《多孔介质抑制瓦斯爆炸关键技术研究》

瓦斯爆炸是煤矿最严重的事故灾害之一,每年造成大量的人身伤亡和巨大的财产损失。该项目深入研究多孔介质对瓦斯爆炸抑制的作用机理及应用等关键技术,设计了应用实际煤矿井下的新型多孔介质阻隔爆装置,实现了阻隔爆装置的毫秒级快速动作,并能够起到大幅衰减瓦斯爆炸冲击波和阻隔火焰传播的双重作用。取得的主要创新包括:

1)测试得到了不同障碍物距离、数量和位置等条件下瓦斯爆炸动态传播特性,建立了瓦斯爆炸火焰-超压-湍流多场耦合模型。

利用实验测试获得了障碍物数量、障碍物与点火源距离、障碍物横向及纵向位置对火焰结构、火焰传播速度、超压等动态特性的影响规律,揭示了障碍物的湍流激励作用是火焰加速的根本原因,在此基础上建立了瓦斯爆炸动态传播理论,揭示了火焰与湍流特征。

2)系统开展了多孔介质作用下瓦斯爆炸阻隔爆实验,探明了复杂条件下多孔介质火焰淬熄特性、超压衰减规律及淬熄失效因素,得到了多孔介质阻隔爆材料的优化参数。

通过实验手段获取孔径、厚度及材料对多孔介质阻隔爆特性的影响规律,通过数据对比优化确定阻隔爆材料参数,多孔介质对于上游火焰传播速度有一定减缓作用,且对于下游超压具有明显抑制效果,但在一定程度上会增大上游超压,理论研究表明淬熄失效机理与火焰传播速度和超压的升高有关。多孔介质孔密度或厚度越大,其淬熄性能就越优越,爆炸气流通过多孔介质时的压降也越大,下游超压的抑制效果就更明显,由于流动阻力增大还会使火焰传播速度减小,造成火焰-湍流耦合过程被推迟,使超压峰值时刻来得更晚。

3)研究了瓦斯爆炸火焰在多孔介质内的传播规律,在微观层面上揭示了火焰-湍流-超压耦合对多孔介质抑制瓦斯爆炸特性的影响机制。

首创微细热电偶、离子探针方法研究了瓦斯爆炸火焰在多孔介质内的传播规律,研究结果表明瓦斯爆炸火焰经过多孔介质时的气体温度和离子电流都有较大幅度的降低,与无障碍物工况相比,两侧连续障碍物工况的气体温度和离子电流降低幅度较小;利用数值模拟方法分析了多孔介质淬熄瓦斯爆炸火焰的反应进程变量、温度及超压分布,进而从微观层面上揭示了火焰-湍流-超压耦合对多孔介质抑制瓦斯爆炸特性的影响机制。

4)开发了煤矿采掘工作面和瓦斯抽排管道的多孔介质抑爆装置。

研制的煤矿采掘工作面和瓦斯抽排管道的多孔介质抑爆装置可以重复使用,实现了多孔介质阻隔爆装置的毫秒级快速动作,可有效抑制连续或多次瓦斯爆炸的火焰传播,从而降低瓦斯爆炸对井下设备的毁坏程度。

该项目在煤矿瓦斯爆炸抑爆减灾理论和装备方面取得了重大突破,形成了拥有自主知识产权的瓦斯爆炸多孔介质抑爆装备,与国内外同类技术相比优势明显,项目整体达到国内领先水平。应用以来,很好地保障了煤矿企业的煤炭生产安全,使其生产规模扩大约10%,每年新增煤炭产值6848万元,经济社会效益巨大。

成果说明

该项目将多孔介质应用于煤矿瓦斯防爆领域,不但可以有效阻隔一次瓦斯爆炸火焰和压力波传播而减少井下人员伤亡及保护煤矿通风安全设备,而且在爆炸发生后的矿井复杂条件下,能够阻断二次爆炸产生的压力波及火焰的传播,从而保护救护队员及抢险人员的生命安全,并可在火区与密闭作业区之间加入隔断装置,起到二次保护作用。同时,由于多孔介质具有很高的孔隙率,在瓦斯爆炸发生后,还可以利用反风设备及时抽走爆炸区和隔离区的有毒气体以进一步减少人员伤亡。将多孔介质抑制瓦斯爆炸技术可以推广到煤矿采掘工作面瓦斯抑爆阻火和瓦斯抽放管道抑爆阻火、

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