不同含水率煤塵在瓦斯爆炸誘導(dǎo)下爆炸傳播規(guī)律研究*

楊前意，石必明，張雷林，張鴻智，王 超

(安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

近年來，隨著煤礦開采深度的加深，瓦斯涌出量隨之增加，井下瓦斯積聚的空間增多，更容易引起瓦斯爆炸。由于井下沉積煤塵較多，瓦斯爆炸往往引起沉積煤塵二次爆炸，造成重大事故。研究瓦斯爆炸誘導(dǎo)不同含水率煤塵二次爆炸的傳播規(guī)律，可有助于防治煤塵二次爆炸事故。

國內(nèi)外許多學(xué)者對瓦斯爆炸誘導(dǎo)沉積煤塵二次爆炸傳播規(guī)律及原因進(jìn)行了研究。Torrent等[1]、Amyotte等[2-3]研究了瓦斯對煤塵爆炸的影響，增加瓦斯、減小煤塵粒徑和揮發(fā)分增加均能夠降低煤塵爆炸的最小點(diǎn)火能量和濃度下限；候萬兵[4]使用平直圓管式氣固混合爆炸實(shí)驗(yàn)裝置，研究得出了瓦斯和煤塵混合物的爆炸傳播規(guī)律等；李潤之等[5-7]采用數(shù)值模擬方法對不同量沉積煤塵在瓦斯爆炸誘導(dǎo)下二次爆炸傳播規(guī)律進(jìn)行了分析，同時(shí)利用大型實(shí)驗(yàn)巷道對瓦斯爆炸誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸發(fā)育、傳播過程進(jìn)行了研究，得出了沉積煤塵二次爆炸規(guī)律；景國勛等[8]使用自制實(shí)驗(yàn)裝置，研究了煤塵爆炸傳播特性，得出了煤塵量、斷面對氣流衰減的影響規(guī)律；王成等[9]利用水平直實(shí)驗(yàn)管道研究了障礙物形狀對爆炸火爆傳播的影響，得出了不同工況下爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律；周西華等[10]利用管道爆炸系統(tǒng)研究隔爆水幕對瓦斯爆炸規(guī)律影響，得出了隨著噴水流量的增加，水幕的隔爆效果增強(qiáng)。

以上研究大多針對瓦斯爆炸引起煤塵爆炸的影響條件，傳播規(guī)律及爆炸后抑爆措施，尚未單獨(dú)研究沉積煤塵本身含水率的影響。由于含水率對煤塵二次爆炸有很大影響，針對不同含水率煤塵二次爆炸傳播規(guī)律有待進(jìn)一步深入研究。為此，采用自建水平直管管道煤塵二次爆炸規(guī)律測試系統(tǒng)，對不同含水率煤塵在瓦斯爆炸誘導(dǎo)的爆炸傳播規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以期為井下煤塵在瓦斯爆炸誘導(dǎo)下的二次爆炸事故的預(yù)防和治理提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

本次實(shí)驗(yàn)所采用的直管管道爆炸規(guī)律測試系統(tǒng)主要由配氣子系統(tǒng)、管道子系統(tǒng)、點(diǎn)火子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)4部分共同組成，如圖1所示。其中，配氣子系統(tǒng)由瓦斯氣瓶、真空泵、空氣壓縮機(jī)、循環(huán)泵、數(shù)字真空壓力表等組成；管道子系統(tǒng)由直圓管和不同角度的拐彎管道拼接組成，管徑為200 mm，厚度為10 mm，長度可為0.5，1.5和2 m不等；點(diǎn)火子系統(tǒng)由電源、導(dǎo)線、電極和熔絲等組成；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由工作機(jī)電腦、數(shù)據(jù)采集器、火焰?zhèn)鞲衅?、壓力傳感器和變送器，壓力傳感器采用JAS13C2A1高頻動(dòng)態(tài)壓阻式壓力傳感器，精度等級(jí)為0.5%FS，量程為0～3 MPa；火焰?zhèn)鞲衅鞑捎贸啥继┧固毓旧a(chǎn)的CKG100型火焰?zhèn)鞲衅鳎瑪?shù)據(jù)采集器為TST5206高速數(shù)據(jù)采集器，精度等級(jí)為0.1%FS，采樣率最高為20 Msps。

圖1 管道爆炸規(guī)律測試系統(tǒng)Fig.1 Pipeline explosion law test system

1.2 測點(diǎn)布置

管道爆炸試驗(yàn)系統(tǒng)選取不同的測點(diǎn)對爆炸沖擊波壓力信號(hào)和火焰?zhèn)鞑バ盘?hào)進(jìn)行采集，由于沉積煤塵二次爆炸威力大，傳播速度快，為了更好地獲得爆炸特性參數(shù)，共布置8個(gè)壓力傳感器(編號(hào)分別為a，b，c，d，e，f，g，h)和8個(gè)火焰?zhèn)鞲衅?編號(hào)分別為1，2，3，4，5，6，7，8)。管道全長24 m，開口爆炸，瓦斯填充段長8.5 m，壓力傳感器a，b和火焰?zhèn)鞲衅?，2均距離隔絕瓦斯的膜片1.5 m，以后每2個(gè)相鄰壓力傳感器之間距離為1.5 m，每2個(gè)相鄰火焰?zhèn)鞲衅髦g的距離為1.5 m。圖2為各測點(diǎn)傳感器布置的示意圖。

圖2 傳感器布置示意Fig.2 Schematic diagram of sensor arrangement

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)前期進(jìn)行的爆炸實(shí)驗(yàn)和查閱到的相關(guān)文獻(xiàn)，確定了實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)參數(shù)，管道內(nèi)填充瓦斯?jié)舛葹?.5%，瓦斯填充管道長度為8.5 m，每次鋪設(shè)煤粉總量12 g(保德煤礦中等變質(zhì)氣煤，煤粉粒徑55目)，點(diǎn)火能為10 J，主要進(jìn)行以下7組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5次，實(shí)時(shí)監(jiān)測管道內(nèi)各個(gè)位置的沖擊波壓力和火焰相關(guān)數(shù)據(jù)。7組實(shí)驗(yàn)方案如下：

1) 鋪設(shè)含水率為0的煤粉；

2) 鋪設(shè)含水率為10%的煤粉；

3) 鋪設(shè)含水率為20%的煤粉；

4) 鋪設(shè)含水率為30%的煤粉；

5) 鋪設(shè)含水率為40%的煤粉；

6) 鋪設(shè)含水率為50%的煤粉；

7) 無沉積煤塵，單一瓦斯爆炸。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

采用以下實(shí)驗(yàn)步驟：

1)按照實(shí)驗(yàn)方案要求將管道安裝好，在管道8.5 m處添加膜片，在傳感器a與膜片間的管道內(nèi)均勻鋪設(shè)含水率不同的煤粉，同時(shí)檢查每個(gè)連接處的氣密性；將每個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器打開并調(diào)試好，使儀器處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

2)實(shí)驗(yàn)所用濃度瓦斯氣體采用分壓混合配置。首先抽真空，打開真空機(jī)泵，對填充瓦斯段的管道進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求后，關(guān)閉真空泵，配送實(shí)驗(yàn)爆炸時(shí)需要的高純度瓦斯氣體。

3)進(jìn)行氣體預(yù)混合，打開循環(huán)泵，對管道內(nèi)混合氣體進(jìn)行30 min混合攪拌，將充入的高純度瓦斯氣體和空氣混合，當(dāng)實(shí)驗(yàn)儀器報(bào)警混合完畢時(shí)，關(guān)閉循環(huán)泵，此時(shí)形成均勻濃度9.5%的瓦斯氣體。

4)啟動(dòng)高速數(shù)據(jù)采集器，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)。關(guān)閉各閥門，防止爆炸產(chǎn)生的沖擊波產(chǎn)生傷害，使用點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火，同時(shí)火焰?zhèn)鞲衅骱蛪毫鞲衅鲗?shí)時(shí)采集傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集器獲得數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行處理和圖形顯示。

5)排除廢氣，打開空氣壓縮機(jī)，對爆炸管道進(jìn)行正壓通風(fēng)，排除爆炸后管道內(nèi)殘存瓦斯及各種有毒有害的廢氣。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 沖擊波峰值超壓分析

不同含水率煤塵在瓦斯爆炸誘導(dǎo)下二次爆炸產(chǎn)生的沖擊波到達(dá)各測點(diǎn)峰值超壓曲線如圖3所示，不同含水率沉積煤塵二次爆炸沖擊波超壓最大值曲線如圖4所示。

圖3 各測點(diǎn)峰值超壓曲線Fig.3 Peak overpressure curve of measuring point

圖4 不同含水率時(shí)沖擊波超壓最大值Fig.4 Maximum shock wave overpressure at different moisture contents

由圖3分析可知，當(dāng)含水率小于40%時(shí)，瓦斯爆炸產(chǎn)生的沖擊波逐漸增強(qiáng)，到達(dá)測點(diǎn)b時(shí)，瓦斯爆炸產(chǎn)生沖擊波壓力最大，之后由于管道壁的摩擦和空氣阻力等原因，沖擊波壓力減弱，當(dāng)?shù)竭_(dá)測點(diǎn)c的時(shí)候，這時(shí)候由于前驅(qū)沖擊波卷揚(yáng)起沉積煤塵，引起煤塵的二次爆炸，沖擊波壓力疊加，突然升高。當(dāng)沉積煤塵含水率為10%～30%時(shí)，沉積煤塵的二次爆炸在測點(diǎn)c處，爆炸迅速發(fā)生，壓力升高。當(dāng)沉積煤塵含水率小于10%時(shí)，由于管道內(nèi)處于貧氧狀態(tài)，二次爆炸較緩慢，沖擊波二次極值出現(xiàn)在測點(diǎn)e，當(dāng)沉積煤塵二次爆炸后，沖擊波沿管道直線傳播，受到空氣阻力和管道壁的摩擦力，逐漸降低。當(dāng)含水率大于40%時(shí)，此時(shí)水分較大，部分煤塵無法揚(yáng)起，不能達(dá)到爆炸需要的能量，二次爆炸沒有發(fā)生，沖擊波壓力值不斷減小。

由圖4可知，沖擊波最大超壓峰值與函水率存在二次函數(shù)關(guān)系：y=-0.112 1x2+ 0.688 7x+0.311 5。當(dāng)均勻鋪設(shè)含水率為20%的煤塵時(shí)，沉積煤塵二次爆炸產(chǎn)生的沖擊波峰值超壓最大，1.657 MPa。當(dāng)鋪設(shè)的沉積煤塵含水率在0～20%之間，隨著含水率的增加，產(chǎn)生的沖擊波峰值超壓增大。當(dāng)含水率大于20%時(shí)，沉積煤塵二次爆炸產(chǎn)生的沖擊波峰值超壓隨著含水率的增大而減小。這主要是由于沉積煤塵在瓦斯爆炸產(chǎn)生的作用下，首先要揚(yáng)起，形成煤塵云，煤塵云達(dá)到爆炸條件，才會(huì)產(chǎn)生二次爆炸，增大爆炸威力[11]。當(dāng)含水率較低時(shí)，管道內(nèi)沉積煤塵受瓦斯爆炸作用后全部揚(yáng)起，形成煤塵云，但是管道由于密閉作用，處于貧氧狀態(tài)，煤塵無法全部參與爆炸，同時(shí)還會(huì)對爆炸波產(chǎn)生冷卻、摩擦等作用，進(jìn)而使爆炸壓力下降[12]。當(dāng)含水率升高，部分煤塵揚(yáng)起，管道內(nèi)氧氣剛好供給煤塵云二次爆，氧氣和煤塵反應(yīng)較完全，爆炸產(chǎn)生的沖擊波威力增大；含水率超過20%，由于部分沉積煤塵無法揚(yáng)起，不能完全形成二次爆炸，導(dǎo)致二次爆炸的威力減小。當(dāng)含水率達(dá)到40%時(shí)，此時(shí)沉積煤塵已經(jīng)全部無法揚(yáng)起，形成二次爆炸，同時(shí)煤塵會(huì)在管道內(nèi)成為障礙物，影響爆炸瓦斯產(chǎn)生的沖擊波傳播，降低峰值超壓[13-14]。

在煤礦井下，可以利用這個(gè)原理，給沉積煤塵較多處灑水，當(dāng)水量合適時(shí)，煤塵無法揚(yáng)起，同時(shí)會(huì)阻礙瓦斯爆炸傳播。

3.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?/h3>

實(shí)驗(yàn)過程中，火焰?zhèn)鞲衅鹘邮盏氖枪庑盘?hào)，監(jiān)測爆炸火焰到達(dá)時(shí)間，計(jì)算火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r(shí)，僅僅能得到火焰?zhèn)鞑ピ?個(gè)測點(diǎn)之間的平均速度，由于傳播速度快，時(shí)間短，將該段平均速度視為該段中間點(diǎn)瞬時(shí)速度[15]?；鹧嬖?個(gè)階段的中間速度分別為vA，vB，vC，vD，vE，vF，vG。以速度vA為例，速度計(jì)算公式如式(1)：

vA=L/(T2-T1)

(1)

式中：L為測點(diǎn)1和測點(diǎn)2之間的距離，m；T1為到達(dá)測點(diǎn)1的時(shí)間，s；T2為到達(dá)測點(diǎn)2的時(shí)間，s。

經(jīng)計(jì)算，不同含水率條件下瓦斯爆炸誘導(dǎo)沉積煤塵二次爆炸管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣热鐖D5所示。

圖5 不同含水率下火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.5 Flame propagation speed at different water contents

由圖5可知，當(dāng)煤塵含水率小于30%時(shí)，瓦斯爆炸過后，由于管道內(nèi)殘存瓦斯氣體，火焰不斷燃燒，傳播速度加快，到達(dá)10.75 m后，由于氣體消耗殆盡，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p??；當(dāng)沉積煤塵發(fā)生二次爆炸后，火焰變大。當(dāng)含水率大于40%，由于含水率過大，導(dǎo)致沉積煤塵無法卷揚(yáng)，形成煤塵云，進(jìn)而發(fā)生二次爆炸；火焰在10.75 m處，達(dá)到最大值后，由于能量損失和煤塵的水分蒸發(fā)吸熱，導(dǎo)致火焰不斷減小，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩嘞陆怠?/p>

由圖5可知，當(dāng)鋪設(shè)的煤塵含水率為20%時(shí)，沉積煤塵二次爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯底畲?，?68.060 m/s；當(dāng)鋪設(shè)的沉積煤塵含水率為0～20%時(shí)，隨著含水率的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯挡粩嘣龃?；?dāng)煤塵含水率大于20%時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯惦S著含水率的增大而減小。分析可知，當(dāng)含水率較低時(shí)，沉積煤塵全部揚(yáng)起，由于揚(yáng)起的煤塵量較多，這些煤塵吸收了大量的火焰熱量，部分沒有達(dá)到爆炸燃點(diǎn)，同時(shí)管道內(nèi)氧氣量一定，無法全部參與二次爆炸，火焰速度較小[16-18]；隨著含水率增加，部分煤塵無法揚(yáng)起，此時(shí)煤塵云全部爆炸，威力最大，火焰速度增加最大；當(dāng)含水率大于20%時(shí)，由于水分過多，煤塵揚(yáng)起量很低，同時(shí)水分蒸發(fā)會(huì)吸收爆炸火焰面的能量，導(dǎo)致爆炸威力降低，火焰速度減??；當(dāng)含水率大于40%，煤塵不揚(yáng)起進(jìn)行二次爆炸，水分蒸發(fā)吸熱，此時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣人p比無煤塵下爆炸更快，煤塵阻礙瓦斯爆炸產(chǎn)生的火焰?zhèn)鞑?，起到抑爆的作用?/p>

4 結(jié)論

1)鋪設(shè)煤塵的含水率為20%時(shí)，沉積煤塵二次爆炸產(chǎn)生的沖擊波峰值超壓和爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯底畲?，峰值超壓最大值?.657 MPa；爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯底畲笾禐?68.060 m/s。

2)煤塵含水率在0～20%時(shí)，沖擊波峰值超壓隨著含水率的增加而增大；煤塵含水率大于20%時(shí)，沖擊波峰值超壓隨著含水率的增大而減?。幻簤m含水率超過40%后，沉積煤塵不參與二次爆炸，起到抑爆作用。

3)煤塵含水率在0～20%時(shí)，隨著含水率的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯翟龃?；含水率大?0%時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯惦S含水率的增大而減??；含水率超過40%后，水分蒸發(fā)吸熱，火焰?zhèn)鞑ニ俣人p較無煤塵的單一瓦斯爆炸更快，阻礙瓦斯爆炸產(chǎn)生的火焰?zhèn)鞑ィ瑥亩鸬揭直饔谩?/p>