大型管道瓦斯爆炸特征及其末端對動物損傷實驗研究

張毓媛，張延松，2，劉 博

（1.山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590；2.山東科技大學 礦山災害預防控制-省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590）

中國幾乎所有煤礦都是瓦斯礦井，高瓦斯礦井在大中型煤礦中占20.34%，在小型煤礦中占15%左右，在這些礦井中，瓦斯爆炸危險普遍存在，不僅如此，低瓦斯礦井因管理不嚴格、制度不健全也成為事故多發(fā)礦井[1-5]。進入21世紀以來，中國煤礦先后發(fā)生9起一次死亡百人以上的重特大事故，其中瓦斯煤塵爆炸占了8起。這些事故給企業(yè)或國家均造成了重大損失和惡劣的社會影響[6-9]。近年來，國內(nèi)外對于瓦斯爆炸特性特別是瓦斯與其他氣體混合后的點火、傳播特性開展了大量的理論和實驗研究，對瓦斯爆炸傷的病理和病理生理的研究也取得了一定的成果[10-14]，但是目前對于瓦斯爆炸特性與爆炸傷之間的關(guān)聯(lián)性缺少系統(tǒng)性的研究。通過對封閉式大長徑比管道瓦斯爆炸特性的研究，分析不同體積和濃度下瓦斯壓力、溫度、火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律這3個爆炸特性及深入觀察小白鼠爆炸傷后各組織、器官的損傷特性，依據(jù)此來類推爆炸對人體的損傷機理，為減少瓦斯爆炸對人員傷亡提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料與設(shè)備

國內(nèi)外的學者對于可燃性氣體爆炸的實驗研究多集中在密閉容器內(nèi)爆炸特征以及可燃氣體在管道內(nèi)的傳播特性特征研究[15-16]。在管道爆炸試驗中，以管道形狀和特性、點火條件與濃度以及障礙物對爆炸的影響研究最為廣泛，為使爆炸達到爆轟條件，爆炸實驗管道多為封閉式大長徑比管道（圖1），選用這種管道可以模擬煤礦實際條件下在半封閉空間瓦斯積聚處由于各種點火因素引發(fā)的煤礦瓦斯爆炸事故。管道爆炸實驗系統(tǒng)由實驗管道、配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)以及其他附屬裝置組成。

圖1 實驗管道及傳感器安裝位置

1）實驗管道。實驗管道直徑2 000 mm，長29 m，分為實驗段和起爆段2部分，由于只有起爆段需要填充可燃氣體，而實驗段為空氣，因此采用厚度為0.025 mm的聚乙烯薄膜隔開氣體預混區(qū)和空氣區(qū)，且不會對沖擊波和火焰的發(fā)展過程產(chǎn)生影響[17]。起爆端體積大小根據(jù)封膜位置決定。管道壁上設(shè)置有壓力和火焰?zhèn)鞲衅靼惭b孔，實驗中管道上布8個壓力傳感器和5個溫度傳感器，其位置如圖1。

2）配氣系統(tǒng)。配氣系統(tǒng)主要包括氣體罐（瓦斯罐）、循環(huán)泵、流量控制裝置、氣體濃度測定儀。

3）點火系統(tǒng)。點火系統(tǒng)主要由高能電火花能量發(fā)生器、點火電極等組成，可為實驗提供不同能量的點火能，它具有能量范圍寬，能量值可調(diào)，能產(chǎn)生1 mJ～1 000 J能量火花放電的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)實時放電數(shù)據(jù)采集。

4）監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)主要包括DH5923動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)（含配套的DHDAS信號測試分析系統(tǒng)軟件）、火焰?zhèn)鞲衅鳌囟葌鞲衅?、壓力傳感器等?/p>

DH5923動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)配套的DHDAS信號測試分析系統(tǒng)軟件是基于C語言編寫的，測量通道最多可達128個，具有很強的靈活性。該系統(tǒng)的采樣頻率范圍為10 Hz到128 kHz，完全可以滿足實驗裝置的測量需要。

壓力傳感器為CYG系列固態(tài)壓阻壓力傳感器，在測試過程中通過自制前置放大器接入DH5923動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，傳感器量程為0.2 MPa，非線性為±0.08%，過載能力為200%。火焰?zhèn)鞲衅魇褂锰刂频募t外線接收管來檢測火焰，然后把火焰的亮度轉(zhuǎn)化為高低發(fā)化的電平信號，此信號為無濾波信號，因此所測波形為非矩形波，火焰到達該點的時間以波形的第1次躍變?yōu)闇蔥18]。溫度傳感器為紅外線性化溫度傳感器，其測溫范圍為400～2 000℃，測量精度為滿量程的±1%，響應時間為67 ms，適于在0～60℃環(huán)境下使用。每個溫度的測點均布置在管道側(cè)壁的中間位置，熱電偶絲插入深度均為3 cm，與火焰?zhèn)鞲衅骱蛪毫鞲衅鞑贾迷诠艿赖耐粋€截面上，保證3類傳感器能夠一一對應。

1.2 實驗方案及過程

實驗選取6月齡健康SD小白鼠90只，體重（250±20）g。

為了探究不同瓦斯?jié)舛纫约安煌咚箙⑴c量條件下瓦斯爆炸特征，將對貧燃料瓦斯爆炸濃度（6%）、化學計量濃度（9.5%）以及富燃料瓦斯爆炸濃度（13%）下不同瓦斯體積（0.8～2.0 m3）進行分組討論，共進行6組實驗，每組實驗均在距離管道開口3.5 m處放置10只6月齡健康SD小白鼠，SD小白鼠為大鼠的1個體系，這種品系的小白鼠生長發(fā)育快，抗病能力強。爆炸后對損傷動物的一般情況進行觀察，主要觀察其精神狀態(tài)、體表燒傷情況、骨折情況、內(nèi)臟出血、死亡情況等。

實驗所使用的甲烷氣體都是純度為99.999%的高純氣體，采用分壓法在點火端填充不同濃度的CH4-Air預混氣體，封膜長度根據(jù)標準大氣壓情況下不同濃度及瓦斯量確定，很容易可以得出，封膜內(nèi)腔體積為13.3～20 m3，進氣結(jié)束后關(guān)閉閥門，打開真空泵對管道內(nèi)的瓦斯混合氣體進行不斷循環(huán)攪拌，使甲烷與空氣充分混合，并用高精度甲烷氣體濃度測量儀測量兩端和中間位置處的甲烷濃度，確?；旌暇鶆颉Ｍ咚?jié)舛扰浔纫姳?。

表1 瓦斯?jié)舛扰浔?/p>

2 實驗結(jié)果分析

2.1 瓦斯爆炸壓力變化特征

瓦斯點火以后即形成爆炸，幾乎是在爆炸發(fā)生的瞬間就轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏焊邷貭顟B(tài)的氣相爆炸產(chǎn)物，此氣體急劇膨脹并迫使周圍的空氣離開它原來占據(jù)的位置，迅速向外運動，于是在此氣體的前沿會形成壓縮空氣層，即空氣沖擊波。沖擊波壓力的大小主要是取決于爆炸所釋放的能量和距離爆源的距離。瓦斯爆炸壓力隨測點位置的變化規(guī)律如圖2。

圖2 瓦斯爆炸壓力隨測點位置的變化規(guī)律

總體上，瓦斯?jié)舛仍浇咏瘜W計量濃度9.5%，其爆炸壓力峰值越高，有偏差時，高濃度瓦斯爆炸比低濃度瓦斯爆炸威力更大，同濃度下，純瓦斯體積對爆炸壓力有一定影響，但是在實驗條件中，其影響程度不及瓦斯?jié)舛取?/p>

在貧燃料瓦斯爆炸濃度（6%，純瓦斯體積為0.8 m3和1.2 m3）條件下，傳感器所反饋最小爆炸超壓峰值為4.3 kPa，最大爆炸超壓峰值為23.7 kPa，隨著爆炸波的傳播，爆炸超壓峰值越來越小，且變化趨勢較為平穩(wěn)。純瓦斯體積為1.2 m3的情況下，其爆炸超壓峰值高于純瓦斯體積為0.8 m3的情況。

化學計量濃度（9.5%，純瓦斯體積為1.2 m3和1.6 m3）條件下，傳感器所反饋最小爆炸超壓峰值為25.6 kPa，最大爆炸超壓峰值為59.8 kPa，隨著爆炸波的傳播，爆炸超壓峰值越來越小，且衰減速率較快。與貧燃條件類似，呈現(xiàn)出純瓦斯量越高，爆炸壓力峰值越大的現(xiàn)象。

富燃料瓦斯爆炸濃度（13%，純瓦斯體積為1.6 m3和1.8 m3）條件下。傳感器所反饋最小爆炸超壓峰值為26.7 kPa，最大爆炸超壓峰值為37.8 kPa，爆炸超壓峰值隨著爆炸波的傳播呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，一般情況下，純瓦斯量越高，爆炸壓力峰值越大，但是在臨近管道開口6 m處，出現(xiàn)了相反情況。

對于末端開口的管道，在點火后，由于瓦斯爆炸產(chǎn)生大量能量使氣體體積不斷膨脹并向外擴張，當壓力達到最大值后，管道內(nèi)開始呈現(xiàn)負壓狀態(tài)，直至火焰全部沖出管道后，負壓達到最大值，周圍氣體又在負壓作用下向爆炸中心移動，對爆炸產(chǎn)物進行第1次壓縮使壓力不斷增加，在慣性的作用下會造成過度壓縮，從而使爆炸產(chǎn)物壓力大于初始壓力，壓力會再一次上升，經(jīng)過若干次膨脹壓縮后停止，最終達到平衡。

2.2 火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律分析

需要注意的是，實驗過程中，由于火焰?zhèn)鞲衅髋c壓力傳感器、溫度傳感器布置位置相同，所計算火焰速度為2個傳感器之間的平均速度，并非火焰達到某一點處的瞬時速度。火焰?zhèn)鞑ニ俣入S測點位置的變化規(guī)律如圖3。同時，從起爆到火焰達到第1個傳感器的平均速度記錄為第1個速度值。

圖3 火焰?zhèn)鞑ニ俣入S測點位置的變化規(guī)律

從圖3可以看出，在低長徑比大型管道的整個瓦斯爆炸過程中，火焰?zhèn)鞑ニ俣染幱诩铀龠^程中，其變化速度根據(jù)瓦斯?jié)舛纫约凹兺咚沽康淖兓兓Ｔ谕咚贡ǔ跏茧A段，距離點火端較近處，燃燒化學反應剛剛開始，隨著時間的延長和距離的不斷增大，燃燒反應進一步加快，放出大量的熱能，火焰處于加速階段，同時，由于瓦斯爆炸壓力及開口作用，使火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸掷m(xù)增大，一直到火焰面離開末端開口。在此過程中，管道壁面對火焰的冷卻作用未能顯現(xiàn)出來。在貧燃料瓦斯爆炸濃度條件下，2個測點最小平均速度為35 m/s，最高為142 m/s，且不同參爆瓦斯體積對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊戄^小。富燃料瓦斯爆炸濃度條件下，2個測點最小平均速度為55 m/s，最高為207 m/s，隨著燃燒過程不斷發(fā)展，瓦斯參爆體積對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懽兇螅@主要是富余瓦斯爆炸導致的?；瘜W計量濃度條件下，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?，初始平均速度便達到了94 m/s，最高為287 m/s，瓦斯參爆體積對火焰速度的影響也較大。

2.3 瓦斯爆炸溫度變化規(guī)律

3種濃度下不同體積瓦斯爆炸溫度曲線如圖4，在整個瓦斯爆炸過程中，由起爆端到末端開口出，溫度峰值先增加，達到最大值后，再減小。這是由于瓦斯爆炸后，開始由于燃燒反應速度較慢，整個反應系統(tǒng)的溫度較低，隨著燃燒反應速度的進一步加快，參與燃燒的瓦斯量增多，產(chǎn)生的熱量加大，溫度上升較大，當參與燃燒的瓦斯量與各種熱損失達到一種平衡時，溫度達到最大值；后期，由于管道系統(tǒng)中的熱量損失，加之管道末端開口散熱，這種熱平衡被瞬間打破，導致管道臨近末端處溫度下降。在不同瓦斯?jié)舛燃巴咚贵w積條件下，上述趨勢又呈現(xiàn)出不同的情況。

圖4 3種濃度下不同體積瓦斯爆炸溫度曲線

在貧燃料瓦斯爆炸濃度條件下，傳感器所反饋最小溫度峰值為419℃，最大溫度峰值為647℃，高瓦斯純量爆炸火焰溫度高于低瓦斯純量爆炸，靠近點火端位置，這種差別很小，在管道中間位置，差別達到最大，隨后由于開口散熱作用，這種差距又被拉小?？梢姡蜐舛韧咚贡l件下，火焰溫度受外界環(huán)境影響較大。

化學計量濃度條件下，傳感器所反饋最小溫度峰值為543℃，最大溫度峰值為1 113℃，達到最大之后，最高溫度急劇下降，高瓦斯純量爆炸火焰溫度與低瓦斯純量爆炸相比，爆炸初期，由于爆炸已經(jīng)較為充分，差別不大，隨著火焰不斷發(fā)展，這種差距才慢慢顯示出來，在達到開口位置處，兩者的溫差達到最大值。

富燃料瓦斯爆炸濃度條件下。傳感器所反饋最小溫度峰值為555℃，最大溫度峰值為1 022℃，一般來說，高瓦斯純量爆炸火焰溫度高于低瓦斯純量爆炸，但是在火焰急速發(fā)展時期（第2溫度傳感器處），相差不大，在后期過程中，溫度差值基本穩(wěn)定在50℃左右。對比化學計量濃度條件，由于燃料的進一步充分反應，溫度峰值在靠近開口處下降較慢，以至于出現(xiàn)了參爆瓦斯體積對爆炸的影響程度高于瓦斯?jié)舛鹊那闆r。瓦斯爆炸實驗數(shù)據(jù)見表2。

2.4 末端動物損傷分析

瓦斯爆炸傷害是一種特殊的受傷類型，其致傷機理復雜，以爆炸沖擊傷、減壓傷、機械性損傷、有害氣體吸入、缺氧窒息和高溫燒傷等損害為主，易造成機體多系統(tǒng)傷害[19]。組織學觀察顯示，爆炸傷會導致動物體內(nèi)各個組織出血，主要表現(xiàn)為肺部和腦組織出血[20-22]。實驗結(jié)果表明，當瓦斯?jié)舛葹?.5%，瓦斯含量為1.6 m3時，爆炸壓力達到最大值59.8 kPa，爆炸溫度也達到最大值1 113℃，此時爆炸產(chǎn)生的沖擊波對小白鼠傷亡程度最大，高溫對小白鼠造成不同程度灼傷，死亡率達到6組最高值。在相同瓦斯?jié)舛认?，不同體積的瓦斯含量對小白鼠的傷亡也存在明顯差別，瓦斯含量較大時，沖擊波壓力對小白鼠的損傷程度相比低體積的瓦斯含量更為嚴重。

表2 瓦斯爆炸實驗數(shù)據(jù)表

實驗結(jié)果表明，瓦斯?jié)舛仍浇咏瘜W計量濃度9.5%時，爆炸沖擊波對人體的損傷最嚴重。爆炸沖擊波對人體的傷亡主要表現(xiàn)在2個方面：①爆炸沖擊波對人體內(nèi)臟器官的損傷，造成組織血腫、骨折等；②爆炸產(chǎn)生的高溫對人體皮膚的灼傷。無論是哪種類型的損傷對會給人體帶來嚴重的傷害，因此通過實驗探究瓦斯爆炸規(guī)律特性，分析大型管道末端小白鼠的爆炸傷對各器官的損傷情況，對于預防瓦斯爆炸，及時處理治療爆炸對人員的損傷具有重要意義。

3 結(jié)論

1）在低長徑比大型管道的整個瓦斯爆炸過程中，火焰?zhèn)鞑ニ俣染幱诩铀龠^程中，其變化速度根據(jù)瓦斯?jié)舛纫约凹兺咚沽康淖兓兓?/p>

2）高瓦斯純量爆炸火焰溫度高于低瓦斯純量爆炸，靠近點火端位置，這種差別很小，在管道中間位置，差別達到最大?？梢姡蜐舛韧咚贡l件下，火焰溫度受外界環(huán)境影響較大。

3）瓦斯爆炸壓力與火焰?zhèn)鞑ニ俣扔幸欢ǖ南嗷リP(guān)系，瓦斯爆炸壓力增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫苍龃螅以谕粫r刻達到峰值。

4）當瓦斯?jié)舛仍浇咏瘜W計量濃度9.5%，爆炸沖擊波對小白鼠產(chǎn)生的威力越大，主要造成小白鼠內(nèi)臟器官的損傷、骨折和燒傷等傷害，且在爆炸傷產(chǎn)生的初期，對小白鼠的損傷程度最大。