复杂分支巷道网络中瓦斯煤尘混合物的爆炸传播与流场扰动机理

《Powder Technology》：Explosion propagation and flow-field disturbance mechanisms of gas–coal dust mixtures in complex branched roadway networks

　　

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  对多分支巷道网络中燃气–煤尘爆炸的研究。
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  压力波促进了煤尘的重新悬浮和二次燃烧。
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  涡状结构影响了煤尘的输运和火焰传播。
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  汇流引起的流动扰动改变了局部颗粒和火焰动力学。
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  加入煤尘后，局部峰值超压最高增加达40.7%。

引言

在能源结构调整和安全要求日益严格的背景下，煤炭仍然是中国的主要一次能源，对保障能源安全和稳定经济发展起着至关重要的作用[1], [2]。随着煤炭开采活动逐步向更深地层延伸，地下巷道系统日趋复杂，给矿井安全带来了更大挑战[3], [4], [5]。在开采过程中，不可避免地会产生大量瓦斯排放和煤尘沉积。作为两种典型的危险源，瓦斯和煤尘在某些条件下会参与爆炸事故，从而对地下矿井安全构成严重威胁[6], [7], [8]。一旦发生瓦斯爆炸，所产生的冲击波可诱导沉积煤尘的再悬浮，随后可能被高温火焰重新点燃，导致连续爆炸发生，显著增强爆炸强度和破坏范围[9], [10]。此外，复杂的多分支巷道网络具有分叉和弯道等结构特征，这些特征可显著改变局部流场分布，诱发回流涡和湍流增强结构，进一步影响冲击波和火焰锋面的传播行为，从而加剧灾害风险[11]。因此，系统揭示复杂巷道结构中燃气–煤尘爆炸的传播特性和流场机制，对于深化爆炸机理认识、提升矿井灾害防控能力、确保煤矿安全生产具有重要意义。

世界各国已围绕燃气–煤尘耦合爆炸引发的次生爆炸开展了大量研究[12], [13], [14]。关于煤尘再悬浮和连续爆炸传播，Cheng等人[15]通过工程尺度巷道实验表明，沉积煤尘可被初始爆炸产生的冲击波携带并随后参与燃烧反应，被认为是导致爆炸传播加剧和次生灾害发展的关键因素。Wang等人[16]结合巷道实验与模态分析，报告了煤尘的存在显著复杂化了波动演变过程，同时明显增强了火焰锋面与压力波之间的耦合效应。Yu等人[17]进一步指出，冲击波强度直接决定煤尘再悬浮的程度，并主导连续"甲烷–煤尘–甲烷"爆炸过程中的火焰传播和超压演变。Jing等人[18]在多分段巷道实验中观察到，火焰进入含有悬浮煤尘的区域后，火焰形态由"V形"结构转变为指状结构，并伴随火焰传播速度和爆炸强度的显著增加。这些研究表明了煤尘在连续爆炸传播中的关键作用。然而，大多数现有研究主要集中于相对简单的巷道构型，对于复杂结构中火焰传播与压力波演变之间的动态交互作用则关注较少。

随着相关研究的不断进展，越来越多的注意力被投向复杂结构对燃气–煤尘爆炸传播的影响[19], [20]。以往研究已表明，煤尘的存在可显著改变火焰传播稳定性和爆炸超压特性[21], [22], [23], [24], [25]。关于结构参数的影响，Si等人[26]报告，拐角结构可显著影响火焰传播速度和火焰持续时间。Song等人[27]指出，分支连接结构可显著调节冲击波传播路径和局部超压分布。Guo等人[28]进一步证明，冲击波强度通过影响煤尘再悬浮过程间接支配连续爆炸的后续演变。现有研究初步揭示了局部结构对爆炸传播的调制效应。然而，大多数研究仅限于单角或单分支模型等简单构型，对于由多个相互连接的分支组成的复杂煤矿巷道网络中的爆炸传播行为研究仍显不足。

此外，复杂结构所诱发的流场扰动及其耦合相互作用机制尚未得到系统阐明。在实际的地下巷道网络中，冲击波和火焰在通过分叉、弯道和汇流区域传播时，强烈受到流动分离、反射回流和局部湍流增强的影响，随后改变了火焰锋面的传播行为和局部爆炸强度[29], [30], [31]。同时，流场结构的变化可进一步影响煤尘颗粒的再悬浮、输运和重新混合过程，导致爆炸传播过程中出现更显著的局部增强特征[32], [33]。然而，现有研究主要仅分析单一参数，如超压或火焰行为，而在复杂结构条件下，流场演变、火焰传播和煤尘存在之间的协同相互作用机制仍未得到充分理解。

针对上述问题，本研究建立了一个由分叉、弯道和汇流结构组成的复杂分支管道网络实验平台。开展了涉及气体和气体–煤尘混合物的爆炸传播实验，获得了爆炸超压和火焰传播特性等关键参数，从而能够分析复杂结构条件下的爆炸传播行为。在此基础上，开发了与实验配置一致的数值模型以模拟整个爆炸过程，弥补了实验在捕捉局部流场结构和瞬态传播行为方面的局限性。从爆炸参数演变和流场结构变化的角度系统地分析了爆炸过程，进一步揭示了涉及煤尘条件下冲击波传播、火焰演变和局部流场扰动之间的耦合相互作用机制，并阐明了包括分叉引起的分流、拐角反射和汇流引起的碰撞等结构效应对爆炸传播行为的影响机制。本研究为复杂地下巷道网络中的爆炸灾害防控提供了理论支持。

章节摘要

复杂分支巷道网络中燃气–煤尘爆炸的实验研究

本研究所用的实验系统为独立设计和构建，如图2所示。该平台主要由爆炸管道网络系统、点火系统、气体分配与循环系统、超压和火焰测量系统以及高速数据采集系统组成。

实验巷道总长为20米。管道外径为200毫米，内径为180毫米。总体布局

几何模型与网格生成

图3展示了在CFD软件中以1:1全尺寸比例建立的实验管道网络三维几何模型。该模型由水平直管段、直角弯管段和T形分叉节点组成。巷道外径为200毫米，内径为180毫米。点火端被定义为封闭边界，而另一端两个开口则配置为泄压出口

结果与讨论

选择爆炸超压、火焰传播速度和局部涡结构作为表征爆炸传播和流场扰动的主要参数。爆炸超压反映压力波响应及其空间演变，火焰传播速度则表征火焰锋面的动态发展。涡结构描述由几何结构所诱导的局部流动分离、回流和流场重新分布

结论

本研究通过自建的分支管道实验平台并结合数值模拟，系统地研究了甲烷–空气和甲烷–煤尘条件下的爆炸传播特性。分析了超压、火焰传播和流场扰动等关键参数，揭示了冲击波诱导煤尘携带、悬浮和二次爆炸的动力学过程，并阐明了多场相互作用

作者贡献声明

Yihui Niu（牛一辉）：方法论、资金获取、形式化分析。Yuke Gong（龚宇柯）：原创稿件撰写、方法论。Lingui Jiang（蒋玲贵）：监督指导、数据管理。Wenhe Wang（王文河）：项目管理、调查研究。Hongfu Mi（米宏福）：验证、调查研究。Xiaofei Jing（晶晓飞）：调查研究。Bingshu Du（杜炳书）：验证、调查研究。

资助

本研究获得国家自然科学基金委员会（编号：52304207）、重庆市教育委员会科技研究项目（项目编号：KJQN202301525）、重庆应急燃料供应与油气安全保护重点实验室（陆军军事燃料供应与安全保护技术重点实验室）（LQ24KFJJ02）、重庆市教育委员会科技研究项目资助，

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知可能影响本文研究工作的竞争性经济利益关系或个人关系。

Yihui Niu（牛一辉）|Yuke Gong（龚宇柯）|Lingui Jiang（蒋玲贵）|Wenhe Wang（王文河）|Hongfu Mi（米宏福）|Xiaofei Jing（晶晓飞）|Bingshu Du（杜炳书）