煤炭是我国最可靠的一次能源,其主体地位将长期保持不变,但瓦斯爆炸事故仍时有发生,始终威胁着煤矿的生产安全。瓦斯爆炸是涉及燃烧和湍流的高速复杂动力学过程,具有明显的尺寸效应,这决定了现有小尺寸管道实验只可为矿井瓦斯爆炸提供定性认识,原型巷道实验因空间结构简单和测试手段有限无法全面反应实际情况,导致当前瓦斯爆炸灾区火焰传播规律不清、压力衰减特征不明,进而使得通风系统的可靠性和抗灾性构建缺少依据,减灾设施的布置难以优化,救援人员也因无法确定爆炸安全距离常付出以身试险的代价。基于以上现状,本文采用物理实验、数值模拟并辅以理论分析的综合研究方法,较为全面地研究了煤矿瓦斯爆炸火焰和压力波在巷道网络中的传播规律,主要结论和成果如下:设计构建了长15.24m、直径0.71m的大尺度瓦斯爆炸实验系统,包括爆炸管道、配气管路、消声消焰室、安保措施、控制和数据采集系统及其软件。系统能安全准确地测试不同浓度预混瓦斯爆炸的火焰速度、形态和爆炸压力,具备预混多种可燃气体、布置障碍物和延伸测试长度的扩展能力。与同类实验装置相比,本实验系统管道尺寸较大、操作自动化程度较高,具备完善的噪声和火焰抑制功能,基于系统思维的安保系统设计可保证实验过程和人员的安全。实验研究了大尺度管道中的火焰传播规律和压力变化特征。管状空间中瓦斯爆炸火焰传播速度沿程按指数增长,当前管道条件下7.5%、9.5%和11.5%预混瓦斯爆炸的峰值火焰速度分别可达127.7m/s、340.6m/s和271.7m/s,数值计算的火焰速度极值与实验值十分接近,但因建模和边界条件差异沿程按幂函数增长。9.5%的预混瓦斯爆炸超压最大且约为180k Pa,封闭端的爆炸压力略大于开口端。管状空间中,爆源附近负超压破坏效应强于正超压,且爆炸烈度越高负压破坏区越长,但在远场正超压起主要破坏作用。研究了煤矿典型瓦斯爆炸源区域的火焰作用范围和压力分布特征及其影响因素。通过建立原型尺度的直巷、采煤面、掘进面和联络巷模型,改变空间特性和边界条件参数,研究得到煤矿井下瓦斯爆炸源的峰值超压范围在150–1400k Pa,10.3–10.5%的预混瓦斯爆炸压力最高,高阻塞率可显著增强爆炸压力。通过理论分析,得到在预混瓦斯参数及空间特征相同条件下,爆炸火焰传播规律、峰值超压及其接近出口前的衰减规律均相同。提出了一种表征不同巷道截面形状宽高比偏差程度的方法,并发现了不同爆炸烈度状态下某一方向自由度对压力的影响机制,巷道截面积和形状决定了爆炸超压的极限值,且对于相同截面积的巷道,截面形状越接近正方形,其爆炸峰值超压越低。此外,研究显示密集布置的障碍物和巷道分叉可显著限制火焰传播距离;巷道分叉是降低爆炸超压和气流速度的有效结构;90°巷道转弯可显著降低爆炸超压,但对气流速度影响较小;巷道约束度越高,反射效应越强。对于两端封闭且瓦斯浓度较高的联络巷,密闭破坏后未燃瓦斯将涌入新鲜风流巷道发生二次燃烧并产生更高超压;相同截面联络巷瓦斯爆炸产生的超压十分相近,与封闭条件和密闭破坏压力无关。研究表明巷道截面约束度和预混瓦斯量竞相控制着爆炸峰值超压,空间阻塞率影响着这种竞相作用。一般情况下,预混瓦斯量和爆炸超压成正比,巷道截面积与其约束度和爆炸超压成反比。低阻塞率条件下,增大巷道截面虽可使预混瓦斯量等比增加,但爆炸超压仍降低,即低阻塞率巷道中截面约束度对爆炸超压的控制作用强于预混瓦斯量;但在高阻塞率巷道中增大巷道截面,密集障碍物将激励等比增加的预混瓦斯燃烧,虽巷道截面约束度降低,但爆炸峰值超压将显著升高,即高阻塞率巷道中预混瓦斯量对超压的控制作用强于截面约束度。通过建立原型尺度的直巷、转弯和分叉巷道模型研究了压力波在矿井复杂结构巷道中的衰减规律。研究发现压力波的反复压缩、膨胀和振荡耗散对其衰减起重要作用。直巷中压力波按负指数规律衰减且压力波强度越高、巷道断面越小,则沿程衰减越快,给出了不同强度压力波通过不同尺度截面直巷的衰减公式。巷道转弯和分叉是促进压力波衰减的有效结构,转弯分叉越剧烈、压力波越强则衰减越明显;巷道截面越大,同强度压力波通过后的衰减略有增加;低强度压力波通过各类结构巷道的衰减均较弱,可远距离传播致灾,给出了不同强度压力波通过不同截面尺度、转弯和分叉角度巷道的衰减系数。构建了煤矿瓦斯爆炸灾区火焰作用范围和压力分布的简化预测模型。总结了火焰作用范围的估算方法和不同强度压力波在不同截面和不同结构巷道中衰减的估算方法,给出了简化模型的应用流程,经案例验证,简化模型的预测结果合理,并基于该模型讨论了瓦斯爆炸的安全距离。本文基本阐明了原型尺度下煤矿瓦斯爆炸火焰和压力在巷道网络中的传播规律,可为进一步研究矿井通风系统的可靠性和抗灾性构建方法、阻隔爆设施的优化设计及其选址、瓦斯爆炸安全距离的确定、瓦斯爆炸灾情快速模拟程序的开发提供理论依据和技术支持。本论文有图103幅,表36个,参考文献166篇。