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煤炭,作为基础能源和工业原料,在国民经济发展中具有举足轻重的地位。但是,伴随着煤炭开采,频发的安全事故也使得煤矿安全成为当今最突出,威胁最大,最受关注的问题。煤矿井下通常是一个甲烷和煤尘共存的体系。因此,开展超细水雾抑制甲烷爆炸的机理研究,无疑具有重要的科学意义和实用价值。
本文通过小尺度实验模拟,研究超细水雾抑制瓦斯爆炸的规律,揭示超细水雾对瓦斯爆炸抑制作用的影响机制。确定不同体积超细水雾作用下,不同浓度的甲烷爆炸的温度、压力等参数,以及甲烷浓度和超细水雾体积量对其抑爆效率的影响,初步探讨了其抑爆机理,从而为相关模型的建立和技术的发展提供科学依据及实验数据支撑。
本文较为全面的介绍了近年来瓦斯煤尘爆炸的国内外研究现状。从管道内爆炸形成、发展出发,对爆炸的形式和特点进行了阐述,描述了管道内爆炸的主要特征参数。参考文献中前人做过的工作,对爆炸机理和水雾对爆炸的抑制机理进行了总结。
通过资料和文献的调研,在对前人的工作进行了总结的基础上,深入了解了细水雾抑制甲烷爆炸的实验方法和原理,根据实验目标和方法的要求,从各功能单元入手对超细水雾抑制甲烷爆炸的实验装置进行了科学的设计,建立适用于实验尺度研究的超细水雾抑制甲烷爆炸的研究装置,为后续实验提供可控和具有重复性的实验条件。
通过高速摄影仪拍摄不同体积超细水雾作用下,不同甲烷浓度下的甲烷爆炸过程中的现象,并且通过图片信息直观的分析甲烷爆炸过程。通过视频记录,确定爆炸延迟时间,分析得知:爆炸延迟时间随着超细水雾的体积增加而增加,在爆炸下限到化学当量浓度之间爆炸延迟时间随着甲烷浓度的增加而减少。
通过小尺度超细水雾抑制甲烷爆炸模拟实验,采用四个E12-1-K型快速响应热电偶获取超细水雾抑爆过程中四个不同位置的温度变化情况,确定不同体积超细水雾作用下,不同甲烷浓度下的甲烷爆炸温度随时间的变化,从而确定火焰波传播情况的变化,实验表明:爆炸温度和温升速率都随着超细水雾体积增加而降低,这意味超细水雾抑制甲烷爆炸是十分有效地,并且吸热是超细水雾抑制甲烷爆炸主要机理之一;点火电极附近的湍流扰动现象说明降低甲烷浓度和隔氧也是超细水雾抑制甲烷爆炸主要机理。除此之外,超细水雾抑制甲烷爆炸存在临界体积,超过这个值,爆炸不可能发生,而且临界体积在化学当量浓度以下随着甲烷浓度增加而增加。
通过小尺度超细水雾抑制甲烷爆炸模拟实验,采用两个PCB压力传感器获取超细水雾抑爆过程中两个不同位置的压力变化情况,确定不同体积超细水雾作用下,不同甲烷浓度下的甲烷爆炸压力的变化,从而确定压力波传播情况的变化。实验结果表明:理论上计算的甲烷爆炸最大压力的化学计量浓度为9.48%,与实验基本一致;甲烷浓度小于当量浓度时,最大爆炸压力随着甲烷浓度的增加而升高;在甲烷浓度大于当量浓度时,最大爆炸压力随着甲烷浓度的增加而降低。并且超细水雾只影响最大爆炸压力的大小,对最大压力随浓度变化规律没有影响;爆炸压力随着超细水雾体积增加而降低,施加超细水雾细水雾后,爆炸压力下降十分明显;爆炸波的传播速度随着超细水雾体积增加而降低,从接近声速的传播下降到150m/s左右,传播速度得到明显的抑制;爆炸升压速率随着超细水雾体积增加而降低,施加超细水雾细水雾后,爆炸升压速率力下降十分明显,说明超细水雾抑制甲烷爆炸是十分有效的。