煤矿瓦斯爆炸特性研究现状及发展方向.doc

煤矿瓦斯爆炸特性研究现状及发展方向 第 29卷第 4期 2010年 4期 煤 炭 技 术 Coal Technology Vol.29,No.04April,2010 李润之 1, 2 ,司荣军 2,张延松 2,王 磊 2 1. 山东科技大学,山东 青岛 266510; 2. 煤炭科学研究总院 重庆研究院,重庆 400037 摘 要 分别从理论 、 实验和数值模拟三方面介绍了近年来国内外在瓦斯爆炸特性方面的研究现状和研究成果 。 通 过分析表明, 目前对瓦斯爆炸特性方面的研究虽取得了一定的研究成果, 但还有待进一步研究, 特别是初始温度 、 初始压力 、 惰性气体含量及点火能量等对瓦斯爆炸特性的影响缺乏系统的研究 。 关键词 瓦斯爆炸;爆炸特性;爆炸极限;实验研究;标准;数值模拟 中图分类号 TD712文献标识码 A文章编号 1008-87252010 04-0004-03 Research Status and Development Direction of Characteristics of Gas Explosion LI Run-zhi 1,2, SI Rong-jun 2, ZHANG Yan-song 2, WANG Lei 2 1. Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510,China; 2. Chongqing Branch, China Coal Research Institute, Chongqing 400037, China AbstractFrom the theoretical research, experimental research and numerical simulation, the re -search status and development direction of characteristics of gas explosion at home and abroad in recent years were introduced. Through analysis showed that the current research of the gas explosion characteristics, although achieved some results, but have yet to be further studied, es -pecially in the initial temperature, initial pressure, inert gases and the ignition energy impacting on the gas explosion characteristics lack systemic study. Key wordsgas explosion; explosion characteristic; explosion limit; experimental researche; crite -rion; numerical simulation 收稿日期2009-10-15; 修订日期2010-02-04 基金项目由 “ 973计划 ” 项目 2005cb221506 , 国家自然科学基金项目 50874062 , 国家 “ 十一五 ” 支撑计划课题 2007BAK22B04 共同资助 。 作者简介李润之 1981- , 男, 山东滨州人, 博士研究生, 现在山东科技大学从事工业防爆及安全评价方面的研究及教学工作 。 0前言 今年来, 我国煤矿瓦斯爆炸事故频发, 纵观我 国煤矿历年事故统计资料, 呈现出的一个重要特点 是一次死亡人数在 3人以上的重特大瓦斯事故占 有相当大的比重 。 瓦斯爆炸事故的发生不能一概归 咎于管理 、 操作不当, 也存在一些技术难点, 如接近 爆炸下限的低浓度瓦斯燃烧爆炸的特点, 高温高压 对瓦斯爆炸下限浓度的影响, 强点火源 、 其它可燃 物对瓦斯爆炸特性影响等, 尚需进一步研究 。 因此, 搞清楚瓦斯爆炸的机理,研究瓦斯爆炸的特性, 通 过研究弄清这些技术问题, 不仅可以有效地预防煤 矿瓦斯爆炸事故的发生,对瓦斯爆炸事故分析 、 安 全监督都具有非常重要的现实意义 。 瓦斯爆炸的研究一般可分为两个方面一是对 瓦斯爆炸传播过程的研究, 主要研究不同条件下瓦 斯爆炸过程的传播规律, 为阻爆 、 隔爆以及抑爆技 术的研究提供理论依据;二是瓦斯爆炸特性的研 究, 主要针对不同条件下瓦斯爆炸极限及表征参数 的研究 。 文章分别从理论 、 实验和数值模拟 3方面 介绍了近年来国内外在瓦斯爆炸特性方面的研究 现状和研究成果,并指出了研究中存在的问题, 提 出了今后的发展方向 。 1瓦斯爆炸特性理论研究 煤矿瓦斯是可燃爆炸性气体, 受限空间气体爆 炸发展过程较为复杂, 建立比较准确的理论模型描 述爆炸发展过程是很困难的 。 由于工程应用的实际 需要, 研究人员通过各种假设建立了适合于工程应 用的爆炸模型, 先后提出了等温模型 、 绝热模型和一 般模型 [1]。 另外, 研究者从等容绝热燃烧模式出发, 采用球面火焰假设, 在热力学分析的基础上提出了 绝热混合模型等多种模型 [2]。 魏永生, 周邦智等 [3]对不同浓度的多元爆炸性 混合气体的爆炸极限数据进行了多元线性回归分 析, 建立了爆炸极限预测模型; 胡耀元等 [4]对 H 2、 CH 4、 CO 多元爆炸性混合气体浓度爆炸极限及其容 器影响因素进行了探讨, 推出了支链爆炸的充要条 件与复相链终止概率的统一表达式 。 陈昊等 [5]研究 了初始压力对瓦斯混合气体最低点燃温度和可燃 上限的影响, 并根据质量 、 动量 、 能量守恒原理, 推 导建立了考虑初始压力时的爆轰参数计算公式, 计 算出煤矿巷道不同初始压力下的爆轰参数, 分析瓦 斯混合气体的初始压力对于瓦斯爆轰各个参数的 影响 。 具有爆炸危险性的气体或蒸气与空气或氧气 混合物的爆炸极限, 在应用时可查阅文献或直接测 定以获得数据, 也可以通过其它数据或某些经验公 式计算来获得,但由于生产条件或测试条件的出 入, 这类数据只能作参考之用 。 关于爆炸极限的计 算, 目前文献主要介绍有经验计算法 、 按完全燃烧 所需氧原子数估算法和按化学计量浓度估算法等 等 [6]。 高志崇对甲烷等烃类物质燃烧反应机理进行 了深入研究, 将光子能量引入甲烷爆炸反应火焰温 度的计算中, 认为燃烧过程发出了光, 光带走了部 分能量, 这部分能量没有用于升温 。 因而, 爆炸反应 发出的光子数量和波长将直接影响到火焰的温度 。 反之, 根据火焰温度可确定燃烧反应发出光子的数 量, 进而确定燃烧反应的机理 [14]。 2瓦斯爆炸特性实验研究 就瓦斯等可燃气体爆炸特性研究方面, 国外许 多学者都做了大量的工作,并做出了一些装置, 进 行了相应的实验研究, 但这些装置大多用来对爆炸 的爆炸极限进行测试, 对其它爆炸特性研究则不适 宜 。 近几年, 国内也对瓦斯等可燃气体的爆炸特性 做了大量研究, 但所设计的测试装置也大多存在一 定的局限性 。 国外的 J. W. Bolk 等通过实验研究流动状态 下乙烯 /空气 /氮气混合气体的爆炸极限, 其研究结论 对瓦斯爆炸特性的研究具有很好的参考价值 。 M. Caron 等实验研究当压力升高到 0.24.7MPa 时, 甲 烷 /空气混合物浓度从 3083的自动点燃温度 AIT 和冷焰温度 CFT , 得出在高温和高压下, 甲 烷 /空气混合物的爆炸上限与 CFT 有关, AIT 和 CFT 随压力升高而降低 。 国内的一些研究机构也对瓦斯等可燃性气体 爆炸特性的测定做了大量研究 。 傅志远等人 [7]研制 了一套 20L 可燃气体爆炸测试系统,对可燃气体 或蒸汽 爆炸特性参数的测定方法进行了研究, 给 出了几种可燃气体 或蒸汽 与空气混合物混合爆 炸的爆炸极限和最小点火能数据 。 黄超等人 [8]利用 容积为 20L 的等圆柱形不锈钢爆炸容器对烷烃在 高温条件下的爆炸极限进行了测定, 得出了爆炸上 下限与温度之间的定性关系 。 北京理工大学的卢捷 [9], 运用 20L 爆炸实验装置测出了温度在 15℃80℃ 、 压力在 0.1MPa 0.2MPa 条件下煤气的爆炸极限和 最小点火能,给出了煤气爆炸极限与压力和温度的 定量关系 。 张引合等人 [10]在 20L 试验装置中, 分别用 1, 2和 3的瓦斯与煤尘共存进行爆炸特性研 究 。 王陈 [11]在日本九州煤炭矿山研究技术中心, 利用 中国和日本的不同煤样进行了瓦斯煤尘共存条件 下的爆炸特性研究 。 邓军等人 [12]利用 20L 近球形气 体爆炸反应装置, 测试甲烷在宏观静止和湍流两种 不同状态下的爆炸特性 。 3瓦斯爆炸特性实验标准 就瓦斯爆炸特性实验研究方面, 多数学者运用 相关测试系统对甲烷等可燃性气体的爆炸极限进 行了测定 。 目前, 在瓦斯爆炸特性实验研究方面, 大 都无统一的测定标准以及设立标准的有力依据 。 我 国目前在瓦斯等可燃气体爆炸特性的实验研究中, 也无统一的标准规定可循 。 有关瓦斯等可燃性气体爆炸极限的研究, 国外 进行得比较早 。 最早提出测定气体与可燃蒸气爆炸 极限的是美国矿山局的 Coward 及 Jones 发表的 气 体和蒸气燃烧范围 的报告, 其中介绍了一种测定 气体爆炸极限的装置, 此装置常被后人作为试验的 标准装置使用 。 1965年美国矿山局的 Zabetakis 发 表了 可燃性气体及蒸气的可燃特性 一文, 指出 Coward 使用的装置所存在的问题,并设计了采用电 火花点火 、 直径 5cm 、 长 125150cm 的垂直玻璃管, 利用传播法进行常压下气体爆炸极限的测定 。 此 后, 日本 、 前苏联等一些国家也在美国矿山局装置 的基础上进行改进并制作了一些装置 [13], 这些装置 的特点是爆炸容器为管状, 采用电火花点火, 能广 泛进行气体爆炸极限的测试, 但不适于研究气体的 爆炸特性 。 国家标准 空气中可燃气体爆炸极限测定方 法 中规定了测定可燃气体在空气中爆炸极限的方 法, 但该标准只适用于常温常压下测定可燃气体在 空气中的爆炸极限值, 而不适用于高温 、 高压或高 点火能量下瓦斯爆炸特性的研究 。 目前国际上普遍采用的两种确定常压室温下 气体爆炸极限实验方法, 即 20L 球形实验装置 我 国大多特性实验研究采用此类装置 和 DIN51649的实 验装置 [14]。 对于同一种可燃气体, 采用上述不同的 实验方法测试时,得到的爆炸极限的实验结果均 不相同 。 4瓦斯爆炸数值模拟研究 实验研究具有耗资较大 、 时间周期长 、 安全性 差 、 所得信息少 、 而其受到测试手段的限制等特点, 而这些都可以通过数值模拟在一定程度上得到弥 补 。 就瓦斯爆炸特性数值模拟研究方面, 国外的多 家研究机构在瓦斯等气体爆炸的数值模拟方面进 行了较深入的研究 。 澳大利亚 A R 格林和 R W 尤普福尔德建立了基于燃烧学的瓦斯和煤尘爆炸 传 播过 程 的 理 论框 架 及 计算 机 数 值 计 算 模 型 。 Cortese 等人以柱状空间中瓦斯爆炸为研究对象, 对 瓦斯爆炸状态转捩过程进行了数值模拟, 但由于其 研究的几何环境与矿井巷道差别很大, 不能用来解 释矿井瓦斯爆炸 、 传播过程的变化特征 。 国内对瓦斯等可燃气体爆炸的数值模拟研究 也取得了一些进展 。 陈林顺 [15]运用 AutoReagas 软件 对煤矿井下独头巷道中的瓦斯爆炸以及室内煤气 泄露后的爆炸进行了数值模拟 。 居江宁等人 [16]不考 虑气体黏性, 假设冲击波阵面为平面, 对独头巷道 掘进工作面瓦斯爆炸的 2次冲击过程进行了数值 模拟, 由于忽略黏性对冲击波传播过程中的阻力损 失, 不能准确定义, 这种模拟结果, 只能作为定性分 析的基本依据 。 徐景德 [17]以实验研究结果为基础, 基 于激励效应传播的物理机制分析, 对矿井瓦斯爆炸 传播过程的激励效应进行了数值模拟和理论分析 。 吴兵等 [18]从三维 N-S 方程出发, 用 TVD 格式, 对瓦 斯爆炸过程中火焰产生压力波的过程进行了数值 模拟 [19]。 同时, 也研究了瓦斯爆炸过程中压力波 、 火 焰与障碍物的相互作用 。 林柏泉对瓦斯爆炸传播路 线上障碍物前后冲击波变化进行数值模拟 。 综上所述,数值模拟方法综合考虑了点火能 量 、 燃料种类和含量 、 障碍物及泄放实际情况等在 预测气体爆炸时非常重要的影响因素, 而这也正是 前述理论方法的不足之处 。 但在上述瓦斯爆炸的数 值模拟研究方面, 大多是对瓦斯爆炸的传播过程进 行模拟, 而对瓦斯不同环境条件下的瓦斯爆炸特性 研究较少, 这也是以后应加强的方面 。 5发展方向 从目前的研究现状来看, 对瓦斯爆炸特性方面 的研究还远远不够, 特别是温度 、 压力 、 惰性气体含 量及点火能量的大小等对瓦斯空气混合气体的影 响规律缺乏系统的研究 。 因此, 在今后应当将如下 方面作为研究方向 1 关于瓦斯爆炸点火能量, 目前还尚未建立 基于矿井环境的点火能量的计算方法, 关于爆炸环 境参数 、 瓦斯浓度 、 氧气含量等因素对点火能量的 影响, 也需要进一步分析 。 2 研究初始温度 、 初始压力 、 惰性气体含量及 点火能量对瓦斯爆炸特性的影响 。 3 加强瓦斯爆炸特性的数值模拟研究 。 解决 爆炸过程中瓦斯气体表征参数的变化特征 、 初始条 件对爆炸极限及表征参数的影响等问题 。 4 目前, 我国在可燃气体 蒸气 爆炸特性的 实验研究方面, 尚无统一的标准, 有待以后制订 、 健 全 。 参考文献 [1]赵衡阳 . 气体和粉尘爆炸原理 [M].北京北京理工大学出版社, 1996. 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