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瓦斯爆炸抑爆减灾技术研究存在哪些问题?

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匿名 提出于2020-03-04 15:37
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  瓦斯爆炸防治研究是保证矿井安全的重要课题,受到了广泛关注。在过去的几十年中,国内学者围绕煤矿瓦斯爆炸抑爆减灾技术开展了大量的研究工作,包括:瓦斯爆炸机理、瓦斯爆炸火焰传播规律、瓦斯抑爆技术、瓦斯抑爆装备以及瓦斯爆炸发生后的减灾技术,形成一个较为完整的瓦斯爆炸抑爆减灾技术体系。然而,近几年重(特)大瓦斯爆炸事故仍时有发生,造成巨大的生命财产损失及巨大的社会负面影响。这说明对瓦斯爆炸的防控形势依然严峻,瓦斯爆炸抑爆减灾技术理论体系仍需继续完善。

  (1)瓦斯爆炸火焰传播理论仍需完善。

  瓦斯爆炸反应机理及爆炸火焰传播理论是防控瓦斯爆炸的基础,国内学者在此方面开展大量研究工作,包括,基于敏感性分析方法得到瓦斯爆炸链式反应中的关键基元反应和基于实验研究得到瓦斯爆炸火焰传播过程中火焰结构、火焰传播速度以及超压变化规律。这些宏观性的实验参数虽然能够在一定程度上为瓦斯爆炸的防控提供理论支撑,但不能从本质上揭示瓦斯爆炸火焰传播规律。瓦斯爆炸传播属于带强烈化学反应的强湍流过程,特别是在多重障碍物的作用下,瓦斯爆燃火焰传播过程中会产生压力波。仅从爆炸火焰结构、爆炸火焰传播速度以及超压积聚变化规律很难揭示瓦斯爆炸火焰-湍流-压力波的耦合作用机制。此外,由于现有实验方法和测试手段的限制,不能通过实验直接捕捉详实的火焰传播过程及其流场变化特征,因此缺乏足够的数据来揭示火焰-湍流-压力波的耦合作用机制对瓦斯爆炸火焰传播的控制。

  (2)瓦斯爆炸火焰传播模型过于简化,带反应机理的数值模拟亟需解决。

  现有的数值模拟往往采用简化模型开展瓦斯爆炸火焰传播特性研究工作。特别是采用大涡模拟方法模拟瓦斯爆炸火焰传播时,亚网格燃烧模型的选取需要根据实际工况进行调整,亚网格燃烧模型的准确性与普适性仍需进行更多的改进与验证。瓦斯爆炸是一种剧烈的化学反应过程,开展带化学反应机理的瓦斯爆炸数值模拟有助于从理论上揭示瓦斯爆炸火焰传播过程中瓦斯爆炸燃烧波、冲击波在传播扩散过程中温度、压力的时空变化规律,从本质上揭示瓦斯爆炸火焰传播机制。然而,准确度较高的GRI Mech 3 0甲烷燃烧机理包含53种组分、325个基元反应,直接采用如此复杂的反应机理开展数值模拟工作难以实现,需要对反应机理进行简化,以满足数值模拟的要求。而机理的简化并不是在复杂反应机理的基础上对中间反应产物以及中间基元反应进行简单的祛除,需要对关键自由基、关键反应路径变化的进行详细的分析,更需要对瓦斯热力学参数的优化,以此保证简化机理的准确性。如何实现带化学反应机理的数值模拟是现今亟需解决的重大问题。

  (3)瓦斯爆炸抑爆剂的详细化学作用机制需更加明确。

  抑爆剂详细的化学作用机制需更加明确。抑爆剂是矿井瓦斯抑爆装备的重要组成部分。国内学者对惰性气体抑爆剂(N2和CO2等)、细水雾抑爆剂(细水雾、含添加剂细水雾和荷电细水雾)、粉体抑爆剂(碱金属盐粉体、改性粉体、复合粉体)、多孔抑爆介质以及气液两相抑爆剂抑制瓦斯爆炸开展了大量的研究工作。重点关注了瓦斯抑爆过程中最大爆炸压力、最大压力上升速率以及火焰传播速度的变化规律。宏观的实验参数能够反应抑爆剂对瓦斯爆炸的抑制作用,却不能解释抑爆剂在抑制瓦斯爆炸过程中的作用机理。现有的研究主要通过表征抑爆剂的热力学特征参数来解释抑爆剂抑制瓦斯爆炸反应的作用机理,包括,热重分析、微分热重分析、差热扫描/焓变、活化能等。虽有部分学者尝试解释抑爆剂在抑制瓦斯爆炸反应过程中的作用机理,但缺乏足够的理论支撑,化学抑制作用机理并没有被很好的揭示。现有的研究缺乏从抑爆剂反应作用机理出发,从化学分子动力学出发,结合数值模拟,分析不同类型抑爆介质(气相、液相、固相)在抑制瓦斯爆炸反应过程中的键能、关键自由基及关键反应路径变化规律,不能准确的从机理层面阐明抑爆剂在瓦斯抑爆过程中的作用机制。瓦斯抑爆剂的发展趋势是清洁高效、安全环保。对粉体抑爆材料进行改性、复合,或使用两相抑爆剂协同能够在一定程度上提高抑爆剂的抑爆性能,丰富瓦斯抑爆材料。此外,高分子有机抑爆材料已经在防灭火中表现出更加优良的性能,尝试将高分子有机灭火材料引入瓦斯抑爆材料是提高抑爆性能的重要手段。

  (4)瓦斯爆炸抑爆装置配置方式需要进一步研究。

  煤矿井下巷道中布置的抑爆装置包括主动式抑爆装置与被动式抑爆装置。被动式抑爆装置(隔爆岩棚、隔爆水棚等)因其布设简单、成本低廉而广泛应用于煤矿井下,且其布设要求、标准已经在《煤矿安全规程》中做出了明确的规定。然而,一方面随着现代化进程的快速推进,单个矿井产能不断增大,矿井逐步向深部延伸,在大风量、高地温环境下,采用被动式防爆装置已经渐渐地不能满足防控瓦斯爆炸的作用;另一方面,被动式抑爆装置发挥作用时瓦斯爆炸已经发展到一定的规模,被动式抑爆系统往往不能扑灭瓦斯爆炸火焰,发挥阻隔瓦斯爆炸传播的作用。采用主动式抑爆装置能够克服被动式抑爆装置的问题。基于双紫外线探测技术,主动式抑爆装置能够实现对瓦斯爆炸火焰的“精准”探测,对瓦斯爆炸火焰做出“快速”反应,能够在瓦斯爆炸发展初始阶段扑灭爆炸火焰。然而,主动式抑爆装置价格高昂且缺乏相关的布设标准严重阻碍着其在矿井的推广与使用。如何实现主、被动抑爆装置的优化配置是实现瓦斯爆炸防控的关键,这需要今后通过大量的实验确定。

  (5)瓦斯爆炸减灾装置智能化水平有待提高。

  井下瓦斯失控后,瓦斯爆炸冲击传播至井口时,需要风井防爆门能够快速打开泄压,保护风机,泄压结束后,需要风井防爆门能够实现快速复位、密封,恢复井下通风,防止灾害扩大。现有的风井防爆门受瓦斯爆炸冲击破坏严重,更有甚者防爆门在冲击作用下被抛出,造成复位困难,致使风井防爆门并不能履行其协同减灾的功能。现有的研究主要集中于对风井防爆门快速开启、复位进行研制。然而,在瓦斯爆炸冲击过程中,冲击动作属于毫秒级,而防爆门开启泄压动作属于秒级,现有的研究缺乏考虑在瞬时(ms)冲击作用下的风井防爆门破坏动态力学响应特征,缺乏对在瞬时冲击作用下风井防爆门动作响应的考虑。如何实现风井防爆门在灾变时实现快速泄压且泄压后实现快速复位而不被破坏是当前研究的难点。针对现有风井防爆门发展情况,如何研制具有抗冲击、多次泄压、快速复位、锁扣密封及自动控制功能的主-备一体化智能风井防爆门装备是当前研究亟需解决的重点、难点。

参考文献:《我国煤矿瓦斯爆炸抑爆减灾技术的研究进展及发展趋势》

发布于 2020-03-04 15:40
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