惰气—添加剂—细水雾抑制瓦斯爆炸实验研究

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细水雾抑爆技术最早应用于消防领域,由于其环保、廉价、高效等诸多优点,逐渐吸引了专家学者对其广泛的研究,同时取得了很多成果,但是在煤矿领域灾害防治的研究与应用则相对较少,相关研究表明,细水雾抑爆技术对煤矿瓦斯爆炸可以起到不错的抑制作用,本文在细水雾抑爆技术的基础上,提出一种惰气-添加剂-细水雾抑爆技术,在细水雾原先的基础上,同时加入添加剂和惰化气体,利用数值模拟和实验研究的方法研究该技术对瓦斯爆炸的影响规律。研究成果如下:(1)利用CHEMKIN-PRO软件研究了CO2双流体细水雾和N2双流体细水雾对瓦斯爆炸超压及爆炸温度的影响,并从对H、O、OH自由基的影响得出其抑制瓦斯爆炸机理。数据显示:CO2双流体细水雾和N2双流体细水雾的抑爆效果均好于单独使用细水雾,且CO2双流体细水雾的抑爆效果好于N2双流体细水雾,证明了惰性气体和细水雾对瓦斯爆炸的协同抑制作用。(2)利用北京理工大学爆炸实验管道,结合自行设计的双流体细水雾发生装置和双流体喷嘴,搭建瓦斯爆炸实验系统,系统包括管道系统、细水雾发生系统、数据采集系统、高速摄影系统以及点火系统,该系统可以实现瓦斯爆炸火焰信号、压力信号的采集以及图像的拍摄。(3)利用火焰传感器采集火焰到达沿管道布置各个火焰传感器时信号的和到达时间,计算7种工况下瓦斯爆炸火焰传播速度,研究得出了9.5%CH4在长管道中爆炸的最大传播速度为71.43m/s,在加入不同的抑制剂后,各工况下水雾区的传播速度均出现了不同程度的下降,工况6下下降幅度最大,火焰穿过水雾区后,非但没有抑制爆炸,反而促进了瓦斯爆炸。(4)利用高速摄影仪对7种工况下瓦斯爆炸的火焰传播图像进行采集,并将采集到的图像利用MATLAB软件进行处理,用平均火焰边界法进行分析计算,得出火焰传播速度随时间变化曲线,得出了各工况下火焰传播速度,该方法比火焰传感器计算出的火焰传播速度更加准确。(5)利用压力传感器采集7种工况下瓦斯爆炸超压数据,对比分析7种工况对瓦斯爆炸超压的影响,研究得出了不同工况下沿管道瓦斯爆炸超压的变化趋势,得出了惰气、添加剂和细水雾在抑制瓦斯爆炸具有协同抑制作用,各工况下对瓦斯爆炸的抑制效果依次为(优→劣):0.5CO2-6%KCl-0.5H2O-9.5%CH4>0.5N2-6%KCl-0.5H2O-9.5%CH4>0.5CO2-0.5H2O-9.5%CH4>0.5N2-0.5H2O-9.5%CH4>0.5air-6%KCl-0.5H2O-5%CH4>0.5air-0.5H2O-9.5%CH4>9.5%CH4。(6)设计正交试验,对实验结果进行正交分析,同时利用方差分析表分析CO2、KCl、和细水雾三者对瓦斯抑爆的主次顺序,得出三者抑爆的主次顺序为(主→次)CO2>细水雾>KCl,得出最优配比为A3B2C3,并通过抛物线数据拟合的拟合得出了KCl抑爆最优效果的中间值,实验结果为以后深入研究提供了线索。
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