含煤塵瓦斯爆后氣流傳播速度的實驗研究

張迎新， 李世超， 劉傳海， 許世偉

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.雙鴨山寶清縣煤炭局， 黑龍江 雙鴨山， 155600)

含煤塵瓦斯爆后氣流傳播速度的實驗研究

張迎新1， 李世超1， 劉傳海1， 許世偉2

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.雙鴨山寶清縣煤炭局， 黑龍江 雙鴨山， 155600)

為獲得含煤塵瓦斯爆炸后產(chǎn)生氣流的傳播速度，利用研制的瓦斯—煤塵爆炸實驗系統(tǒng)進(jìn)行甲烷、空氣混合爆炸實驗和不同煤塵參與后爆炸實驗，由爆后氣流隨同火焰?zhèn)鞑?，獲得爆炸火焰在主管路、支路管路的速度傳播規(guī)律，從而分析煤塵對瓦斯爆炸火焰速度的影響及特點。結(jié)果表明：煤塵的參與可以提高瓦斯爆炸后氣流傳播速度，對比煤樣的工業(yè)分析發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)分高的煤塵更容易產(chǎn)生更大的氣流速度，但灰分對其傳播速度起到負(fù)反饋作用。

瓦斯爆炸； 煤塵； 揮發(fā)分； 氣流傳播速度

0 引 言

目前我國煤礦瓦斯爆炸依然是危害礦井安全生產(chǎn)最嚴(yán)重的災(zāi)害[1]，研究瓦斯爆炸和煤塵爆炸一直是國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注焦點，對瓦斯爆炸和瓦斯煤塵爆炸在傳播過程中的各參數(shù)規(guī)律進(jìn)行了大量的實驗和模擬研究[2-5]，并取得一定的成果。但對于瓦斯煤塵混合后爆炸產(chǎn)生的氣流火焰在復(fù)雜系統(tǒng)管網(wǎng)中的傳播特點研究文獻(xiàn)較少。

礦井瓦斯爆炸事故均是由瓦斯在井下局部區(qū)域積聚達(dá)到了爆炸的界限并遇到高溫?zé)嵩匆l(fā)的。爆炸后產(chǎn)生的高溫氣體隨同火焰在井下沿巷道快速傳播，在此過程中火焰直接危害井下人員，產(chǎn)生的CO是危害人員的主要因素。當(dāng)有煤塵參與爆炸時，危害性增強(qiáng)，通過研究有煤塵參與時瓦斯爆炸過程火焰?zhèn)鞑サ奶卣?，可以預(yù)先采取措施，防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生或減小其造成的危害，亦可預(yù)判災(zāi)區(qū)遇險人員受影響情況。因而，研究煤塵與瓦斯協(xié)同爆炸后產(chǎn)生氣流傳播特征有著重要現(xiàn)實意義。

因瓦斯煤塵混合后爆炸產(chǎn)生的高溫氣流在實驗管路中隨同火焰波傳播，鑒于此，文中通過研究甲烷爆炸與有不同種類煤塵參與的瓦斯爆炸的火焰速度傳播規(guī)律對比，了解煤塵對于瓦斯爆炸的主要影響，以期為防治瓦斯爆炸事故、應(yīng)急救援技術(shù)決策和指導(dǎo)安全生產(chǎn)提供參考。

1 實驗系統(tǒng)與方案

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)為爆炸檢測實驗系統(tǒng)，可以進(jìn)行四大類的實驗，包括瓦斯爆炸實驗、煤塵爆炸實驗、瓦斯煤塵爆炸實驗以及擴(kuò)散管路的煤塵引燃和引爆實驗[6]。整個系統(tǒng)由三個系統(tǒng)配合運(yùn)作，其中有高能點火系統(tǒng)、揚(yáng)塵配氣系統(tǒng)和高速動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)(包括壓力采集系統(tǒng)和火焰?zhèn)鞑ニ俣炔杉到y(tǒng))，三個系統(tǒng)配合爆炸腔體和爆炸傳播管道可以實現(xiàn)更多的不同爆炸實驗，其具體結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 實驗方案

首先進(jìn)行瓦斯、空氣混合爆炸的實驗即空白實驗，得到在爆炸界限范圍內(nèi)的混合氣體在燃爆腔體及擴(kuò)散管路中火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律。為下一步進(jìn)行瓦斯、空氣、煤塵的混合爆炸實驗奠定基礎(chǔ)。

實驗條件設(shè)置，包括配氣壓力(該實驗采用-20 kPa)，點火壓力設(shè)定為固定值0 kPa，閥門遲滯時間設(shè)定為1 s，靜電點火延時設(shè)定為60 ms，兩點火電極之間距離(每次實驗都為2～3 mm)，續(xù)弧電壓(200 V，即點火能量440 J)，傳感器采樣頻率，采樣長度，觸發(fā)方式等。

在爆炸實驗系統(tǒng)擴(kuò)散管路上共安設(shè)八支傳感器(監(jiān)測含火焰的爆生氣體傳播速度)，位置分別用①～⑧標(biāo)示，距離第一個傳感器的距離分別(從第二個開始計算)為150、300、375、500、505、750和850 cm，見圖2。

圖2 傳感器布置

2 實驗與結(jié)果分析

2.1 瓦斯爆炸實驗

根據(jù)實驗方案的初始條件，在爆炸腔體內(nèi)配置6%、8%、9.5%、11%、13%的甲烷、空氣混合氣樣進(jìn)行爆炸實驗。根據(jù)火焰?zhèn)鞲衅鞯奈恢煤蜏y得的數(shù)據(jù)繪制圖3，實驗現(xiàn)象見圖4。

圖3 不同濃度氣樣爆炸火焰平均速度對比

圖4 氣樣爆炸火焰

2.2 添加不同煤塵后氣樣爆炸實驗

(1)煤塵工業(yè)分析

實驗采用三種不同煤樣見表1。選取不同煤種，通過破碎機(jī)和篩煤機(jī)將煤塵進(jìn)行破碎和篩選，得到實驗需要的小于0.18mm的煤塵，實驗測定煤塵爆炸性，對不同煤塵進(jìn)行工業(yè)分析，得到其灰分w1、揮發(fā)分w2、水分w3等。

表1 不同煤樣的工業(yè)分析

(2)加入煤塵后氣樣爆炸實驗

加No.1煤樣后，氣樣6%爆炸產(chǎn)生的火焰明亮長度達(dá)到30～40 cm，聲大清脆，有大量煙霧。9.5%的瓦斯爆炸產(chǎn)生的火焰呈現(xiàn)暗紅色達(dá)到45～55 cm。根據(jù)爆炸實驗的傳感器位置和采集的數(shù)據(jù)，得到火焰氣流在爆炸管網(wǎng)的傳播速度如圖5，實驗煤塵瓦斯氣樣爆炸效果見圖6。

圖5 加No.1煤塵樣爆炸火焰速度曲線

圖6 加入No.1煤塵瓦斯氣樣爆炸效果

加入No.2煤樣后各氣樣爆炸效果與加入No.1煤塵相似，此實驗將氣樣體積分?jǐn)?shù)配置為4%時，發(fā)生了爆炸(如圖7所示)，與傳統(tǒng)的瓦斯爆炸下限濃度值5%相比，爆炸濃度下限下降，說明煤塵的參與降低了瓦斯的爆炸下限。

圖7 加入No.2煤塵樣爆炸火焰速度曲線

加入No.3煤樣后根據(jù)爆炸實驗的傳感器位置和采集的數(shù)據(jù)，得到火焰在主管道和支路管道的傳播速度，見圖8。

圖8 加No.3煤塵樣爆炸火焰速度曲線

加煤粉后爆炸火焰速度平均值與瓦斯、空氣混合爆炸火焰速度均值在主管道傳播的對比情況見圖9。加煤粉后爆炸火焰速度平均值與瓦斯、空氣混合爆炸火焰速度均值在支管道傳播的對比情況見圖10。由圖9加煤塵和無煤塵氣樣爆火焰在主管道傳播平均速度對比曲線和圖10可知，在主管道的火焰速度均小于在支路管道的火焰?zhèn)鞑ニ俣?即加煤塵和無煤塵規(guī)律相同)，火焰在管道上的傳播整體上呈現(xiàn)先快速增加再緩慢減小的趨勢，符合火焰最短路徑傳播規(guī)律。

圖9 加煤塵和無煤塵氣樣爆炸火焰在主管道傳播平均速度對比曲線

圖10 加煤塵和無煤塵氣樣爆炸火焰在支路管道平均速度對比曲線

3 結(jié)果分析

(1)加入煤粉后對瓦斯爆炸的下限有一定影響，加入No.2煤塵實驗時出現(xiàn)4%的濃度氣樣也能發(fā)生爆炸(正常實驗瓦斯爆炸體積分?jǐn)?shù)上下限為5%～16%)，因煤塵受到高溫后，內(nèi)部的揮發(fā)性可燃?xì)怏w析出，形成了與瓦斯共存的可燃?xì)怏w混合狀態(tài)，從而彼此降低爆炸下限，由此可以看出，煤塵能夠明顯降低瓦斯爆炸下限。

(2)加入煤粉實驗的爆炸火焰氣流傳播速度規(guī)律和純甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣纫?guī)律相近，都是隨濃度的增加而呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，在9.5%濃度時達(dá)到火焰速度最大值(和理論值相近)。加入No.1煤粉的氣樣爆炸火焰速度(主管道平均速度588.93 m/s，支管道平均速度677.92 m/s)大于加入No.3煤粉(主管道平均速度578.29 m/s，支管道平均速度659.13 m/s)，加入No.3煤粉的爆炸火焰速度大于No.2的煤粉爆炸火焰速度(主管道平均速度573.9 m/s，支管道平均速度648.68 m/s)，均大于無煤塵的爆炸氣流(火焰)速度，加入煤粉后的爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@高于無煤粉的氣樣爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣?，火焰的速度上升幅度也比無煤塵的要高，煤粉對增大瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣壬峡傮w起到促進(jìn)作用。對比分析三種煤粉的灰分、揮發(fā)分、水分發(fā)現(xiàn)，在爆炸火焰速度的增大上，揮發(fā)分起到主導(dǎo)作用，因煤塵參與瓦斯爆炸時，煤塵受熱分解，析出大量可燃?xì)怏w，增加了可燃物種類及數(shù)量，從而使揮發(fā)分高的煤粉更容易產(chǎn)生更大的爆炸火焰速度(如實驗中的煙煤)，而灰分也是必要考慮因素，No.1煤塵揮發(fā)分低于No.3煤塵，可灰分卻低，灰分對燃燒反應(yīng)起到了抑制作用，所以出現(xiàn)了No.1火焰速度大于No.3的實驗現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

(1)有煤塵參與的甲烷、空氣混合爆炸，煤塵可降低瓦斯的爆炸下限濃度。

(2)加入煤粉的爆生氣流傳播速度隨瓦斯體積分?jǐn)?shù)的增加而呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，明顯高于無煤粉的氣樣爆炸生成氣流傳播速度，火焰氣流的速度上升幅度也比無煤塵時高，煤粉對增大瓦斯爆生氣流傳播速度上總體起到促進(jìn)作用。對比分析三種煤粉的灰分、揮發(fā)分、水分發(fā)現(xiàn)，在爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑龃笊希瑩]發(fā)分起主導(dǎo)作用，揮發(fā)分大的煤粉(如煙煤)更容易產(chǎn)生更大的爆生氣流傳播速度，灰分對其產(chǎn)生負(fù)反饋作用。

[1] 俞啟香. 礦井瓦斯防治[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1992.

[2] DUPONT L, ACCORSI A. Explosion characteristics of synthesized biogas at various temperatures [J]. Journal of Hazardous Materials, 2012, 136(3): 520-525.

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[4] 林柏泉, 菅從光, 周世寧， 等. 受限空間瓦斯爆炸反射波及對火焰?zhèn)鞑サ挠绊慬J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2005, 34(1): 1-5.[5] 翟 成, 林柏泉, 營從光. 瓦斯爆炸火焰波在分叉管路中的傳播規(guī)律[J].中國安全科學(xué)學(xué)報, 2005, 15(6): 69-72.

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(編校 李德根)

Experimental study on flame velocity following explosion of gas containing coal dust

ZhangYingxin1,LiShichao1,LiuChuanhai1,XuShiwei2

(1.School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.Coal Bureau of Baoqing County in Shuangyashan, Shuanyashan 155600, China)

The paper is aimed at an insight into the flame velocity following the explosion of gas containing coal dust. The study is done by performing mixed methane and air explosion experiments and different coal dust mixture experiments using gas-coal dust explosion experiment system; identifying the law how the flame velocity behaves in pipe and manifolds after airflow travels with the flame after explosion; and comparatively analyzing the effect of the coal dust on the flame velocity and its underlying characteristics. The study finds that the coal dust enables a greater flame velocity; the coal dust with a higher volatile matter is more likely to produce a greater air velocity; and the ash has the negative feedback effect on the flame velocity.

gas explosion； coal dust； volatile matter； flame velocity

2016-10-16

國家自然科學(xué)基金項目(50904026)

張迎新(1978-)，男，黑龍江省海倫人，副教授，博士研究生，研究方向：礦井通風(fēng)，瓦斯災(zāi)害防治，E-mail:zhangyingxin01@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.06.006

TD713.1

2095-7262(2016)06-0617-04

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