水平管道内瓦斯爆炸的阻爆方法探索

作     者：张运鹏 

作者单位：河南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：路长

授予年度：2020年

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

主      题：ABC干粉 氮气 甲烷 抑制熄灭区 阻爆 泄压 

摘      要：CH爆炸作为破坏矿山安全的罪魁祸首,经常造成对巷道内物品的高压冲击与对巷道设备的高温火焰灼烧,造成生产人员伤亡的同时也带来巨大财产损失和不良的社会影响。如何更好地控制CH爆炸是各国的专家与学者们不断探索的重要课题。本文研究如何在不阻断通风的情况下阻止爆炸火焰传播,从而更有效地消除瓦斯爆炸灾害问题。本文在实验室的现有条件上,自主搭建主动阻爆系统。该系统主要由五个部分组成:管道部分、充气部分、点火部分、灭火部分和测量部分。根据实验条件要求设计系统、采集并记录实验中所涉及的压力改变过程、火焰的传播过程等相关数据。管道内发生甲烷爆炸后,主动阻爆装置开启,ABC干粉由氮气驱动喷出并形成抑制熄灭区域,对爆炸火焰形成持续的抑制作用并最终实现对爆炸火焰传播的阻止。逐渐增加氮气喷出压力或者ABC干粉时,在超过阻爆所需最低限度后,火焰传播最远距离会缩短,并最终趋于右喷头处。随着氮气压力的升高,阻爆所需最少ABC干粉逐渐减少,且氮气具有抑制和促进爆炸反应的双重作用。在爆炸的初始传播阶段,PVC薄膜破裂引起的超压峰值相对稳定,而氮气和ABC干粉的排放与喷射引起的湍流要复杂得多。但是,当喷头距离爆炸源较近时,需要适当提高氮气喷出压力,以能够在爆炸火焰到达喷头之前迅速形成抑制熄灭区。在研究火焰速度与阻爆所需最少ABC干粉量后发现:ABC干粉主要是对进入抑制熄灭区内的爆炸火焰产生抑制作用,对前期传播的爆炸火焰影响极小。无侧向泄压口下,爆炸火焰传播速度(x)与阻爆所需最少ABC干粉(y)间存在近似线性关系。斜率k在1-2之间。在研究侧向泄压口与氮气喷头位置关系后发现:未喷气状态下,受侧向泄压的影响,爆炸火焰在水平管道中总的传播时间从无侧向泄压时的185ms延长至259ms,时间增加了40%,实现了火焰传播速度的大幅度降低。侧向泄压会增大破膜压力,导致第一超压峰值升高,也会降低爆炸最高超压、延迟超压峰值出现时间。有侧向泄压口时,氮气喷头在左时阻爆效果优于氮气喷头在右。因此,在侧向泄压对爆炸火焰反应速率大幅削弱后,通过合理布置喷头喷出ABC干粉和氮气形成抑制熄灭区,能够在不阻断通风的情况下实现对瓦斯爆炸火焰传播的阻止和熄灭。即能否成功阻止爆炸火焰的关键是,由ABC干粉和氮气形成的抑制熄灭区能否在爆炸火焰到达前迅速形成,并持续对爆炸火焰进行抑制直至火焰反应速率为0。