瓦斯煤塵多相耦合體系的爆炸敏感性及其惰化機理研究

《瓦斯煤塵多相耦合體系的爆炸敏感性及其惰化機理研究》是依託中國礦業大學，由李慶釗擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：瓦斯煤塵多相耦合體系的爆炸敏感性及其惰化機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李慶釗
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

瓦斯煤塵多相耦合體系的爆炸行為屬於多相反應流體力學的範疇，由於氣固多元多相耦合作用的複雜性使得對混合體系的爆炸敏感性尚未有深刻的認識。本項目以瓦斯煤塵氣固耦合體系的爆炸敏感性為研究對象，從氣固耦合的物質認知、爆炸傳輸的過程分析以及爆炸極限的理論提升三個層面出發，採用實驗研究、理論分析與數值模擬相結合的方法，綜合燃燒學、多相流及粉體科學等多學科知識來開展研究，目的在於揭示瓦斯煤塵氣固耦合的微觀特徵與混合體系巨觀爆炸敏感性的內在聯繫，明確瓦斯煤塵氣固耦合體系爆炸危險狀態判定的特徵參數及氣固混合體系的爆炸極限，闡明基於瓦斯煤塵多相耦合體系爆炸危險狀態判定的主動惰化抑爆技術構建的基本原理。研究結果將進一步豐富和發展多相耦合爆炸理論，並為煤礦井下作業環境瓦斯煤塵多相體系爆炸危險狀態的判定及爆炸動力災害的有效預防提供科學的理論依據。

結題摘要

瓦斯煤塵多相耦合體系的爆炸行為屬於多相反應流體力學的範疇，由於氣固多元多相耦合作用的複雜性使得對混合體系的爆炸敏感性尚未有深刻的認識。本項目採用實驗研究、理論分析與數值模擬相結合的方法，綜合燃燒學、多相流及粉體科學等多學科知識，從煤塵的基本理化結構特性入手，探索瓦斯煤塵的氣固相間耦合作用機理及其對單相與多相爆炸的作用規律及其關鍵控制因素。項目研究獲得了模擬礦井環境下不同變質程度煤樣的自熱特徵參數及指標氣體的釋放特性，揭示了模擬煤礦井下條件下含瓦斯環境中不同變質程度煤樣對瓦斯吸附的相間耦合作用規律，系統研究了六種不同變質程度煤樣的爆炸特徵參數及其關鍵影響因素，獲得了煤塵粒徑及粒徑分散度對爆炸火焰發展速度的影響及粉塵粒徑、粉塵濃度等多因素作用下的煤塵爆炸危險區域的劃分，明確了特定條件下氣固多元多相混合體系爆炸的強度特徵及其作用機理，獲得了不同抑爆劑作用對粉體爆炸及抑爆的作用規律，回歸分析了特定條件下粉塵的爆炸特徵參數、火焰傳播速度隨粉塵粒徑、粉塵濃度的定量變化關係，揭示了煤塵爆炸標誌性氣體產物的生產特性及粉塵爆炸固相產物的微觀理化結構特徵，數值研究了煤礦井下巷道衝擊波作用下粉塵的運移及拋撒擴散特性。研究發現，煤的變質程度是影響煤塵與瓦斯的相間耦合作用強弱的關鍵因素，同時其也通過對煤塵孔隙結構、表面理化特性的控制而影響煤塵與瓦斯的吸附程度。煤塵爆炸特徵參數的關鍵影響因素包括粉塵濃度、粉體粒徑及顆粒的物質組成，同時粉體粒徑也通過顆粒的分散程度而影響其爆炸強度，有趣的是所選取煤塵的“最適爆炸濃度”基本趨於相等。多相體系中氫氣及甲烷的存在將顯著降低煤塵的爆炸濃度下限，使得其反應活性得以顯著提高。粉體爆炸對不同的抑爆劑表現出不同的回響特性，抑爆過程需有效避免抑爆劑的“失效濃度”範圍。基於色譜、氣相掃描電鏡SEM及XRD獲得了爆炸氣固相產物的微觀結構特徵，並闡釋了顆粒的爆燃反應機理，為爆炸致災的調查與事故再現提供了理論指導。以上述研究為基礎，構建了一種煤礦作業場所主動抑爆系統及其技術方法，為作業環境爆炸危險狀態的判定及主動抑爆提供理論指導與技術參考。項目研究發表SCI論文8篇、EI論文2篇，參加學術交流會議3次，培養研究生5名，授權發明專利4項，2014年獲中國煤炭工業協會科技進步一等獎1項，完成了預期目標。