管道內(nèi)置障條件下瓦斯爆炸傳播規(guī)律的綜述及展望*

劉振乾 屈英杰 王孟飛

中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 資源與安全工程學(xué)院

我國95%的煤炭生產(chǎn)是井工開采，煤礦生產(chǎn)過程中的事故災(zāi)害有瓦斯爆炸、頂板塌陷、火災(zāi)、水災(zāi)、煤塵爆炸5大災(zāi)害；而在煤礦事故中，瓦斯爆炸事故發(fā)生頻率最高，造成的災(zāi)害最嚴(yán)重，占煤礦總事故的30%以上[1]。煤礦瓦斯爆炸嚴(yán)重限制礦井的生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡。煤礦瓦斯爆炸經(jīng)常發(fā)生在存在障礙物群（如通風(fēng)設(shè)備、機(jī)械設(shè)備、測試儀器、各種管道、隧道支架、礦井風(fēng)門等）的巷道中，而障礙物對(duì)煤礦瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑ゼ氨ǔ瑝旱绕渌碚鞅ㄆ茐哪芰Φ膮?shù)有重要影響。大量的研究表明，障礙物的存在對(duì)瓦斯爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣染哂酗@著的激勵(lì)作用，障礙物的存在導(dǎo)致瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O大地增加，形成更強(qiáng)烈的爆炸超壓。掌握障礙物對(duì)瓦斯爆炸的影響，對(duì)維護(hù)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全具有重要的作用，故對(duì)管道內(nèi)置障條件下瓦斯爆炸傳播規(guī)律的研究有重要意義[2]。

1 瓦斯爆炸傳播機(jī)理分析

在瓦斯爆炸機(jī)理方面，國內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)于預(yù)混瓦斯氣體爆炸的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究。他們提出瓦斯燃燒和爆炸是一種復(fù)雜的物理化學(xué)過程，是熱爆炸和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理綜合作用的結(jié)果，兩者相互促進(jìn)，從而使甲烷的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)持續(xù)進(jìn)行下去[3]。

礦井巷道中瓦斯爆炸絕大多數(shù)都可分為爆燃和爆轟2個(gè)階段。在爆炸初期，爆炸是以爆燃波的形式向前傳播，這時(shí)也會(huì)形成較大破壞作用的爆炸沖擊波，隨著可燃?xì)怏w的完全反應(yīng)，爆燃波演變?yōu)楸Z波，最后衰減為聲波[4]。爆燃是一種帶有壓力波的燃燒；當(dāng)燃燒陣面后邊界有約束或障礙時(shí)，燃燒產(chǎn)物建立起一定的壓力，波陣面兩側(cè)就建立起一個(gè)壓力差，形成壓力波，并以當(dāng)?shù)芈曀傧蚯皞鞑?。由于壓力波傳播速度比燃燒陣面?在燃燒陣面之前，因此也叫前驅(qū)沖擊波；氣體爆炸一般由前驅(qū)壓力波和燃燒陣面構(gòu)成典型的“兩波三區(qū)”結(jié)構(gòu)[5]。對(duì)于瓦斯爆炸來說，爆燃過程產(chǎn)生的危害不大，而一旦形成爆轟，其破壞作用大大增強(qiáng)，對(duì)爆燃轉(zhuǎn)爆轟過程（DDT）的研究具有實(shí)際意義。

2 障礙物對(duì)瓦斯爆炸傳播規(guī)律的研究

在實(shí)際情況中，煤礦瓦斯爆炸多發(fā)生在像通風(fēng)設(shè)備、機(jī)械設(shè)備、測試儀器、各種管道、隧道支架、礦井風(fēng)門、隔板及其類似物的障礙物存在的地方。而障礙物的存在對(duì)瓦斯爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣染哂酗@著的激勵(lì)作用[6]。障礙物對(duì)氣流和火焰的擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致加速形成湍流現(xiàn)象，從而火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O大地增加，形成更為強(qiáng)烈的爆炸超壓[7]；障礙物的存在使爆炸波受到阻塞，火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆偬岣?，爆炸波的傳播曲線變化幅度增大，很有可能出現(xiàn)爆炸波的突變界面和馬赫數(shù)Ma≥1的現(xiàn)象，可能誘導(dǎo)激波的產(chǎn)生[8]；當(dāng)激波產(chǎn)生后，會(huì)加強(qiáng)對(duì)附近構(gòu)筑物及巷道的破壞作用，從而產(chǎn)生更大的事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡 。

2.1 障礙物的數(shù)量對(duì)瓦斯爆炸傳播的影響

在管道瓦斯爆炸傳播過程中，障礙物數(shù)量對(duì)瓦斯爆炸壓力具有明顯的激勵(lì)效應(yīng)，而且障礙物數(shù)量越多，對(duì)瓦斯的激勵(lì)作用就越明顯，對(duì)火焰的擾動(dòng)就越明顯[9]。隨著障礙物數(shù)量的增多，瓦斯爆炸壓力也相應(yīng)增大，峰值超壓增長也越快，而且距點(diǎn)火點(diǎn)越遠(yuǎn)的地方爆炸壓力越大，在管道末端處達(dá)到頂峰；隨著障礙物數(shù)量的增多，火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆僭龃?，火焰?zhèn)鞑サ淖畲笏俣纫苍酱?，但到達(dá)最大火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臅r(shí)間減??；隨著障礙物數(shù)量的增多，火焰鋒面?zhèn)鞑サ淖畲缶嚯x增大，火焰波及范圍變大，但到達(dá)最大距離的時(shí)間變小[10]。

2.2 障礙物的形狀對(duì)瓦斯爆炸傳播的影響

障礙物的形狀對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣?、最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率的影響程度是不同的[11]，其對(duì)最大瓦斯爆炸壓力影響效果較小，對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c最大爆炸壓力上升速率的影響效果較大[12]。王成、回巖等利用實(shí)驗(yàn)研究表明：對(duì)于擋板、弓型、圓環(huán)型、四孔圓環(huán)平面障礙物而言，擋板障礙物的影響最為明顯，弓型次之，四孔圓環(huán)形影響最小，這是由于擋板障礙物阻塞部分位于管道的中央，導(dǎo)致氣流流動(dòng)扭曲最強(qiáng)，導(dǎo)致火焰形態(tài)產(chǎn)生褶皺和彎曲變形，使氣體產(chǎn)生的湍流效應(yīng)明顯，加速火焰的傳播；而弓型和圓環(huán)型障礙物放置在底部或邊緣，引起的湍流效應(yīng)相對(duì)較小，對(duì)最大氣體爆炸壓力上升速率影響相對(duì)較弱，四孔圓環(huán)障礙物由于孔數(shù)多、孔徑小，反射作用強(qiáng)，導(dǎo)致能量損失增大，造成的影響效果最小[13]。

2.3 障礙物的阻塞率對(duì)瓦斯爆炸傳播的影響

障礙物的阻塞率對(duì)瓦斯爆炸壓力具有顯著影響。障礙物在同一結(jié)構(gòu)下，其阻塞程度在一定范圍內(nèi)與超壓峰值呈正比，而最顯著的超壓增加發(fā)生在阻塞率較低的情況下，不同阻塞程度所呈現(xiàn)的壓力峰值變化幅度不同。隨著障礙物阻塞率的增加，導(dǎo)致火焰的傳播速度加快，氣體爆炸壓力也相應(yīng)增大；但火焰的能量損失會(huì)隨著阻塞率的增加而增大，不利于火焰的傳播，當(dāng)單片障礙物的阻塞率為50%時(shí)，激勵(lì)效果最顯著，瓦斯爆炸壓力也最大[11]；而在障礙物的阻塞率達(dá)到70%左右時(shí)，其最大壓力峰值超壓有減小的趨勢，火焰速度就不會(huì)增加，反而會(huì)下降，甚至可能導(dǎo)致火焰淬熄[14]。

2.4 障礙物的位置對(duì)瓦斯爆炸傳播的影響

障礙物的位置同樣影響著火焰加速，障礙物的位置會(huì)改變火焰與其接觸的時(shí)間點(diǎn)，從而導(dǎo)致障礙物對(duì)瓦斯爆炸的影響存在一定的差異[15]。障礙物靠近點(diǎn)火點(diǎn)時(shí)，所形成的湍流強(qiáng)度也相對(duì)較弱，而且隨著與障礙物距離的增大，導(dǎo)致能量發(fā)生較大的損失，火焰?zhèn)鞑ニ俣壬仙幻黠@，氣體爆炸超壓峰值較低；當(dāng)障礙物位于泄爆口時(shí)，火焰到達(dá)障礙物的時(shí)間晚，層流傳播的時(shí)間較長，爆炸壓力上升速度緩慢，而此時(shí)氣體不斷向外排出，故造成的湍流效果不顯著，形成的氣體爆炸超壓峰值也相對(duì)較低；而當(dāng)障礙物位于中心時(shí)，爆炸效果相對(duì)較強(qiáng)，氣體爆炸超壓峰值也相對(duì)較高[16]。障礙物的存在對(duì)管道內(nèi)氣體爆炸超壓峰值的影響具有距離效應(yīng)[17]。

2.5 障礙物的間距對(duì)瓦斯爆炸傳播的影響

不同間距的障礙物對(duì)氣體爆炸波所引起的擾動(dòng)以及疊加效果是不同的，瓦斯爆炸壓力隨著障礙物間距的增大而增大，但是隨著障礙物的間距的增大，瓦斯爆炸壓力增大的幅度逐漸變小；總體來說，與障礙物數(shù)量、阻塞率相比，障礙物間距對(duì)瓦斯爆炸壓力的影響效果是最小的[18]。隨著障礙物間距越大，瓦斯爆炸火焰的傳播速度呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，較小間距的障礙物不利于火焰的增加，隨著障礙物間距的增大，火焰在障礙物之間的傳播距離也相應(yīng)增大，從而參與氣體爆炸反應(yīng)的氣體的量增大，導(dǎo)致氣體爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之增大。

2.6 障礙物的結(jié)構(gòu)對(duì)氣體爆炸傳播的影響

在礦井巷道中，不可避免的存在許多結(jié)構(gòu)的障礙物，這些障礙物有立體結(jié)構(gòu)障礙物與平面結(jié)構(gòu)障礙物，立體障礙物有：通風(fēng)設(shè)施、機(jī)械設(shè)備、測試儀器、車輛、管道、支架等；平面障礙物有礦井風(fēng)門、風(fēng)窗、隔板等。郭丹彤等利用流體力學(xué)軟件AutoReaGas模擬研究表明：障礙物在同一結(jié)構(gòu)下（即平面結(jié)構(gòu)、立體結(jié)構(gòu)），瓦斯爆炸的超壓峰值在一定的程度范圍內(nèi)與障礙物的阻塞率成正比，但在不同結(jié)構(gòu)障礙物下的壓力峰值變化幅度是不同的；在障礙物數(shù)量、位置、阻塞率、間距等一定的情況下，立體障礙物對(duì)爆炸壓力的影響程度大于平面障礙物[19]。

3 問題與展望

國外在氣體爆燃和爆燃轉(zhuǎn)爆轟的研究方面已經(jīng)取得了大量成果，國內(nèi)也進(jìn)行了一些研究，但是研究成果與國外相比仍存在明顯的差距。而且大多學(xué)者都是在均勻濃度工況下做的爆炸研究，對(duì)非均勻可燃?xì)怏w濃度分布條件下的爆炸研究相對(duì)較少，急需做進(jìn)一步的研究。針對(duì)目前國內(nèi)外瓦斯爆炸傳播研究現(xiàn)狀和存在問題，在今后可以將以下方面作為研究方向：

（1）不同濃度梯度下的非均勻分布瓦斯爆炸傳播規(guī)律研究；不同濃度瓦斯爆炸產(chǎn)生的沖擊波、壓力是不同的，同理，在非均勻瓦斯分布的環(huán)境下，不同濃度下的瓦斯爆炸產(chǎn)生的壓力、沖擊波也會(huì)不同。因此為了科學(xué)準(zhǔn)確的研究出瓦斯的爆炸傳播規(guī)律，研究不同濃度梯度下的非均勻分布瓦斯爆炸傳播規(guī)律是很有必要的。

（2）不同障礙物情況下的非均勻分布瓦斯爆炸傳播規(guī)律研究；障礙物可以提高火焰的傳播速度，使火焰加速甚至發(fā)生爆燃轉(zhuǎn)爆轟；障礙物的數(shù)量、位置、間距、阻塞率、形狀和結(jié)構(gòu)都能對(duì)瓦斯爆炸火焰速度與壓力造成不同程度的影響。因此障礙物對(duì)非均勻分布瓦斯爆炸傳播的影響是一個(gè)需要研究的問題。

[1] 《煤礦瓦斯治理與應(yīng)用總體方案》編寫小組.煤礦瓦斯治理與應(yīng)用總體方案[M].北京:國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局,2005

[2] 董杰,李希建,李國禎.基于FTA方法的礦井瓦斯爆炸安全評(píng)價(jià)[J].礦山機(jī)械,2011,39(12):109-112

[3] 藺照東.井下巷道瓦斯爆炸沖擊波傳播規(guī)律及影響因素研究[D].山西:中北大學(xué),2014

[4] 司榮軍.瓦斯煤塵爆炸研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2014,41(1):72-75,79

[5] 高玉剛.管道中可燃?xì)怏w燃爆特性研究[D].安徽:安徽理工大學(xué),2011

[6] 吳紅波,陸守香,張立.障礙物對(duì)瓦斯煤塵火焰?zhèn)鞑ミ^程影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2004,(3):6-8,1

[7] 李國慶,杜揚(yáng),齊圣,等.障礙物對(duì)油氣-空氣混合氣體泄壓爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂绊慬J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2017,(1):163-168

[8] 林柏泉,周世寧,張仁貴.障礙物對(duì)瓦斯爆炸過程中火焰和爆炸波的影響[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999,(2):6-9

[9] 侯萬兵,譚迎新,袁宏甦.障礙物影響下瓦斯爆炸壓力傳播規(guī)律研究[J].中國煤層氣,2009,6(6):43-46

[10] 楊凡,陶剛,張禮敬,等.障礙物對(duì)氣體爆炸壓力場影響數(shù)值模擬[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2013,9(2):59-63

[11] 王志青,譚迎新.障礙物形狀對(duì)瓦斯爆炸影響的研究[J].煤炭工程,2010,(9):76-78

[12] 秦澗,譚迎新,王志青,等.管道內(nèi)障礙物形狀對(duì)瓦斯爆炸影響的試驗(yàn)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012,40(2):60-62

[13] 王成,回巖,胡斌斌,等.障礙物形狀對(duì)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(7):661-665,676

[14] 王海濱,尉存娟.障礙物影響下管道內(nèi)氣體爆炸對(duì)動(dòng)物殺傷研究[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào),2011,(6):727-731

[15] 何學(xué)秋,楊藝,王恩元,等.障礙物對(duì)瓦斯爆炸火焰結(jié)構(gòu)及火焰?zhèn)鞑ビ绊懙难芯縖J].煤炭學(xué)報(bào),2004,(2):186-189

[16] 唐平,蔣軍成.障礙物對(duì)采用泄爆管泄放氣體爆炸影響的數(shù)值模擬[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2011,11(6):151-156

[17] 蘇越峰.障礙物對(duì)爆炸沖擊波傳播特性的影響研究[J].煤炭技術(shù),2017,36(2):52-53

[18] 尉存娟,譚迎新,張建忠,等.不同間距障礙物下瓦斯爆炸特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,36(2):188-190,196

[19] 郭丹彤,呂淑然,楊凱.障礙物布置對(duì)氣體爆炸壓力場的影響效果研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2015,11(9):88-93