【摘 要】
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煤矿井下的采空区往往是遗煤与瓦斯的共存区域,也是煤自燃灾害的易发地点,采空区瓦斯爆炸大多是由采空区遗煤自燃引起的。采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸致灾过程异常复杂,该类灾害隐蔽性强、危险性大、治理难度高,是煤矿安全生产亟待解决的难题之一。采空区煤自燃环境下含瓦斯多元气体混合物的爆炸敏感性并非是固定的,遗煤自燃所释放的多种可燃组分必然会影响多元混合气体的爆炸危险性。此外,传统对于含瓦斯混合气体爆炸传输特性的
【基金项目】
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采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸的互馈耦合过程作用机制.国家自然科学基金面上项目,编号:51974303；
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煤矿井下的采空区往往是遗煤与瓦斯的共存区域,也是煤自燃灾害的易发地点,采空区瓦斯爆炸大多是由采空区遗煤自燃引起的。采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸致灾过程异常复杂,该类灾害隐蔽性强、危险性大、治理难度高,是煤矿安全生产亟待解决的难题之一。采空区煤自燃环境下含瓦斯多元气体混合物的爆炸敏感性并非是固定的,遗煤自燃所释放的多种可燃组分必然会影响多元混合气体的爆炸危险性。此外,传统对于含瓦斯混合气体爆炸传输特性的研究大多是针对巷道、管路及开放空间等条件,而对煤矿井下采空区遗煤堆积条件下的爆炸传输过程缺乏深入的认识。因此,明确采空区煤自燃环境中含瓦斯混合气体爆炸危险性的动态演变特征,揭示采空区堆积煤岩空隙内爆炸火焰的传输规律,对于采空区复合热动力灾害的防治具有重要意义。本文以采空区含瓦斯环境为研究背景,采用理论分析、实验研究与数值模拟相结合的手段,得到了煤自燃过程中多元可燃气体产物的动态爆炸极限,系统分析了煤自燃环境中氧气和阶段性气体产物对多爆炸危险性的影响,揭示了采空区遗煤堆积条件下混合气体的爆炸传输规律。取得的主要成果如下:1)基于大佛寺矿易自燃煤种,得到了不同氧浓度氛围下煤自燃气体产物的生成特性,获得了多元可燃气体产物的爆炸极限和爆炸三角形的动态演变规律。研究发现,煤自燃发展进程中,由于不同可燃气体产物的生成和掺混,多元混合气体的爆炸下限整体呈现持续下降趋势,爆炸上限呈现先增大后减小的趋势;煤自燃过程中多元气体产物的爆炸三角形沿空气线逐渐向左移动,煤体温度260℃附近混合气体爆炸风险面积达到最大值。2)明确了煤自燃环境中氧气和阶段性气体产物与爆炸动力学的关系。氧气浓度的增加会显著提高爆炸强度,缩短点火延迟时间,促进CO生成的关键反应步敏感性降低。煤自燃阶段性气体产物对爆炸危险性的影响存在差异,煤体缓慢氧化阶段产生的CO对爆炸过程具有阻尼作用,加速升温阶段后不断生成的C2H6、C2H4和C3H8会持续提高爆炸危险性,即增大爆炸压力峰值和温度峰值,缩短点火延迟时间,使碳氧化物和氮氧化物的生成量不断增加;随着煤自燃阶段性气体产物的掺混,各反应步的敏感度系数明显降低,并使促进甲烷消耗的关键基元反应发生转变。3)自行设计构建了堆积煤体可视化爆炸试验系统,获得了不同煤体堆积条件下含瓦斯混合气体的爆炸压力参数变化及火焰传输特性。结果表明,堆积煤体会显著抑制含瓦斯气体的爆炸超压,促进火焰传播过程,堆积煤体促进爆炸火焰传输的主要因素包括空隙内湍流强度的增加和阻塞导致的射流作用;随着堆积煤体空隙率的增大,火焰锋面传播速度相应增加,最大爆炸压力衰减程度减小,最大升压速率呈指数增大;随着堆积煤体阻塞长度的增加,爆炸超压峰值和最大升压速率呈线性降低;对于化学计量比的甲烷-空气预混火焰,堆积煤体的临界空隙率在0.47～0.49之间。4)建立了模拟煤体随机堆积空隙内含瓦斯混合气体爆炸传输的三维数值模型,获得了爆炸火焰传输特性及多场演变特征。模拟发现,爆炸火焰在堆积条件下传播时会经历多个加速阶段,最终以多股射流形态向压力出口传输;爆炸过程中火焰面积持续增大,火焰褶皱程度在出口附近达到最大值,火焰前锋速度和火焰面积具有强烈耦合性;爆炸火焰和模拟煤体表面之间的热交换持续时间很短,但局部空隙内温度的快速积聚会促进煤体自燃;随机堆积空隙结构中的空间迂曲度较大,造成局部湍流动能极高,对爆炸过程具有显著促进影响。本文首先以易自燃煤体自燃过程中气体产物的生成特性为基础,获得了煤自燃过程中多元可燃气体产物爆炸极限和爆炸三角形的动态演变特征,其次分析了煤自燃环境中氧气和阶段性气体产物对爆炸危险性参数的影响,最后获得了不同煤体堆积条件下含瓦斯混合气体的爆炸传输规律,研究发现,煤自燃多元气体产物和煤体堆积环境会显著增大采空区瓦斯与煤自燃复合致灾危险程度。研究结果对于揭示采空区煤自燃环境含瓦斯多组分气体爆炸致灾规律提供了参考,为指导灾变范围的确定以及抑爆技术的研发提供了理论与技术支撑。本文共有图67幅,表12个,参考文献96篇。
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