瓦斯及煤尘爆炸事故是我国煤矿生产活动中发生最频繁的灾害事故之一,由于井下特殊的空间环境,在煤矿作业过程中,巷道内产生的煤尘与瓦斯容易发生共存现象,一旦遇到火源发生爆炸,造成极大的人身伤亡和国家财产损失。为了有效的控制此类灾害事故,掌握爆炸冲击波在传播过程中的机理是预防事故的基础。然而爆炸冲击波在传播过程中受到可燃物本身性质及巷网传播空间等多种因素的限制,使得冲击波的传播过程更为复杂,并且产生的破坏更加严重。因此,需要完善复杂巷网内冲击波的传播理论,研究多种因素耦合作用下冲击波在半封闭空间内的时空演化规律,控制和减轻冲击波在传播过程中造成的伤害。本文针对上述问题,运用爆炸力学、空气传播动力学、流体力学等理论,自行搭建大型复杂管网实验系统,研究瓦斯及瓦斯煤尘混合爆炸冲击波在非预混燃烧区内爆炸超压和火焰的传播规律,再通过数值模拟进行验证分析,得到的主要结论如下:(1)基于一定的假设条件,构建了爆炸冲击波在管网内发生衰减后超压、传播距离和冲击波速度之间相互耦合的关系式,通过分析发现爆炸超压与传播距离和断面面积的平方根呈反比,与爆炸初始能量的平方根呈正比;得出了管网内正向和反向冲击波在复杂区域内相遇时超压和气流速度与各初始气体参数之间的耦合关系。(2)搭建爆炸角联管网实验系统,开展浓度分别为8%,9.5%,11%的瓦斯对爆炸冲击波传播特征的影响,发现冲击波超压在非预混燃烧区内随时间的演化过程可以分为三个阶段:第一个阶段超压平稳上升,而在第二个阶段超压突变,出现显著跃升,迅速到达峰值,最后第三个阶段超压发生快速衰减,最终趋于大气压强。得出冲击波在传播过程中受到瓦斯浓度的影响,接近9.5%时产生的超压峰值和焰面传播速度以及火焰传播距离达到最大。(3)通过实验研究半封闭角联管网内瓦斯爆炸冲击波的传播特征,发现冲击波在并联分支传播时,随着冲击波传播距离的增加,超压峰值和焰面传播速度呈逐渐减小的变化趋势,而火焰持续时间呈先增大再减小的变化趋势,并且并联分支两侧的超压和火焰变化趋势相一致,由此得出火焰传播的最大距离以及建立了超压与传播距离之间的耦合关系式。此外,在角联分支中,由于相向冲击波的叠加会形成高压区域,而火焰产生的信号十分微弱,角联分支不受火焰的波及从而温度较低。(4)通过半封闭角联管网瓦斯煤尘混合爆炸实验,分析煤尘沉积量及粒径对冲击波传播特征的影响,发现冲击波爆炸超压和火焰的波形中出现两个波峰,瓦斯爆炸产生第一个峰值,但持续时间相对较短,而煤尘参与爆炸产生超压更大,光信号更强的第二个峰值,由此得出混合爆炸产生的超压会显著增大,并且导致火焰持续时间更长。此外,随着煤尘质量增加,超压峰值和焰面传播速度以及火焰持续时间都呈先增大后减小的趋势;随着煤尘粒径范围增加,各测点的超压峰值和焰面传播速度呈先增大再减小的趋势,然而火焰持续时间的变化相差不大。(5)通过比较瓦斯及瓦斯煤尘混合爆炸,在相同的条件下得出进入并联分支之前冲击波超压衰减程度相差不大,而在并联分支内,瓦斯煤尘混合爆炸冲击波的超压在T10测点之前(传播距离小于17m)衰减的程度较快,经过T10测点之后衰减程度较慢。质量20g,粒径范围为64um-106um的煤尘超压峰值和焰面传播速度最大,且冲击波超压在管网内衰减程度最为缓慢。(6)通过数值模拟研究瓦斯爆炸冲击波在角联管网非预混燃烧区内的传播过程,发现角联管网内出现两个高压区域,分别在角联分支中部和并联分支末端,此外角联分支中部也不受火焰的波及。并在此基础上,模拟多因素条件下角联管网瓦斯爆炸传播特征,发现瓦斯浓度,管网几何构造以及点火位置的改变会提高爆炸强度以及改变超压的增大区域,并且火焰波及范围也会增大。(7)将气相预混燃烧模型和固相非预混燃烧模型相结合,计算瓦斯煤尘混合爆炸传播的数值模拟结果,发现在模拟过程中爆炸超压及火焰的变化趋势与实验过程中基本吻合,很好的验证了实验中冲击波的传播过程。在相同的实验及数值模拟条件下,通过对比研究,发现瓦斯煤尘混合爆炸会出现更高的超压及温度,压力持续时间也大大增加,并且火焰在管网内的传播距离更长。此外,随着煤尘质量增加,最大爆炸超压呈先增大后减小的趋势;而随着煤尘粒径增加,最大爆炸超压呈逐渐减小的趋势。以上研究成果对煤矿井下复杂巷道内瓦斯及瓦斯煤尘混合爆炸灾害的防控与救灾具有重大科学价值和实际意义。图[83]表[23]参[147]