Influence de la concentration initiale du gaz sur le méthane

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13519 (2023) Citer cet article

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Les explosions de gaz, en particulier celles impliquant des mélanges méthane-air, présentent des risques considérables dans les espaces confinés, tels que les mines de charbon. Comprendre les caractéristiques de l'explosion et leurs corrélations avec les concentrations initiales de gaz est essentiel pour concevoir des mesures de sécurité efficaces. Cette étude examine l'influence de la concentration initiale de gaz sur la température d'explosion, la surpression et l'évolution de la flamme dans les explosions de gaz prémélangés méthane-air, à l'aide d'un appareil expérimental d'explosion sphérique de 20 L sur mesure. Les températures d'explosion affichent un schéma oscillatoire, atteignant des valeurs maximales à des concentrations initiales de gaz de 6,5 %, 9,5 % et 12 %, avec des températures correspondantes de 995 K, 932 K et 1 153 K. La surpression maximale présente une tendance initiale à la hausse et à la baisse, modélisé par une fonction exponentielle. Notamment, à proximité de la concentration de 9,5 %, l’onde de pression favorise la propagation inverse de l’onde de flamme, entraînant une augmentation secondaire de la température. Des capteurs de flamme ont été utilisés pour étudier la présence, l'absence et la durée des flammes, démontrant que des concentrations initiales élevées de gaz entraînaient des durées de flamme plus prolongées et des dommages accrus. À une concentration initiale de gaz de 9,5 %, une flamme persistante est générée instantanément lors de l'explosion. En outre, l'étude analyse l'interaction entre la température et la surpression, soulignant l'importance d'atténuer les brûlures à haute température à proximité des parois des tunnels et des espaces clos. Ces résultats font progresser la compréhension de la dynamique des explosions de gaz et ont des implications substantielles pour les mesures de sécurité dans les mines de charbon.

Les explosions de gaz méthane constituent un risque majeur dans les mines de charbon, entraînant des conséquences importantes, notamment des pertes économiques pour les entreprises charbonnières, des pertes humaines, des dommages environnementaux et entravant gravement la production de l'industrie charbonnière1,2. Les explosions de gaz libèrent instantanément une immense quantité d’énergie, créant un environnement à haute température. Dans les mines de charbon souterraines, les explosions se produisent généralement dans les tunnels d'excavation et les fronts de taille, où les facteurs environnementaux empêchent la dissipation facile de l'énergie d'explosion, provoquant des températures élevées et soutenues dans les tunnels et posant des risques considérables pour le personnel et l'équipement3,4,5,6,7. La concentration initiale de méthane influence la température maximale et la durée de l'explosion. L’étude des effets des variations des concentrations initiales de méthane sur les caractéristiques de température au cours du processus d’explosion peut contribuer à fournir une base théorique cruciale pour comprendre les caractéristiques de température lors des explosions de méthane dans les mines de charbon, prévenant ainsi les risques posés par les explosions de gaz8,9,10,11.

En 1967, Olsen12 a développé pour la première fois une expression de la température d’explosion grâce à des recherches théoriques. Les chercheurs du monde entier utilisent désormais des logiciels de simulation numérique tels que FLACS13,14, FLUENT15,16, AutoReaGas17,18 et CHEMKIN19 pour étudier les températures d’explosion du méthane ou établir des équations de physique mathématique spécifiques pour explorer les règles de variation de température dans des conditions de propagation de volume fixe ou de pipeline20. Certains chercheurs ont également simulé les règles de variation de température pour les explosions de méthane dans des espaces confinés, jetant ainsi les bases d’études sur la température des explosions de méthane21. Cependant, la plupart des simulations sont réalisées dans des conditions isothermes ou adiabatiques, ce qui entraîne des divergences avec les données expérimentales réelles et empêche des simulations précises des changements de température lors d'explosions réelles de méthane.

Dans des conditions expérimentales, Wang et He22 ont utilisé des signaux de tension pour représenter la température, dévoilant ainsi la tendance des changements de température des explosions de méthane à mesure qu'elles se propagent dans les pipelines. Des chercheurs ultérieurs ont étudié les variations de température à différentes positions au cours de la propagation du pipeline, constatant que la température de la flamme dans la partie supérieure du pipeline est plus élevée que dans la partie inférieure23,24. Cui et al.25 ont utilisé des micro-thermocouples de type R pour examiner les variations de température lors d'explosions de méthane dans des pipelines à petite échelle. Li et al.26 ont utilisé des thermocouples C2-7-K et C2-1-K pour étudier les variations de température pendant la propagation de l'explosion, la température la plus élevée enregistrée atteignant 1 292,27 K. Liu et al.27 ont analysé la relation entre la propagation de la flamme et la température pendant la canalisation. explosions, découvrant que l’augmentation des températures favorise la propagation des flammes. Nie et al.28 ont utilisé une méthode de rayonnement de champ de température bidimensionnel pour étudier les variations de température entourant la flamme de l'explosion, constatant que la température au niveau du front de flamme augmente d'abord fortement, puis ralentit et finalement diminue après avoir atteint son apogée.