点火能量与初始压力对瓦斯爆炸特性的影响研究

摘要

煤矿现场条件复杂，影响瓦斯爆炸的因素很多，诸如点火能量、初始压力、初始温度等都有可能对瓦斯爆炸造成重大影响。针对这些问题，综合运用理论分析、实验研究及数值模拟等方法，对点火能量、初始压力对瓦斯爆炸特性的影响进行了系统的研究。
　　对瓦斯爆炸表征参数、点火能量与初始压力对瓦斯爆炸特性的影响及爆炸判据等进行了理论分析，并通过引入适用于真实气体的范德华方程，推导出了高压环境下瓦斯定容爆炸压力的理论计算式。
　　运用自行研制的DHN-200型高能电火花能量发生器、ZL-1型点火控制器、高压环境气体爆炸特性试验装置等实验设备，对不同瓦斯浓度、不同点火能量以及不同初始压力条件下的瓦斯爆炸特性进行了系统的实验研究。
　　通过实验研究发现，瓦斯浓度与最大爆炸压力、最大压力上升速率及点火延迟时间均呈不同的二次函数关系变化。在确保能点爆瓦斯的前提下，随着点火能量的增大，瓦斯爆炸最大爆炸压力及最大压力上升速率变大，点火延迟时间缩短，爆炸极限范围变宽，且点火能量与各参数均呈不同的指数函数关系变化，越偏离最佳瓦斯爆炸浓度，点火能量对以上各参数的影响越明显。初始压力与爆炸极限呈指数关系变化，在高压环境下，即使超出了爆炸上限浓度的瓦斯亦能在较短的时间内发生爆炸，且爆炸威力相当大。初始压力与点火能量两者的耦合对瓦斯爆炸上限的影响要比单纯一种影响因素对瓦斯爆炸上限的影响效果明显，且在本试验所采用的初始压力及点火能量范围内，初始压力对瓦斯爆炸上限影响效果要比点火能量对瓦斯爆炸上限的影响效果明显。
　　在高压和高点火能量条件下，瓦斯爆炸极限超出了原来的范围5％～16%，为此提出了临界爆炸极限这一概念，为煤矿有效的预防瓦斯爆炸事故的发生及事故调查提供了新的依据。
　　对常温常压、高点火能量及高压条件下的瓦斯爆炸过程进行了数值模拟研究，模拟结果清晰的显示了爆炸过程中各参数的流场分布特征，分析了爆炸压力、火焰温度、反应速率等参数在不同条件下的爆炸过程中的发展变化情况，得出了相应的变化规律。
　　本文得到的一些规律性的结论，对瓦斯气体安全指标及行业标准的修定、矿井瓦斯爆炸事故的预防及事故调查分析等均具有重要的指导意义。

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Contents

1 绪论

1.1研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3研究内容和技术路线

2 瓦斯爆炸特性理论分析

2.1引言

2.2 瓦斯爆炸表征参数

2.3 瓦斯爆炸极限求解及爆炸判据

2.4 点火能量对瓦斯爆炸特性的影响

2.5 初始压力对瓦斯爆炸特性的影响

2.6 本章小结

3瓦斯爆炸特性实验系统研制及性能实验

3.1 引言

3.2 点火系统的研制及改装

3.3 高压环境气体爆炸特性试验装置的研制

3.4 配气方法的选择

3.5其它试验装置

3.6 性能试验

3.7 本章小结

4 点火能量对瓦斯爆炸特性的影响研究

4.1 引言

4.2 实验设备及实验条件

4.3 瓦斯浓度对爆炸压力影响

4.4 点火能量对爆炸压力的影响

4.5 点火能量对点火延迟时间的影响

4.6 点火能量对爆炸极限的影响

4.7 本章小结

5 初始压力对瓦斯爆炸特性的影响研究

5.1 引言

5.2 实验设备及实验条件

5.3 初始压力对瓦斯爆炸极限的影响

5.4 初始压力对爆炸压力的影响

5.5 初始压力与点火能量耦合对爆炸上限的影响

5.6 临界爆炸极限

5.7 本章小结

6 瓦斯爆炸特性数值模拟研究

6.1 引言

6.2 理论模型概述

6.3 瓦斯爆炸理论模型选择

6.4 数值计算方法研究

6.5 建模与分网

6.6常温常压条件下的模拟分析

6.7 高点火能量条件下的模拟分析

6.8不同初始压力条件下的模拟分析

6.9 本章小结

7 主要结论与展望

7.1 主要结论

7.2论文特色及创新

7.3 展望

致谢

博士在读期间主要科研成果

参考文献