溫度壓力耦合對瓦斯爆炸危險(xiǎn)度的影響研究

朱丕凱 司榮軍

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

瓦斯爆炸是煤礦事故中后果極其嚴(yán)重的一種自然災(zāi)害。了解不同環(huán)境條件下低濃度瓦斯爆炸特性規(guī)律，對預(yù)防煤礦井下瓦斯爆炸、瓦斯爆炸事故調(diào)查以及煤層氣利用各工藝環(huán)節(jié)提供了理論依據(jù)。目前，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者主要通過試驗(yàn)及數(shù)值模擬方法對不同環(huán)境工況下的瓦斯爆炸極限濃度進(jìn)行測定分析。對不同環(huán)境條件下的爆炸危險(xiǎn)性尚未進(jìn)行定量分析。李潤之對不同點(diǎn)火能量與初始壓力情況下的瓦斯爆炸特性進(jìn)行了試驗(yàn)及模擬研究；孟祥豹對不同點(diǎn)火能量與溫度條件下的瓦斯爆炸特性進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M研究；司榮軍、高娜等對溫度壓力對瓦斯爆炸極限的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明：隨著溫度壓力的升高，爆炸上限呈逐漸上升趨勢，爆炸下限呈逐漸下降趨勢，爆炸極限范圍擴(kuò)大。筆者運(yùn)用Origin軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制回歸曲線得出擬合函數(shù)，獲得溫度壓力耦合對瓦斯爆炸極限影響的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。同時(shí)，運(yùn)用爆炸危險(xiǎn)度的概念對溫度壓力耦合條件下的爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行量化。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及條件

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在特殊環(huán)境條件20 L爆炸特性測試系統(tǒng)中進(jìn)行，系統(tǒng)主要由爆炸罐體、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)以及加濕系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。通過點(diǎn)火系統(tǒng)中的高能電火花能量發(fā)生器發(fā)出點(diǎn)火能量，用來點(diǎn)爆爆炸罐體內(nèi)的混合氣體，爆炸后可燃性氣體的各參數(shù)數(shù)據(jù)(爆炸極限、爆炸壓力等)的采集通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 試驗(yàn)條件

爆炸極限試驗(yàn)點(diǎn)火能量均為10 J，爆炸上限試驗(yàn)與下限試驗(yàn)分開進(jìn)行，先對環(huán)境溫度與壓力耦合情況下爆炸上限的規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)，之后，研究瓦斯爆炸下限的變化規(guī)律。爆炸上限、爆炸下限采取相同的試驗(yàn)方法。

環(huán)境溫度變化范圍為50℃～200℃，采用的環(huán)境溫度測試點(diǎn)為50℃、100℃、150℃、200℃。環(huán)境壓力變化范圍為0.2～1 MPa，采用的環(huán)境壓力測試點(diǎn)為0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

運(yùn)用10 J的點(diǎn)火能量，在不同環(huán)境溫度和壓力條件下，試驗(yàn)測定瓦斯爆炸上、下極限，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 溫度和壓力耦合瓦斯爆炸上限、下限試驗(yàn)結(jié)果

相對于環(huán)境壓力0.2 MPa、環(huán)境溫度50℃時(shí)18.3%的瓦斯爆炸上限、4.98%的瓦斯爆炸下限，環(huán)境壓力為1.0 MPa、環(huán)境溫度200℃時(shí)，爆炸上限升高至25.5%，升高了7.2%，上升率達(dá)39.34%；爆炸下限降低至4.05%，降低了0.93%，下降率達(dá)18.67%。可以看出溫度壓力耦合對瓦斯爆炸極限的影響大于單因素對瓦斯爆炸極限的影響。

2.2 溫度壓力耦合對瓦斯爆炸上限影響分析

將環(huán)境壓力和環(huán)境溫度分別作為x軸和y軸，瓦斯爆炸上限作為z軸，得到如圖2所示的曲面。

圖2 爆炸上限隨環(huán)境溫度和環(huán)境壓力的變化曲面

由圖2可以更直觀地看出瓦斯爆炸上限隨環(huán)境溫度升高和環(huán)境壓力增大時(shí)的變化規(guī)律，而且隨著環(huán)境溫度及壓力的增大，爆炸上限的上升速率逐漸變緩。同時(shí)，根據(jù)圖2所示曲面可以擬合得到爆炸上限隨環(huán)境溫度和環(huán)境壓力變化的高斯方程式，如式(1)所示，高斯曲面如圖3所示。

圖3 爆炸上限高斯擬合曲面圖

式中：Z——爆炸上限，%；

P——環(huán)境壓力，MPa；

T——環(huán)境溫度，℃；

Z0、A、P0、T0、w1、w2——相應(yīng)的高斯方程常參數(shù)。

式(1)中擬合函數(shù)各參數(shù)取值分別為：Z0=12.693，A=14.207，P0=1.479，w1=1.11，w2=278.593，T0=251.276，R2=0.998。

同時(shí)，根據(jù)圖2所示曲面可以擬合得到瓦斯爆炸上限隨環(huán)境溫度和環(huán)境壓力變化的指數(shù)函數(shù)方程式，如式(2)所示，指數(shù)函數(shù)曲面如圖4所示。

(2)

(50℃≤T≤200℃,0.2 MPa≤P≤1.0 MPa)

式(2)中擬合函數(shù)各參數(shù)分別為：Z0=-23.7466，A=40.2345，P0=-7.23421，T0=-3113.66，R2=0.9828。

圖4 爆炸上限指數(shù)擬合曲面圖

對比圖3、圖4以及擬合參數(shù)的相關(guān)系數(shù)，在試驗(yàn)研究的范圍內(nèi)高斯曲面的擬合度更高，因此選用高斯擬合方程式。

在試驗(yàn)所研究的特殊環(huán)境(溫度為50℃～200℃，壓力為0.2～1.0 MPa)范圍內(nèi)，隨著環(huán)境溫度的升高和環(huán)境壓力的增加，瓦斯爆炸的上限也增加。但爆炸上限值不會(huì)無限增加，當(dāng)甲烷濃度增大到某一值時(shí)，因?yàn)闆]有足夠的氧氣維持反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)環(huán)境處于負(fù)氧狀態(tài)，無論如何改變環(huán)境條件以加強(qiáng)瓦斯的爆炸強(qiáng)度，爆炸都不會(huì)發(fā)生。

2.3 溫度壓力耦合對瓦斯爆炸下限的影響分析

將環(huán)境壓力和環(huán)境溫度分別作為x軸和y軸，瓦斯爆炸下限作為z軸，得到如圖5所示的曲面。

圖5 爆炸下限隨環(huán)境溫度和環(huán)境壓力的變化曲面

由圖5可以直觀地看出瓦斯爆炸下限隨環(huán)境溫度升高和環(huán)境壓力增大時(shí)的變化規(guī)律。隨著環(huán)境溫度、壓力的增大爆炸下限下降速率逐漸變緩。同時(shí)，根據(jù)圖5所示曲面可以擬合得到爆炸下限隨環(huán)境溫度和環(huán)境壓力變化的高斯方程式，如式(3)所示，高斯曲面如圖6所示。

式(3)中擬合函數(shù)各參數(shù)分別為：Z0=1063.404，A=-1059.713，P0=1.704，w1=40.02，w2=11224.461，T0=403.392，R2=0.997。

圖6 爆炸下限高斯擬合曲面圖

同時(shí)，根據(jù)圖5所示曲面可以擬合得到甲烷爆炸上限隨環(huán)境溫度和環(huán)境壓力變化的指數(shù)函數(shù)方程式，如式(4)所示，指數(shù)函數(shù)曲面如圖7所示。

(4)

(50℃≤T≤200℃,0.2 MPa≤P≤1.0 MPa)

式(4)中擬合函數(shù)各參數(shù)分別為：Z0=2.9372，A=2.4308，w1=2.0723，w2=653.1417，R2=0.9952。

圖7 爆炸下限指數(shù)擬合曲面圖

對比圖6、圖7以及擬合參數(shù)的相關(guān)系數(shù)，在試驗(yàn)研究的范圍內(nèi)高斯曲面的擬合度稍高，因此選用高斯擬合方程式。

在試驗(yàn)所研究的特殊環(huán)境(溫度為50℃～200℃；壓力為0.2～1. 0 MPa)范圍內(nèi)，隨著環(huán)境溫度的升高和環(huán)境壓力的增加，瓦斯的爆炸下限呈下降的趨勢。但下限值不會(huì)無限下降，當(dāng)瓦斯?jié)舛葴p小到某一值時(shí)，無論如何改變環(huán)境條件以激勵(lì)氣體分子的活躍性，都不會(huì)發(fā)生爆炸。

2.4 溫度壓力耦合對爆炸危險(xiǎn)度的影響

爆炸極限作為衡量氣體爆炸危險(xiǎn)性的主要指標(biāo)，在烷烴系碳?xì)浠衔镏g的數(shù)值變化較大，直接用爆炸極限來判斷甲烷的爆炸危險(xiǎn)性并不容易。日本學(xué)者近藤重雄、巖阪雅二等在北川爆炸危險(xiǎn)度的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了新的爆炸危險(xiǎn)度，其定義如式(5)所示：

(5)

式中：U——瓦斯爆炸上限， %；

L——爆炸下限， %。

環(huán)境溫度與壓力耦合時(shí)的爆炸危險(xiǎn)度根據(jù)式(5)計(jì)算如表2所示。

表2 溫度壓力耦合爆炸危險(xiǎn)度分布

從表2可以看出，爆炸危險(xiǎn)度隨著環(huán)境溫度與環(huán)境壓力的增加而上升。相對于環(huán)境壓力0.2 MPa、環(huán)境溫度50℃時(shí)0.478的爆炸危險(xiǎn)度，環(huán)境壓力為1.0 MPa、環(huán)境溫度50℃時(shí)，爆炸危險(xiǎn)度上升到0.561，上升率為17.36%；環(huán)境壓力為0.2 MPa、環(huán)境溫度200℃時(shí)，爆炸危險(xiǎn)度上升到0.519，上升率為8.58%；可以看出，單因素影響環(huán)境壓力大于環(huán)境溫度。環(huán)境壓力為1.0 MPa、環(huán)境溫度200℃時(shí)，爆炸危險(xiǎn)度上升到0.601，上升率為25.73%。相比較單因素環(huán)境壓力為2.0 MPa時(shí)的爆炸危險(xiǎn)度0.579還要高?？梢钥闯鰷囟葔毫︸詈蠈ν咚贡O限影響比單因素作用時(shí)更大。

為了綜合分析環(huán)境溫度和環(huán)境壓力對爆炸危險(xiǎn)度的影響，將環(huán)境壓力和環(huán)境溫度分別作為x軸和y軸，爆炸危險(xiǎn)度作為z軸，得到爆炸危險(xiǎn)度隨溫度、壓力變化的曲面。該曲面可以擬合得到瓦斯爆炸危險(xiǎn)度隨環(huán)境溫度和環(huán)境壓力變化的擬合曲面如圖8所示。圖8更直觀地反映了爆炸危險(xiǎn)度隨環(huán)境溫度和環(huán)境壓耦合影響作用。

圖8 爆炸危險(xiǎn)度指數(shù)擬合

由圖8可以看出，爆炸危險(xiǎn)度隨環(huán)境溫度升高和環(huán)境壓力增大時(shí)的變化規(guī)律。而且隨著環(huán)境溫度及壓力的增大，爆炸危險(xiǎn)度的上升速率逐漸變緩。同時(shí)，根據(jù)圖8所示曲面可以擬合得到爆炸危險(xiǎn)度隨環(huán)境溫度和環(huán)境壓力變化的指數(shù)函數(shù)方程式，如式(6)所示。

(6)

(50℃≤T≤200℃,0.2 MPa≤P≤1.0 MPa)

式(6)中擬合函數(shù)各參數(shù)為：Z0=0.7608，A=-0.3313，w1=2.0718，w2=805.7457，R2=0.9894。

3 小結(jié)

(1)環(huán)境溫度的升高和環(huán)境壓力的增大，使瓦斯的爆炸范圍變寬，增加了瓦斯爆炸的危險(xiǎn)性。溫度壓力耦合對瓦斯爆炸極限的影響大于單因素對瓦斯爆炸極限的影響。

(2)環(huán)境溫度和環(huán)境壓力耦合時(shí)，瓦斯爆炸極限滿足高斯方程函數(shù)關(guān)系式。

(3)隨環(huán)境溫度升高和環(huán)境壓力增大，爆炸危險(xiǎn)度逐漸增大。而且隨著環(huán)境溫度及壓力的增大，爆炸危險(xiǎn)度的上升速率逐漸變緩。環(huán)境溫度和環(huán)境壓力耦合時(shí)，瓦斯爆炸危險(xiǎn)度的函數(shù)關(guān)系式滿足指數(shù)函數(shù)形式。