瓦斯爆炸在抽放管路中傳播特征的研究

張建國(guó)

(西山煤電集團(tuán)公司 鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030200)

?

·試驗(yàn)研究·

瓦斯爆炸在抽放管路中傳播特征的研究

張建國(guó)

(西山煤電集團(tuán)公司 鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030200)

為了更好地研究抽放管路中瓦斯爆炸特征及火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律，通過(guò)搭建試驗(yàn)平臺(tái)的方法模擬直管、分叉管路中低濃度瓦斯爆炸特征及燃燒規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在直管道爆炸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，其出口附近顯現(xiàn)最大壓力峰值，且傳播的距離越長(zhǎng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?；在分叉管道爆炸?shí)驗(yàn)過(guò)程中，每一個(gè)分叉點(diǎn)即為一處擾動(dòng)源，該擾動(dòng)源主要增大了氣流湍流度，螺旋環(huán)對(duì)管內(nèi)氣流產(chǎn)生較大擾動(dòng)，氣流流動(dòng)的湍流程度增大，爆炸波強(qiáng)度隨之快速增大。

抽放管路；瓦斯爆炸；瓦斯燃燒；螺旋環(huán)；火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律

現(xiàn)階段煤礦開(kāi)采深度及強(qiáng)度逐漸增大，隨之也增大了瓦斯的涌出量以及煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。瓦斯抽放成為高瓦斯和突出礦井不可缺少的一個(gè)重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，同時(shí)也是開(kāi)發(fā)利用瓦斯能源、保護(hù)大氣環(huán)境的重要手段。為了提高煤礦抽采瓦斯的利用率和抽采系統(tǒng)的安全性，對(duì)抽放管路中瓦斯爆炸特征及其火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律進(jìn)行研究尤為重要。本文通過(guò)搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)瓦斯在不同類型抽放管路中的爆炸特征以及火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)提高瓦斯抽放管路的安全性具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期的目標(biāo)，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由5個(gè)部分組成：進(jìn)行爆炸試驗(yàn)的管道、采集分析動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)、測(cè)量火焰速度的系統(tǒng)、測(cè)量爆炸壓力的系統(tǒng)以及點(diǎn)火爆炸的裝置。搭建的試驗(yàn)臺(tái)考慮了現(xiàn)場(chǎng)管道布置，可以模擬直管結(jié)構(gòu)、異常管道結(jié)構(gòu)(Z型管道、T型管道、U型管道、Y型管道)等對(duì)低濃度瓦斯爆炸特性的影響，獲得經(jīng)歷異常管道結(jié)構(gòu)后瓦斯爆炸宏觀參數(shù)(火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒈▔毫Ψ逯?發(fā)生突變的機(jī)理，為提出合適的抑爆措施提供理論基礎(chǔ)依據(jù)。

為了測(cè)量低濃度瓦斯爆炸火焰的傳播速度與壓力，在直管段上開(kāi)設(shè)了測(cè)量孔，其中每節(jié)管道上開(kāi)設(shè)兩個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鳒y(cè)孔，一個(gè)壓力傳感器測(cè)孔。

2 抽放管路瓦斯爆炸特征實(shí)驗(yàn)分析

為了研究瓦斯爆炸過(guò)程中火焰與爆炸波的傳播規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行低濃度瓦斯爆炸試驗(yàn)，測(cè)量爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣?、各壓力測(cè)點(diǎn)處的瓦斯爆炸壓力峰值和火焰到達(dá)各測(cè)點(diǎn)處的時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將各類傳感器安設(shè)在進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)的瓦斯抽放管道中，同時(shí)往實(shí)驗(yàn)腔體中充入一定濃度的瓦斯。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的前期，首先將新鮮的空氣利用換氣裝置裝入瓦斯抽放管道中，通過(guò)計(jì)算該管道中所需要的瓦斯?jié)舛龋淙胍欢康耐咚挂赃_(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的瓦斯?jié)舛?。其次安設(shè)并調(diào)試采集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，確保其能夠具備實(shí)驗(yàn)所需的采樣率及能夠采集相關(guān)的參數(shù)。以上步驟調(diào)試完成后，通過(guò)點(diǎn)火裝置起爆，爆炸過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)也同時(shí)被采集分析器記錄下來(lái)。

3 抽放管路瓦斯爆炸特征分析

Lavision高速之星攝像機(jī)拍攝的低濃度瓦斯爆炸火焰圖像見(jiàn)圖1. 拍攝速度取1 000幅/s，即每 1 ms拍攝一幅圖像；圖像分辨率取1 024×768像素。

圖1 9%濃度管道瓦斯爆炸高速攝影照片

由圖1可知：瓦斯抽放管道中發(fā)生爆炸后其火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中顯現(xiàn)出兩種特性：火焰結(jié)構(gòu)與傳播速度。4 ms時(shí)視窗處出現(xiàn)火焰前鋒，但亮度很暗；5 ms時(shí)火焰亮度開(kāi)始逐漸增加，顯現(xiàn)出淡藍(lán)色；8 ms時(shí)火焰開(kāi)始變明亮，且其中下部顯現(xiàn)出微黃色。10 ms時(shí)火焰繼續(xù)向右向傳播，視窗右上角火焰部分出現(xiàn)反向膨脹態(tài)勢(shì)，13 ms時(shí)火焰整體反向傳播，火焰亮度也明顯增強(qiáng)，呈亮黃色。

火焰在繼續(xù)傳遞過(guò)程中出現(xiàn)多次震蕩，并且在70 ms顯現(xiàn)出團(tuán)狀分散火焰，繼而亮度逐漸減弱。實(shí)驗(yàn)視窗的長(zhǎng)度(0.25 m)除以火焰穿過(guò)其所用的時(shí)間便可以得出實(shí)驗(yàn)的視窗處火焰平均的傳播速度是100 m/s，由此表明：此條件下的爆炸屬于爆燃。爆炸壓力峰值曲線圖見(jiàn)圖2.

圖2 爆炸壓力峰值曲線圖

由圖2可知：壓力最大值在管道的出口處顯現(xiàn)，且其峰值主要在0.2～1.4 MPa. 主要原因是出口處限制了爆炸沖擊波傳播路線，造成壓力峰值的瞬間增大。爆炸壓力增大的幅度與薄膜厚度以及承壓能力有關(guān)。進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，瓦斯抽放管道中壓力峰值一般從爆炸源開(kāi)始逐步下降，隨著傳播距離的增加，會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)后開(kāi)始逐漸上升。管道的拐點(diǎn)出現(xiàn)在60 D處左右。

不同測(cè)點(diǎn)處的瓦斯火焰?zhèn)鞑ニ俣纫?jiàn)圖3. 在實(shí)驗(yàn)條件范圍以內(nèi)，瓦斯爆炸最大火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤蛇_(dá)1 000 m/s左右，在長(zhǎng)徑比L/D=80之前，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小，在500 m/s以下，此后火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾雍芸臁１ɑ鹧嬗善鸨撮_(kāi)始沿管道傳播，隨著傳播路線的增加，壓力曲線逐漸平緩，由此可見(jiàn)，爆炸火焰的傳播速度隨著傳播路線的增加而加快，在管道出口處傳播速度達(dá)到峰值。

圖3 爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€圖

瓦斯爆炸火焰到達(dá)各測(cè)點(diǎn)時(shí)的時(shí)間見(jiàn)圖4. 火焰達(dá)到時(shí)間在500 ms以內(nèi)，在長(zhǎng)徑比L/D=80之前，火焰達(dá)到時(shí)間在400 ms以內(nèi)，因此抑爆措施必須具有高速響應(yīng)的特點(diǎn)。

圖4 火焰到達(dá)各測(cè)點(diǎn)時(shí)的曲線圖

4 瓦斯爆炸傳播規(guī)律分析

煤礦井下巷道多數(shù)存在交叉點(diǎn)以及方向變化的情況。當(dāng)發(fā)生瓦斯爆炸時(shí)，其爆炸火焰在分叉巷道或方向變化的巷道中傳播時(shí)，其傳播的特性與普通的直巷道存在較大的差異。為了更好地研究井下阻隔爆系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)以及減少瓦斯爆炸造成的損失，掌握分叉巷道對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響至關(guān)重要。本文主要是在實(shí)驗(yàn)室模擬井下分叉巷道的條件，對(duì)瓦斯爆炸過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律進(jìn)行模擬研究。

為了模擬井下巷道的結(jié)構(gòu)，本次實(shí)驗(yàn)室主要在方管中進(jìn)行模擬，封閉住管道末端，將火焰?zhèn)鞲衅靼苍O(shè)在各分叉點(diǎn)以及各直管的對(duì)應(yīng)點(diǎn)(長(zhǎng)徑比相同)。實(shí)驗(yàn)主要分為兩種條件：點(diǎn)火端設(shè)置螺旋環(huán)與點(diǎn)火端未設(shè)置螺旋環(huán)，該螺旋環(huán)能夠瞬間增大火焰的傳播速度十倍以上。分叉管道中各測(cè)點(diǎn)的布置位置見(jiàn)圖5，主要是研究分叉點(diǎn)對(duì)不同的爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懗潭取?/p>

圖5 分叉管路測(cè)點(diǎn)布置示意圖

無(wú)螺旋環(huán)狀火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懬€圖見(jiàn)圖6，有螺旋環(huán)狀火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懬€圖見(jiàn)圖7. 由圖6，圖7可知：瓦斯爆炸火焰的傳播速度在通過(guò)抽放管道的分叉點(diǎn)后急速升高，直管中傳播速度為18.6 m/s，通過(guò)分叉點(diǎn)后，直管中傳播速度增加至41.6 m/s，支管中傳播速度增加至73.4 m/s，由此可見(jiàn)，通過(guò)分叉點(diǎn)后，支管中火焰?zhèn)鞑ニ俣缺戎惫苤兴俣却?。若分叉管路的點(diǎn)火端安設(shè)有螺旋環(huán)，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓泊嬖谕瑯拥囊?guī)律：初期直管中的傳播速度為112.3 m/s，在分叉點(diǎn)后，直管中傳播速度163.5 m/s、支管中的為195.6 m/s.

圖6 無(wú)螺旋環(huán)狀火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懬€圖

圖7 有螺旋環(huán)狀火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懬€圖

分析分叉點(diǎn)處火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓脑蚩芍撼榉殴苈分械姆植纥c(diǎn)可看做是一個(gè)擾動(dòng)源，誘導(dǎo)了火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?。?dāng)管路存在分叉點(diǎn)時(shí)，爆炸波在該位置的流線發(fā)生改變破壞了原有管道中的邊界層，從而產(chǎn)生湍流脈動(dòng)。受實(shí)驗(yàn)條件限制，各分叉管路均較短，火焰?zhèn)鞑ナ芄艿滥┒朔忾]口影響較大，從而造成通過(guò)分叉點(diǎn)后，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?guī)律在直管與支管

中不相同，支管中火焰前端逐漸增大，在增大至峰值28倍后開(kāi)始急劇降低；直管中末端口封閉對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懖淮?，但整體上說(shuō)火焰在直管中是不斷加速的。

5 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)直管、分叉管道瓦斯燃燒和爆炸實(shí)驗(yàn)的研究，得出以下結(jié)論：

1) 在直管實(shí)驗(yàn)中，爆炸最大壓力峰值出現(xiàn)在出口附近，從爆炸源頭開(kāi)始，壓力逐漸下降，傳播一定長(zhǎng)度后出現(xiàn)拐點(diǎn)，壓力變?yōu)橹饾u上升。

2) 在直管中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從起爆點(diǎn)開(kāi)始，火焰逐漸沿管道傳播，其傳播速度與傳播距離呈正比關(guān)系，傳播速度的峰值出現(xiàn)在直管的出口處。

3) 在分叉管道中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每一分叉點(diǎn)可看做為一處擾動(dòng)源，加速通過(guò)此處火焰的傳播速度。

4) 螺旋環(huán)能夠擾動(dòng)管道內(nèi)的氣流，增大了管道內(nèi)氣流流動(dòng)的湍流程度，及瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)中火焰的傳播速度以及釋熱速率，爆炸波的強(qiáng)度也急劇增大。

[1] 翟 成，林柏泉，菅從光.瓦斯爆炸火焰波在分叉管路中的傳播規(guī)律[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2005(6):69-72+115.

[2] 黃文祥，李樹(shù)剛，李孝斌，等.不同點(diǎn)火能量作用下管道內(nèi)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ卣鱗J].煤礦安全,2011(8):7-10.

[3] 余明高，鄭 凱，鄭立剛，等.管道開(kāi)口阻塞比對(duì)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ卣鞯挠绊慬J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014(2):183-188.

[4] 朱傳杰，林柏泉，江丙友，等.瓦斯爆炸火焰和沖擊波在并聯(lián)巷網(wǎng)的傳播特征[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011(3):385-389.

[5] 杜 揚(yáng)，梁建軍，王 冬，等.狹長(zhǎng)通道中瓦斯爆炸傳播特征及規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J].煤礦安全，2010(5)：1-4.

[6] 王海燕，王靜云，葛會(huì)芳，等.瓦斯爆炸波在轉(zhuǎn)彎巷道內(nèi)傳播特征的模擬[J].安全,2015(4):31-33,37.

[7] 程方明，鄧 軍，蔡周全，等.瓦斯積聚范圍對(duì)獨(dú)頭巷道瓦斯爆炸沖擊波破壞特征與傳播規(guī)律的影響[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2016(4):1-5,9.

[8] 景國(guó)勛,段振偉,程 磊,等.瓦斯煤塵爆炸特性及傳播規(guī)律研究進(jìn)展[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2009(4):67-72.

Study on Spreading of Gas Explosion in Drainage Pipeline

ZHANG Jianguo

In order to study the characteristics of gas explosion and the law of flame spread in the pipeline, the low pressure gas explosion characteristics and combustion rules in the straight pipe and in the branch pipelines are simulated by setting the test platform. The experimental results show that during the test, the maximum pressure peak appears near the exit of the straight pipeline, and the longer the spreading distance is the faster for the flame spread. For the test in branch pipelines, each joint point is becoming a turbulent source. The turbulence increases together with the increase of the airflow, and the turbulence of the spiral flow also increases with the turbulence of the airflow, so does the intensity of the explosive wave.

Drainage pipeline; Gas explosion; Gas combustion; Spiral ring; Flame spreading law

2017-04-05

張建國(guó)(1980—)，男，山西運(yùn)城人，2015年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，碩士，工程師，主要從事通風(fēng)技術(shù)管理工作

(E-mail)zhangjianguoguo1@126.com

TD712+.7

B

1672-0652(2017)05-0028-03