火焰擴(kuò)張通過(guò)的結(jié)果；當(dāng)網(wǎng)格障礙物的小孔尺寸小于火焰的臨界熄爆直徑，甚至小于臨界安全間隙時(shí)，火焰經(jīng)過(guò)障礙物會(huì)發(fā)生熄滅，但過(guò)瓦斯感應(yīng)期后，在小孔另一側(cè)會(huì)發(fā)生復(fù)燃。同時(shí)，由于氣流從小孔噴出及復(fù)燃延遲相對(duì)較慢，而爆炸過(guò)程相對(duì)較快，導(dǎo)致氣流穿過(guò)障礙物后會(huì)發(fā)生一連串的小爆炸，而且網(wǎng)孔越細(xì)，小爆炸愈多。由于氣流通過(guò)網(wǎng)格障礙物產(chǎn)生噴射沖擊作用，同時(shí)在障礙物本身的梳理擾動(dòng)作用下，致使產(chǎn)生強(qiáng)烈湍流，火焰速度劇增，壓力驟升。 從高速攝影和高速紋影圖像看，火焰通過(guò)障礙物或過(guò)障礙物雖熄滅但重燃后，由于障礙物形狀不同，火焰形狀嚴(yán)重分化，火焰前鋒或因浮力作用上揚(yáng)、或因氣流濃度增大而下垂，同時(shí)很快分化形成tulip結(jié)構(gòu)。 （2）模擬研究礦井風(fēng)門(mén)、密閉墻等對(duì)瓦斯爆炸的影響 通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，當(dāng)爆炸突破薄膜時(shí)，火焰速度和壓力暫時(shí)下降，能量有所損失，但會(huì)因預(yù)壓、預(yù)熱作用產(chǎn)生更大的激波和高熱，極大地提高爆炸壓力和火焰速度。薄膜破裂會(huì)因火焰?zhèn)鞑ヒ稹爱惖囟伪ā�，還會(huì)反沖逆襲引起“原地二次爆炸”。此外，通過(guò)綜合幾種障礙物來(lái)看，薄膜障礙物對(duì)爆炸的激勵(lì)作用最大、最強(qiáng)，進(jìn)一步說(shuō)明了加固相關(guān)設(shè)施的必要性和重要性。 （3）瓦斯爆炸對(duì)礦井硐室的影響 通過(guò)運(yùn)用不同內(nèi)徑的管道模擬瓦斯爆炸對(duì)礦井硐室的影響，發(fā)現(xiàn)無(wú)論在硐室模擬管道開(kāi)口或閉口但易被突破的的情況下，內(nèi)部瓦斯爆炸會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)大于主干管道的壓力和壓力上升速度，并產(chǎn)生強(qiáng)力回沖現(xiàn)象，造成二次破壞或形成二次爆炸點(diǎn)火源。另外，模擬硐室門(mén)窗出現(xiàn)小縫隙或孔洞的情況下，火焰經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)出現(xiàn)熄滅、復(fù)燃現(xiàn)象，同時(shí)回沖過(guò)程中再次出現(xiàn)熄滅、復(fù)燃現(xiàn)象，這種反復(fù)激勵(lì)作用，會(huì)導(dǎo)致更大的爆炸力。所以硐室及其門(mén)窗等要從強(qiáng)度、材料、密封性等諸方面周密設(shè)計(jì)制作，隔斷熱量和火焰?zhèn)魅腠鲜覂?nèi)部。 （4）通過(guò)實(shí)驗(yàn)和流體力學(xué)理論模擬研究巷道各種瓦斯填充情況下，拐彎結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯爆炸的影響 隨著拐彎內(nèi)折角度增大，主干管道段壓力明顯有增大的趨勢(shì)，而經(jīng)過(guò)拐彎后的火焰速度和壓力衰減呈加劇趨勢(shì)，當(dāng)內(nèi)折角度增大到一定程度，可發(fā)生局部熄滅或完全熄滅，造成火焰速度和壓力衰減更加加劇。此外，拐彎阻力造成的能量損失以及開(kāi)口處的稀疏波影響也是導(dǎo)致火焰速度和壓力衰減的重要原因。 一般在直管道中，開(kāi)口狀況下60%以上的瓦斯填充率產(chǎn)生的爆炸壓力和火焰速度與管道全充滿瓦斯時(shí)產(chǎn)生的壓力和火焰速度基本一樣。但在拐彎管道中，激波反射形成回沖激波，大大抑制火焰速度，并使管道內(nèi)壓強(qiáng)疊加增大，同時(shí)，回沖激波使直管道前段的空氣回沖與前行的瓦斯混合稀釋?zhuān)雇咚谷紵艿礁笥绊�，火焰速度進(jìn)一步下降，由此造成壓力相對(duì)有所下降。 當(dāng)拐彎前火焰速度為超聲速時(shí)，經(jīng)過(guò)拐彎后，凹壁側(cè)的火焰速度小于凸壁側(cè)的火焰速度，而凹壁側(cè)的壓力大于凸壁側(cè)的壓力；在拐彎前，管道上側(cè)壓力大于下側(cè)壓力。當(dāng)拐彎前火焰速度為亞聲速，火焰速度和壓力變化規(guī)律與超聲速情況下的結(jié)論正相反。 本研究成果將進(jìn)一步豐富瓦斯爆炸理論，為煤礦巷道結(jié)構(gòu)及設(shè)施的布置提供有益的啟示和借鑒，對(duì)煤礦復(fù)雜結(jié)構(gòu)及復(fù)雜條件下的瓦斯爆炸防治發(fā)揮指導(dǎo)作用。 根據(jù)本研究成果發(fā)表相關(guān)論文9篇，其中SCI2篇，EI源刊3篇，國(guó)際會(huì)議論文3篇，中文核心期刊1篇。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類(lèi)號(hào)】：TD712

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2323819