金屬網(wǎng)對瓦斯爆炸抑制作用的實(shí)驗(yàn)研究*

童 宇，劉天生

(1. 山煤集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司，山西 太原 030051； 2. 中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，山西 太原 030051)

瓦斯爆炸作為礦井的重大危害之一，嚴(yán)重制約了礦井的安全和生產(chǎn)的發(fā)展，因此研究瓦斯阻爆技術(shù)對于煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義. 煤礦瓦斯爆炸阻爆技術(shù)以及抑爆材料的理論和實(shí)驗(yàn)研究對于有效地抑制瓦斯爆炸具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-5]. 同時滿足爆炸三要素和有效抑制礦井瓦斯氣體不爆炸是阻爆技術(shù)研究中面臨的重要問題. 解決這一技術(shù)的關(guān)鍵在于找到好的抑爆材料.

不同的抑爆材料在抑制瓦斯爆炸過程中所起的作用不同[6-15]. 多孔材料因其質(zhì)量輕,透氣性好，同時對爆炸沖擊波的傳播起到衰減作用而引起人們的關(guān)注[11-15]. 魏春榮等討論了不同參數(shù)的多孔材料(金屬絲網(wǎng)、泡沫陶瓷、多孔泡沫鐵鎳金屬)對瓦斯爆炸火焰溫度的衰減作用，結(jié)果表明多孔材料的厚度、孔徑、相對密度等參數(shù)對火焰溫度衰減效果具有重要的影響[11]. Cui等比較了單層金屬網(wǎng)和多層金屬網(wǎng)對甲烷-空氣混合氣體爆炸的抑制作用，指出爆炸的抑制效果主要取決于金屬網(wǎng)的層數(shù)和數(shù)量[12]. Jin等的研究表明多層金屬網(wǎng)可以有效地抑制封閉管道中氫氣-空氣混合氣體爆炸時火焰?zhèn)鞑サ乃俣群捅▔毫13]. 孫建華等人的研究指出鐵鎳金屬泡沫對爆炸沖擊波的衰減作用是由泡沫金屬的孔狀結(jié)構(gòu)決定的[14-15]. 爆炸火焰通過泡沫金屬時，材料細(xì)小的孔隙結(jié)構(gòu)使其分化成若干小股火焰，使得火焰鋒面不能連續(xù)，并增加了火焰通過的阻力. 另外，金屬具有良好的導(dǎo)熱、吸熱性能，爆炸火焰與大量金屬孔壁的熱量交換使得小股火焰溫度迅速降低，阻止火焰的繼續(xù)傳播. 金屬絲網(wǎng)具有細(xì)小的三維孔隙結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于多孔介質(zhì), 可以快速衰減爆炸波的傳播，同時具有優(yōu)異的火焰淬熄性能，而且其成本較低，因此本文采用金屬絲網(wǎng)作為抑爆材料. 考慮到金屬網(wǎng)的孔隙對抑爆效果的影響，本文采用非均勻孔隙金屬絲網(wǎng).

本文通過分析最大爆炸壓力和飛片的變形程度研究管道式瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)裝置中金屬絲網(wǎng)對瓦斯爆炸的抑制作用. 通過改變金屬絲網(wǎng)的質(zhì)量和體積，分析金屬網(wǎng)的體積和質(zhì)量對抑制瓦斯爆炸的影響.

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置的管道為合金鋼管，外徑50 mm，內(nèi)徑25 mm，長度1017 mm (見圖 1). 在管道中距離飛片15 cm處插入金屬絲網(wǎng)作為阻爆裝置. 飛片為鋁片，厚度為0.4 mm. 考慮到鋁片具有良好的塑性和延展性，所以本文通過飛片的變形程度來研究實(shí)驗(yàn)效果. 實(shí)驗(yàn)管道中的可燃?xì)怏w為空氣和甲烷的混合氣體，甲烷氣體的體積分?jǐn)?shù)為10%. 采用鎢極(0.1 cm)作為電極材料，電極間隙0.1 cm，高壓電極點(diǎn)火，點(diǎn)火電壓為2.3 kV. 在距離飛片1 cm處采用CY-YD-205型自由場式石英晶體壓電式壓力傳感器測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

圖 1 管道實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of piping experimental device

1.2 試驗(yàn)步驟

① 將飛片裝在管道一端，并用壓螺固定； ② 在距飛片1 cm處安裝壓力傳感器，并與動態(tài)測試儀，電腦相連，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)； ③ 檢查氣密性，以防漏氣； ④ 打開進(jìn)氣閥，壓力表保護(hù)閥，充入甲烷氣體，將流速控制在較小的水平，當(dāng)甲烷氣體的分壓達(dá)到實(shí)驗(yàn)配比濃度的大氣壓力時，停止充氣，關(guān)閉進(jìn)氣閥； ⑤ 打開進(jìn)氣閥，充入空氣，將流速控制在較小的水平，觀察壓力表讀數(shù)，當(dāng)氣體的壓力達(dá)到實(shí)驗(yàn)配比濃度時，關(guān)閉壓力表保護(hù)閥，關(guān)閉進(jìn)氣閥； ⑥ 待氣體混合均勻后，打開點(diǎn)火裝置開關(guān)，點(diǎn)火引爆，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

為減少實(shí)驗(yàn)后管道內(nèi)的殘存氣體(二氧化碳、水蒸氣等廢氣)的影響，每次實(shí)驗(yàn)后，打開兩端，通過自然通風(fēng)的方式釋放殘留氣體.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了比較金屬網(wǎng)對沖擊波的抑制作用，首先測量了無金屬絲網(wǎng)時，瓦斯爆炸的壓力隨時間的變化. 表 1 給出重復(fù)3次測量的最大壓力.圖 2 給出瓦斯氣體爆炸前后的飛片形狀. 氣體爆炸導(dǎo)致飛片被炸毀，并在管口出現(xiàn)火焰.

表 1 無金屬網(wǎng)時, 瓦斯爆炸的最大壓力Tab.1 Maximum pressure of gas explosion without wire mesh

圖 2 瓦斯氣體爆炸前后的飛片對比圖Fig.2 Comparison of chip shape before and after the gas explosion

為了討論金屬絲網(wǎng)對瓦斯氣體爆炸的影響，在距飛片15 cm處插入直徑2.5 cm, 不同長度(l)和重量 (m)的金屬絲網(wǎng). 表 2～表 4 分別給出插入3種不同參數(shù)的金屬絲網(wǎng)后，瓦斯氣體最大爆炸壓力和飛片的變形程度.圖 3 給出插入不同參數(shù)的金屬絲網(wǎng)時，瓦斯氣體爆炸后的飛片變化. 結(jié)合圖 2 可以看到加入金屬絲網(wǎng)后，飛片的變形程度減弱，當(dāng)l=25 cm，m=90 g時效果最顯著.

表 2 金屬網(wǎng)l=25 cm, m=90 g時，瓦斯氣體爆炸的最大壓力和飛片的變化Tab.2 The maximum pressure of gas explosion and the change of chips with wire mesh l=25 cm, m=90 g

表 3 金屬網(wǎng)l=15 cm，m=90 g時，瓦斯氣體爆炸的最大壓力和飛片的變化Tab.3 The maximum pressure of gas explosion and the change of chip with wire mesh l=15 cm, m=90 g

表 4 金屬網(wǎng)l=25 cm, m=50 g時，瓦斯氣體爆炸的最大壓力和飛片的變化Tab.4 The maximum pressure of gas explosion and the change of chips with wire mesh l=25 cm, m=50 g

圖 3 不同參數(shù)金屬網(wǎng)對瓦斯氣體爆炸后飛片的影響Fig.3 Effect of metal mesh with different parameter on chips

對多次測量的結(jié)果取平均，圖 4 給出爆炸壓力隨時間的變化關(guān)系,圖 4(a) 為無金屬絲網(wǎng)的情況，圖4(b)～圖4(d) 為有金屬絲網(wǎng)的情況. 從圖中可以看到，最大爆炸壓力分別為pa=0.625 MPa，pb=0.483 MPa，pc=0.546 MPa，pd=0.575 MPa. 可以看出，加入金屬絲網(wǎng)后，最大爆炸壓力均有一定程度的降低，而且達(dá)到最大爆炸壓力的時間增加. 根據(jù)火焰淬火理論[16]可知, 爆炸沖擊波通過金屬絲網(wǎng)的孔隙時，產(chǎn)生多次反射、散射、吸收、減震等作用，從而使得壓力減弱. 另外，金屬絲網(wǎng)對爆炸沖擊波的傳播起到了阻礙作用，所以達(dá)到最大爆炸壓力的時間增加. 插入相同重量(90 g)，不同長度(25 cm和15 cm)的金屬絲網(wǎng)時，最大爆炸壓力從0.483 MPa變?yōu)榈?.546 MPa，插入相同長度(25 cm)，不同重量(90 g和50 g)的金屬絲網(wǎng)時，最大爆炸壓力從0.483 MPa變?yōu)榈?.575 MPa，說明金屬絲網(wǎng)的長度、密度對抑制瓦斯氣體爆炸有著一定的影響.

圖 4 爆炸壓力隨時間的變化關(guān)系Fig.4 The relationship between explosion pressure and time

3 結(jié) 論

本文在管道式瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)裝置中加入金屬絲網(wǎng)作為阻爆材料，分析了金屬絲網(wǎng)對瓦斯爆炸的抑制作用. 加入金屬絲網(wǎng)，飛片的變形程度減弱，最大爆炸壓力減小，說明金屬網(wǎng)可以有效地抑制瓦斯氣體爆炸形成的沖擊波. 當(dāng)質(zhì)量相同時，金屬網(wǎng)的體積增大，最大爆炸壓力減小，飛片變形程度相對較小； 當(dāng)體積相同時，金屬網(wǎng)的質(zhì)量增大，最大爆炸壓力減小，飛片變形程度相對較小，說明金屬絲網(wǎng)的長度和密度均會影響抑爆效果.