煤矿瓦斯煤尘爆炸数值模拟研究

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作者：

魏嘉

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摘要：

瓦斯煤尘爆炸是我国煤矿事故中最严重的一种事故,由它导致的死亡人数占各类重大事故造成死亡人数总和的一半以上。瓦斯瞬间爆炸产生的温度可高达1850-2650℃,压力已远远超过初始压力的9倍,爆源附近气体的速度以每秒几百米以上向外部冲击,造成伤亡人数增加、损坏器材设施和巷道。爆炸后使瓦斯具有较低的浓度,使生成物CO和CO2迅速增加,将导致人员中毒甚至窒息。煤矿井下瓦斯爆炸事故的频繁发生,使得人们必须深入的研究了解瓦斯爆炸的传播规律,才能针对井下的具体条件,来降低瓦斯爆炸事故的发生和制作出具有稳定性好和安全系数高的阻隔爆设施,以此使由爆炸事故引起的危害降到最低。本文将理论分析和前人研究成果相结合,针对巷道内瓦斯煤尘的混合爆炸过程,通过流体力学软件fluent进行数值模拟研究,为了更好的对巷道内瓦斯煤尘混合爆炸过程进行叙述,还建立了相应的数学和物理模型,并拟定了模型的边界条件和数值模拟的初始条件。对瓦斯煤尘混合爆炸过程的模拟采用涡耗散概念模型(EDC),对爆炸过程中速度和压力变化关系的处理采用PISO算法。由于壁面附近是气固两相流,为了提高模拟的精度和准确性,壁面附近的流场采用非平衡函数法处理。本课题主要研究了以下个方面,分别为(1)煤尘粒径大小对爆炸超压的影响,结果显示最大爆炸超压值随着煤尘粒径的增大明显减小,而且基本呈线性变化。由复合爆炸引起的最大爆炸超压在煤尘粒径为40μm时达到最大值。(2)瓦斯浓度与煤尘浓度分别对爆炸超压的影响,结果显示在甲烷浓度恒定时,随着增加煤尘的浓度,最大爆炸超压值呈现先增大后减小的趋势,存在一个最大值。其中当煤尘浓度为390g/m3,5%的瓦斯浓度时由爆炸产生的爆炸压力达到最大值。(3)煤尘粒径对爆炸压力上升速率的影响,结果显示当适当的减小煤尘粒径,爆炸压力的上升速率反而逐渐加快。(4)瓦斯浓度和煤尘浓度对爆炸最大压力上升速率的影响,结果显示当煤尘浓度恒定时,爆炸最大压力的上升速率随着瓦斯浓度的变化呈现出先增大后减小的趋势。而在瓦斯浓度固定的前提下整体与前者呈现一样的变化趋势。(5)瓦斯煤尘混合爆炸火焰传播特性,结果显示瓦斯煤尘混合爆炸所产生的火焰传播距离要远远高于纯瓦斯的爆炸,且传播的速度随着温度的升高而显著加快。

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关键词：

瓦斯煤尘 数值模拟 最大爆炸压力 最大爆炸压力上升速率 gas and coal dust numerical simulation the maximum explosion pressure themaximum rising rate of explosion pressure