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作 者
裴 蓓1，张子阳1，潘荣锟1，余明高2，陈立伟1，温小萍1
单 位
1. 河南理工大学 煤炭安全生产河南省协同创新中心；2. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室
研究背景
瓦斯爆炸是影响煤矿安全生产的“ 头号杀手”。煤矿中重大爆炸事故往往是由瓦斯、煤尘共同参与爆炸引起的,瓦斯爆炸产生的冲击波在传播过程中不断卷吸巷道四周沉积煤尘,形成分布不均匀的可燃性粉尘云,随之受到高温火焰面引燃,以不间断爆炸的形式传播,导致瓦斯/煤尘爆炸具有更高破坏性。
现有研究主要围绕瓦斯/煤尘共存时爆炸超压、火焰传播速度等爆炸特性展开。由于煤矿瓦斯/煤尘爆炸火焰是一个由冲击波引导的煤尘云火焰形成的复合体,冲击波强度对沉积煤尘的卷吸效果有重要影响,而目前对复合冲击火焰的形成与火焰加速方面的研究较少。为此,有必要进一步研究不同爆炸强度下的煤尘卷吸特征,以揭示其对瓦斯/煤尘爆炸火焰加速的影响。
摘 要
在全透明有机玻璃管道中,利用同步控制系统、高速摄像系统和高速粒子成像测速系统(PIV),从爆炸超压、火焰传播速度、火焰温度和复合火焰演化规律等方面研究了不同瓦斯爆炸强度条件下诱导沉积煤尘爆炸特性和复合火焰传播特性,并分析了煤尘卷扬湍流特征。实验结果表明:3种工况下,随着甲烷体积分数的增加,爆炸超压和压力上升速率明显增高,压力峰值来临时刻减小,且当体积分数超过8.5%后,压力曲线和压力上升速率曲线出现明显的振荡特征;复合火焰传播速度远大于纯瓦斯爆炸工况,且复合火焰传播速度-位置曲线均呈波动上升特征;甲烷的体积分数越接近当量比,爆炸超压、波前流速、火焰锋面温度及其温度上升速率越高;甲烷体积分数为9.5%和8.5%时,复合火焰呈“倒钩形”,之后很快出现火焰加速;而甲烷体积分数降至8.5%后,复合火焰亮度降低,结构呈现破碎和不连续的形态特点。PIV测试表明:甲烷体积分数为9.5%时,初始爆炸强度高,波前流速快,煤粉可随冲击波整体快速运动,卷扬区整体湍流强度较高,大大加快了煤粉与空气的混合速度,促进了卷扬煤粉的燃烧。较高的冲击波波前流速和火焰锋面温度2种参数相结合是造成甲烷/煤尘复合火焰不断加速的原因。
部分图片
实验系统
褐煤煤粉的粒径分布及SEM图像
3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸压力-时间曲线
3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸压升速率-时间曲线
3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰温度-时间曲线
火焰温度峰值及来临时刻随冲击波强度变化曲线
3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰温升速率-时间曲线
复合火焰最大温升速率及其来临时刻随甲烷体积分数变化曲线
3种强度冲击波诱导煤尘爆炸火焰传播速度-时间曲线
3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播速度-传播距离曲线
3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰结构图像
PIV实验系统示意
3种强度冲击波诱导煤尘爆炸瞬间速度场和涡量场
甲烷/煤尘爆炸复合火焰加速模式
作者简介
裴蓓，女，1982年9月28日生，河南汤阴人，工学博士，副教授，硕士生导师，一级注册消防工程师，注册安全工程师，河南理工大学安全科学与工程学院消防工程系教师，主要从事火灾爆炸防护方面的教学与研究工作，校级骨干教师。获省部级科技奖励4项，发表学术论文50余篇。
研究方向
火灾与爆炸防护
主要成果
致力于气液两相介质抑爆理论与技术的研究，取得多项创新性成果，形成了适用于井巷和抽采管网的含添加剂双流体惰化细水雾抑爆减灾综合防护技术体系，为煤矿提供了安全、清洁、高效的抑爆减灾技术。
裴蓓,张子阳,潘荣锟,等. 不同强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播特性[J]. 煤炭学报,2021,46(2):498-506.
PEI Bei,ZHANG Ziyang,PAN Rongkun,et al. Flame propagation characteristics of deposited coal dust explosioninduced by shock waves of different intensities[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(2):498-506.
责任编辑：钱小静编辑整理：郭晓炜审核：常 琛
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