隔爆水幕對瓦斯爆炸傳播規(guī)律影響的試驗研究*

周西華，王　原，李　昂，陳　猛

(1 遼寧工程技術(shù)大學 安全科學工與程學院，遼寧 阜新 123000;2 礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000;3.遼寧工程技術(shù)大學 煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心，遼寧 阜新 123000)

0　引言

煤礦井下火災事故發(fā)生時，若無法直接滅火，則封閉火區(qū)，封閉過程中常引發(fā)瓦斯爆炸事故[1-2],而瓦斯爆炸是煤礦重大災害之一，會造成大量的人員傷亡和生產(chǎn)系統(tǒng)的破壞，合理的阻隔爆技術(shù)及裝備，能夠有效地減弱破壞能力，減少人員傷亡[3-5]。針對傳統(tǒng)的隔爆技術(shù)如隔爆水槽棚、巖粉棚等對于一次性瓦斯爆炸往往達不到預想的隔爆效果，更無法對瓦斯多次爆炸起到連續(xù)阻隔爆作用，且不具有重復使用性的問題[6-9]。因此，有必要設計出一種簡單、可靠、環(huán)?？芍貜褪褂玫母舯谎b置。為此，余明高[10]、樊小濤[11]等建立了瓦斯爆炸實驗平臺，并進行了水幕抑制瓦斯爆炸的實驗，驗證了水幕對瓦斯爆炸的傳播速度和火焰溫度具有抑制作用。張鵬鵬[12]采用超聲波霧化方法研究密閉管道內(nèi)超細水霧對瓦斯爆炸抑制作用，得到其抑制效果主要原因是由于湍流擾動作用和霧滴粒徑大小2個方面。李潤之[13]等研制一種新的水幕抑爆系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明對煤礦發(fā)生的二次爆炸或多次爆炸具有更好的抑制效果。唐建軍[14]運用Fluent數(shù)值模擬對比密閉容器內(nèi)的瓦斯爆炸數(shù)值模擬與實驗結(jié)果，得出細水霧抑爆實驗和數(shù)值模擬偏差較大，對數(shù)值模型提出了修正意見。劉晅亞[15]等利用火焰加速管系統(tǒng)和細水霧實驗系統(tǒng)進行了實驗研究，得出水霧對氣體爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Чc水霧通量、霧區(qū)濃度、水霧區(qū)長度以及火焰到達水霧區(qū)的火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嘘P(guān)。

上述文獻主要是在小尺寸密閉爆炸管道中進行試驗，而大直徑的爆炸試驗管道進行研究的較少。為此，筆者自行研發(fā)大直徑瓦斯爆炸試驗管道系統(tǒng)，在這基礎上布置隔爆水幕，通過試驗系統(tǒng)研究在不同工況條件下隔爆水幕裝置對瓦斯爆炸的阻隔效果，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量瓦斯爆炸特性參數(shù)并對其變化規(guī)律及隔爆效果進行分析。

1　瓦斯爆炸隔爆水幕試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由4部分組成，第1部分是大直徑爆炸試驗管道，用于模擬煤礦井下平直巷道的環(huán)境；第2部分是隔爆水幕；第3部分是控制系統(tǒng)，包括點火控制系統(tǒng)和抑爆控制系統(tǒng)；第4部分是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于采集壓力、溫度以及火焰速度相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.1　爆炸試驗管道

試驗管道裝置包括1 m3的爆炸罐和5段試驗管道，如圖1所示。管道尺寸為外徑為630 mm，總長為17.5 m，厚度為10 mm的不銹鋼圓形管道，為了使爆炸管道在運輸和組裝上更加方便，整個17.5 m長的爆炸管道平均分成5段，每段3.5 m，管道連接處用圓形法蘭盤連接，隔爆水幕噴頭位于第2段管路上，試驗管道安裝于715 mm的滑輪托架上。為了模擬井下平直巷道封閉火區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸，第5段管道末尾設置為開口與大氣相連接。

圖1　爆炸試驗管道Fig.1　Explosion experimental pipeline

1.2　隔爆水幕

隔爆水幕系統(tǒng)由9個扇形噴頭、壓力表、流量表、調(diào)壓閥以及相應供水管路組成。其中9個扇形噴頭每3個組成一道水幕環(huán)，一共3道，布置方式如圖2(a)所示。水幕噴頭為50°角扇形噴頭，材質(zhì)為不銹鋼，等效孔徑4.4 mm，隔爆水幕裝置如圖2(b)所示。9個扇形噴頭以及一組(火焰速度、爆炸壓力、溫度)傳感器均布置在一段試驗管道上，水泵與水箱之間采用一寸水管連接，水泵型號為ZDH-250A，最高揚程32 m。

圖2　隔爆水幕裝置及噴頭布置Fig.2　Water curtain of explosion suppression equipment and nozzle design

主供水管路上分別布置調(diào)壓閥、水壓表、水表，主供水管路經(jīng)過四通結(jié)構(gòu)分成3條支路，支路水管為4分管(內(nèi)徑15 mm)，每條管路上布置1個球閥以及3個水霧噴頭，每個水霧噴頭噴出1條扇形水帶，3條交叉形成1道水幕。

1.3　控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括點火控制系統(tǒng)和抑爆控制系統(tǒng)。

點火控制系統(tǒng)主要負責安全連鎖監(jiān)控和點燃瓦斯，面板上設置了ZN48智能雙顯計測器，用于設置“點火引爆”按鈕按下后開始點火的延遲時間，同時用于倒計時顯示。

抑爆控制系統(tǒng)本體主要由1 m3的爆炸罐構(gòu)成，爆炸罐可以獨立作封閉爆炸性試驗，以模擬井下巷道發(fā)生爆炸的情況。為了方便試驗操作，爆炸罐開口采用螺旋卡箍式快開結(jié)構(gòu)，采用Y型迷宮式專用密封結(jié)構(gòu)，罐體為不銹鋼雙層夾套球形結(jié)構(gòu)，既可以保證正壓密封，又可以實現(xiàn)負壓密封。有效容積1 m3，設計壓力為2.2 MPa，操作壓力為2.0 MPa。為了保證操作安全，罐體上設置了安全閥和安全聯(lián)動監(jiān)控裝置。

1.4　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為3個獨立的部分，這3部分數(shù)據(jù)由相應采集卡采集并由軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，最終由一臺工控機記錄和顯示。

1)爆炸壓力采集系統(tǒng)

采用轉(zhuǎn)換頻率1 MHz，采樣精度12位，精度為0.2‰的PCI-1712L數(shù)據(jù)采集器和美國Dytran公司制造的2200V1型壓電式高靈敏度傳感器，量程0～100 psi，即0～0.685 MPa。

2)爆炸火焰溫度采集系統(tǒng)

選用C2-7-K型熱電偶和美國生產(chǎn)的DT9805高性能數(shù)據(jù)采集模塊；C2-7-K型熱電偶技術(shù)參數(shù)為沸水測試響應時為18 ms；壓力最高69 MPa，溫度最高2 033 K；熱電偶套管/探頭材料是金屬、塑料或陶瓷。

3)火焰?zhèn)鞑ニ俣炔杉到y(tǒng)

采用英國D749高速系列型紅外光電管和美國AD620系列運算放大器。紅外光電管響應速度高達0.5 μs，通過智能降噪，將電路的本底噪聲和環(huán)境的光噪擬制到-30 dB以下。

試驗系統(tǒng)選取不同的測點進行爆炸溫度信號、爆炸壓力信號和火焰?zhèn)鞑ニ俣刃盘柌杉捎谕咚贡▊鞑ニ俣冗^快，為使傳感器能夠捕捉到瓦斯爆炸特性參數(shù)，在每節(jié)管道的中心布置傳感器，但由于第2段管道安裝3組水幕噴頭，為使傳感器不受水幕的影響在距離第3段管道0.3 m處設置傳感器，使前4段管道采取4組壓力傳感器和溫度傳感器，整個管道采取5組紅外火焰?zhèn)鞲衅?，圖3為各測點傳感器布置的示意圖。

圖3　測點位置Fig.3　Measuring point position

2　試驗設計

2.1　試驗工況設計

1)瓦斯?jié)舛?.5%，不開啟水幕。

2)瓦斯?jié)舛?.5%，水幕數(shù)量3組，噴水時間60.6 s，水壓1.5 MPa，平均每個噴頭水壓為0.5 MPa。

3)改變瓦斯?jié)舛冗M行噴水試驗。瓦斯?jié)舛确謩e為5.5%，7.5%，9.5%，11.5%，水幕數(shù)量3組，噴水時間60.6 s，水壓1.5 MPa，平均每個噴頭水壓為0.5 MPa。

4)瓦斯?jié)舛?.5%，水幕數(shù)量1組，噴水時間60.6 s，水壓0.3，0.9，1.5，2.1，2.4 MPa，平均每個噴頭壓力0.1，0.3，0.5，0.7，0.8 MPa，平均每個噴頭流量3.8，11.8，16.4，18.5，19.1 L/min。

2.2　試驗步驟

1)準備試驗用高純度甲烷和引爆源。

2)根據(jù)試驗工況，準備好試驗用的壓力傳感器、火焰速度傳感器和溫度傳感器,并且安裝在管道上的傳感器輸出線和數(shù)據(jù)采集卡的通道一一對應。

3)按道爾頓分壓定律進行配氣，分別用空壓機將爆炸罐抽為-9.5，-5.5，-7.5，-9.5，-11.5 kPa真空，打開瓦斯氣體鋼瓶，打開閥門直到真空數(shù)顯表接近大氣壓力。

4)將壓力、溫度、火焰速度采集軟件設置在“等待外部觸發(fā)狀態(tài)”。

5)開啟隔爆水幕水泵開關(guān)，打開水管的球閥，通過調(diào)壓閥將水壓調(diào)節(jié)為0.3,0.9,1.5,2.1,2.4 MPa。

6)打開爆炸壓力、溫度、火焰速度響應的采集軟件，并把軟件調(diào)整到等待觸發(fā)模式，按下“點火引爆”按鈕。

7)記錄數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)采集裝置會在點火前100 ms開始記錄數(shù)據(jù))。

以上過程完成了一次爆炸測試試驗。

3　試驗結(jié)果及分析

通過研發(fā)的大直徑試驗平臺進行不同工況的水幕隔爆試驗，分別得到不同瓦斯?jié)舛群筒煌涣髁織l件下爆炸壓力、火焰溫度和火焰?zhèn)鞑ニ俣?，利用Origin軟件得出壓力、溫度和速度與時間之間的變化規(guī)律并進行分析。由于隔爆水幕位于第2段管道即測點1，2之間，根據(jù)壓力和溫度采集系統(tǒng)得到測點2，3，4數(shù)據(jù)基本相近，只是時間滯后和輕微衰減，為對比清晰，以測點2為例進行分析，由于火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，測得結(jié)果是每個測速區(qū)間的平均值，并分為4個測速區(qū)間：區(qū)間1(2.65～7.6 m)，區(qū)間2(7.6～9.65 m)，區(qū)間3(9.65～13.15 m)，區(qū)間4(13.15～16.65 m)。

3.1　不同瓦斯?jié)舛认赂舯蛔饔眯Ч治?/h3>

圖4為不同瓦斯?jié)舛葪l件下壓力、溫度和速度變化曲線。

圖4　不同瓦斯?jié)舛葪l件下壓力、溫度和速度變化曲線Fig.4　Change curve of stress and temperature and velocity under different gas concentration conditions

由圖4(a)可知，瓦斯?jié)舛?.5%情況下，無隔爆水幕作用時，在42 ms時壓力達到峰值為64 kPa，隨后在200，280，70 ms時出現(xiàn)3次波峰壓力分別為19，6，3 kPa，450 ms時壓力開始均勻下降直到趨于0；在整個瓦斯爆炸過程中，壓力很快到達最大正壓值后開始下降直至最大負壓值后壓力重新上升，壓力曲線不斷震蕩，震蕩幅度不斷變小直至歸零。有隔爆水幕作用時，在80 ms時壓力達到峰值為39 kPa，最大峰值衰減了39%，并且第1個波峰出現(xiàn)時間滯后38 ms，正負壓之間震蕩幅度更小，壓力傳播更慢，爆炸壓力更快接近于0；由于水幕噴淋出水霧迅速蒸發(fā)成汽態(tài)，體積膨脹，從而對壓力的傳播有所阻隔，并且由于溫度的降低減少了爆炸氣體的膨脹，從而降低了瓦斯爆炸所產(chǎn)生的壓力，進而證明了隔爆水幕可以有效地減少瓦斯爆炸沖擊波所產(chǎn)生的超壓破壞。

由圖4(b)可知，瓦斯?jié)舛仍?.5%情況下，無隔爆水幕作用時，在200 ms時火焰最高溫度達到969 K，而在隔爆水幕的作用下最高溫度僅為498 K，最高溫度衰減了49%，極大地降低了瓦斯爆炸的溫度，并且更早的使試驗管道內(nèi)溫度達到室溫，從而證明隔爆水幕可以高效的減少瓦斯爆炸傳播所造成的高溫傷害。

由圖4(c)可知，瓦斯?jié)舛仍?.5%情況下，無隔爆水幕作用時，傳播速度從爆炸源點開始逐漸加速，在區(qū)間2出現(xiàn)最大值為136 m/s，由于管道直徑較大，持續(xù)與管壁大面積接觸摩擦，并且壁面不斷散熱，導致加速能量的損失，最終區(qū)間4的速度降低到115 m/s。有隔爆水幕的作用時，爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲笾禐?3 m/s，最大速度衰減了15%，經(jīng)過隔爆水幕后區(qū)間3，4的傳播速度明顯低于無水幕作用情況，最終區(qū)間4的速度降低到35 m/s，這是由于隔爆水幕降低了溫度，降低了氣體膨脹的速度，減慢了化學反應速度，從而使火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆怠?/p>

在隔爆水幕的作用下瓦斯?jié)舛葹?.5%，7.5%，9.5%，11.5%的爆炸壓力峰值分別為23，32，39，36 kPa；瓦斯爆炸的溫度峰值分別為418，467，498，473 K；瓦斯爆炸速度峰值分別為65，68，76.15，73.15 m/s，均遠遠小于無水幕情況下瓦斯?jié)舛葹?.5%時的壓力、速度、溫度峰值。

總體來說，瓦斯?jié)舛仍浇咏?.5%，瓦斯爆炸越劇烈，其產(chǎn)生的爆炸壓力、火焰溫度和火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱?；瓦斯?jié)舛葹?1.5%的特征變化曲線與9.5%較為接近，由于氧氣不足，瓦斯活性降低，特征值開始下降，而瓦斯?jié)舛葹?.5%時的爆炸效果明顯低于瓦斯?jié)舛葹?.5%，是由于瓦斯含量不足，化學反應能量供給不足所導致；隔爆水幕雖然對瓦斯爆炸有良好的阻隔效果，大幅度降低了瓦斯爆炸所產(chǎn)生的壓力、溫度以及火焰速度，但隔爆之后的爆炸效果依然受到起爆時瓦斯?jié)舛人绊憽?/p>

3.2　不同流量下隔爆水幕效果試驗分析

圖5為隔爆水幕噴頭的壓力流量曲線，從圖中可以看出在0～0.5 MPa時隨著水壓的升高，噴頭流量上升速度很快，在水壓0.6～1.0 MPa的范圍內(nèi)流量上升速度明顯變慢，流量峰值在水壓為1.0 MPa的情況下接近20 L/min，這說明在0.6 MPa之后已逐漸接近噴頭的流量上限。

圖5　壓力與流量變化曲線Fig.5　Change curve of flow with pressure

圖6為不同流量條件下壓力、溫度和速度變化規(guī)律曲線。

圖6　不同流量條件下壓力、溫度和速度變化規(guī)律Fig.6　Change curve of pressure and temperature and velocity under different flow rates conditions

由圖6(a)可知，壓力曲線的總體變化趨勢基于坐標軸往復運動并且逐漸衰減最后減小為零，整體來看正壓峰值明顯大于負壓峰值，其中流量為3.8 L/min時隔爆效果最差，壓力峰值為49 kPa，比流量為19.1 L/min時高29 kPa左右。流量為16.4，18.5，19.1 L/min時對爆炸壓力的控制效果比較接近。

由圖6(b)可知，溫度曲線的總體變化趨勢為先上升后下降，其中噴頭流量為3.8 L/min時隔爆效果最差，溫度峰值為700 K，比流量為19.1 L/min時高100 K，溫度下降為室溫時間慢100 ms，說明此時供水壓力不足，噴頭扇面未完全形成。流量為11.8 L/min時對溫度的控制效果介于流量為3.8 L/min及流量為19.1 L/min之間。流量為16.4，18.5，19.1 L/min時，溫度曲線比較接近，說明當流量達到16.4 L/min已比較接近噴頭的最佳工作狀態(tài)，噴水扇面幅度接近最佳狀態(tài)，所以在流量超過16.4 L/min之后流量的上升對于溫度的限制作用不明顯。

由圖6(c)可知，各測點在不同水壓條件下對速度的控制效果隨著水壓的升高而增強，且均在第1測點達到峰值，隨后下降。流量為3.8 L/min和19.1 L/min下火焰最大速度差為32 m/s，可以看出流量的增加對火焰?zhèn)鞑ニ俣犬a(chǎn)生較大影響，但流量上升至16.4 L/min后火焰速度下降幅度明顯減小，16.4 L/min和19.1 L/min下火焰速度峰值差不足10 m/s，在這種情況下，按照降低經(jīng)濟成本原則流量為16.4 L/min為最優(yōu)選。

綜合考慮隔爆水幕噴頭最佳的工作流量為16.4 L/min，此時支路總流量為49.2 L/min，支路的水壓為1.5 MPa。

4　結(jié)論

1)瓦斯?jié)舛?.5%情況下，在隔爆水幕的作用下瓦斯爆炸壓力峰值由64 kPa下降到39 kPa，衰減了39%；瓦斯爆炸產(chǎn)生的溫度峰值由969 K下降到498 K衰減了49%；瓦斯爆炸火焰速度最大值由136 m/s下降到73 m/s衰減了15%。

2)隔爆水幕對不同濃度的瓦斯爆炸產(chǎn)生良好的抑制效果，大幅度降低了瓦斯爆炸所產(chǎn)生的壓力、溫度以及火焰速度，但隔爆之后的爆炸效果依然受到瓦斯?jié)舛扔绊憽?/p>

3)隔爆水幕對瓦斯爆炸的抑制效果取決于噴頭流量的高低，隨著流量的增加，水幕的抑制效果增強，噴頭最佳的工作流量為16.4 L/min。

4)當煤礦井下布置隔爆水幕時，可以綜合參考不同瓦斯?jié)舛群退涣髁繒r的瓦斯爆炸特性參數(shù)與時間的變化關(guān)系，但不同組數(shù)和不同布置角度的水幕隔爆效果及瓦斯爆炸特性參數(shù)變化規(guī)律還需進一步研究。

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