空腔及其耦合水袋抑制瓦斯爆炸實驗研究*

周 輝,穆朝民,李重情,劉 偉,黃海健

(1.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南，232001；2.安徽理工大學(xué) 省部共建深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室，安徽 淮南，232001；3.安徽理工大學(xué) 應(yīng)用力學(xué)研究所，安徽 淮南 232001)

0 引言

瓦斯爆炸是煤礦發(fā)生特大事故的主要原因，事故的發(fā)生嚴(yán)重制約我國煤炭工業(yè)發(fā)展進程。據(jù)統(tǒng)計[1]，2007—2018年間因瓦斯爆炸而導(dǎo)致的事故死亡人數(shù)占瓦斯類事故死亡人數(shù)總量的一半以上。因此，研究如何防控瓦斯爆炸對于煤礦安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

防控瓦斯爆炸技術(shù)主要分為2大類:一類為防止瓦斯爆炸三要素同時滿足的預(yù)防性技術(shù);另一類為瓦斯爆炸發(fā)生后用以減輕事故危害的阻爆、隔爆技術(shù)[2]。關(guān)于抑爆技術(shù)近幾年國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的實驗研究：畢明樹等[3]利用長1 200 mm，內(nèi)徑為68 mm的密閉管道探究了細(xì)水霧噴量對瓦斯爆炸超壓峰值及其上升速率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著噴霧量的增大，抑爆效果越明顯；Chelliah等[4]對水霧的抑爆機理從物理、化學(xué)及熱效應(yīng)3方面進行了分析；Ananth等[5]利用多相流模型對水霧與爆炸氣體云之間的相互作用進行了數(shù)值模擬研究，分析了水霧對爆炸能量的削弱方式，包括潛熱吸收、顯熱吸收以及對高速氣體的動量吸收。文虎等[6]利用容積為20 L的近球形抑爆實驗系統(tǒng)開展了ABC干粉抑爆實驗，指出其能降低瓦斯爆炸超壓，且存在一個最佳抑爆濃度；程方明等[7]對比分析指出硅藻土粉體的抑爆效果要優(yōu)于石英粉，甲烷與空氣混合氣體的爆炸壓力在質(zhì)量濃度為0.1 g/L的硅藻土粉體作用下可降低30%左右；謝波[8]、黃子超等[9]通過實驗研究證明不同種類的抑爆粉體介質(zhì)其抑爆效果不一樣，且抑爆效果與抑爆劑的濃度和粒度密切相關(guān)。

不同介質(zhì)材料在瓦斯抑爆方面取得的可喜成果，在一定程度上推動了瓦斯阻隔爆技術(shù)的發(fā)展。而抑制瓦斯爆炸主要從抑爆材料和抑爆裝置結(jié)構(gòu)2方面考慮，相對而言在抑爆裝置方面的研究較少，且目前大部分被動式抑爆裝置在發(fā)生次生爆炸時無防護作用，瓦斯爆炸抑制研究尚存不足?；诖耍疚脑O(shè)計了不同尺寸的矩形空腔體，并通過在搭建好的大型瓦斯爆炸實驗管網(wǎng)中鋪設(shè)空腔結(jié)構(gòu)開展實驗，將其與純直管道爆炸結(jié)果進行分析對比探究其抑爆性能。此外結(jié)合抑爆介質(zhì)吸能消波方式，在空腔體內(nèi)填充不同質(zhì)量的水袋，研究腔體耦合水袋的抑爆效果演化規(guī)律，為有效地進行瓦斯事故的減災(zāi)防護提供技術(shù)和理論支持。

1 實驗系統(tǒng)與方法

1.1 實驗系統(tǒng)

利用自行搭建的長度為36 m的大型圓管瓦斯爆炸實驗系統(tǒng)開展試驗，該實驗系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 瓦斯爆炸實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of gas explosion experimental system

爆炸實驗管網(wǎng)子系統(tǒng)利用直徑為200 mm、厚度為10 mm的鋼制圓管進行搭建；配氣子系統(tǒng)包括真空泵、空氣壓縮機、瓦斯氣罐、循環(huán)泵和數(shù)字真空壓力表等；點火子系統(tǒng)包括電極、熔絲、電源和導(dǎo)線等，利用36 V安全電壓進行點火，選擇點火能10 J作為實驗的起爆能源；抑爆子系統(tǒng)由空腔體和抑爆劑組成，其中腔體考慮到煤礦井下施工及支護難度和安全可行性，高度應(yīng)與管道直徑相當(dāng)，長度和寬度不應(yīng)超過直徑的4倍[10]。本文腔體尺寸(長×寬×高)設(shè)計為500 mm×300 mm×200 mm,500 mm×500 mm×200 mm,500 mm×800 mm×200 mm 3種，實物如圖2所示；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括火焰?zhèn)鞲衅?、壓力傳感器、?shù)據(jù)采集器、變送器和工作機等。其中壓力傳感器P1,P2的量程為0～3 MPa，精度等級為0.5%FS；火焰?zhèn)鞲衅鱂1,F2最高采樣率為20 Msps，精度等級為0.1%FS，各傳感器的測點位置見表1。

圖2 矩形空腔體實物Fig.2 Material object of rectangular cavity

表1 各傳感器測點位置Table 1 Position of each sensor measurement point

1.2 實驗材料及實驗過程

實驗采用的瓦斯氣體為純度高達(dá)99.9%及以上的甲烷氣，腔體內(nèi)填充的水利用氣球進行裝填，氣球質(zhì)量為2 g，主要成分為聚異戊二烯。本文依次設(shè)置了純直管道、距點火電極13.25 m處鋪設(shè)不同寬度空腔體結(jié)構(gòu)、在腔體內(nèi)分別填充不同質(zhì)量水袋共3組管道瓦斯爆炸實驗，其中水袋置于距點火端較近的腔體進口處。實驗前，將實驗管網(wǎng)系統(tǒng)連接好，在距點火電極11 m處利用厚度為0.4 mm的聚乙烯薄膜對起爆管進行密封。首先采用空氣壓縮機正壓送風(fēng)以驗證系統(tǒng)的密封性；隨后利用真空泵對起爆段進行抽真空處理，使該段處于負(fù)壓狀態(tài)，再利用道爾頓分壓法完成實驗中爆炸混合性氣體的配置，本實驗選擇瓦斯?jié)舛葹?0%作為每次實驗的混合濃度，在實驗條件下此濃度瓦斯爆炸沖擊強度最大[11]。配氣完成后，為使起爆管內(nèi)的氣體混合均勻，開啟循環(huán)泵讓混合氣體循環(huán)10～20 min。最后在確保安全的前提下利用點火系統(tǒng)進行起爆，通過火焰壓力傳感器及測試軟件DAP協(xié)同得到火焰及壓力參量變化曲線。

2 不同實驗工況下瓦斯爆炸火焰及超壓演化過程

管道內(nèi)的瓦斯氣體經(jīng)電熔絲點火起爆后，火焰將以起爆點為中心，以層流的方式呈球形波向外界生長擴展。當(dāng)火焰到達(dá)周壁時，由于受到管道壁面的限制，誘發(fā)火焰面形成湍流效應(yīng)，使火焰皺折變形，火焰的燃燒速率隨之急劇增大。相應(yīng)的，由于氣體燃燒釋放的大量熱量使氣體溫度驟升，體積膨脹，將燃燒陣面前方的氣體壓縮，進而誘導(dǎo)形成超前于燃燒陣面的前驅(qū)沖擊波。隨著反應(yīng)進行，行進在火焰燃燒陣面前的前驅(qū)沖擊波使薄膜破裂，同時未燃區(qū)的部分可燃?xì)怏w隨沖擊波在連接管中繼續(xù)向前運動，經(jīng)進一步反應(yīng)后通過傳感器測點處。

由于瓦斯爆炸事故沖擊破壞和損傷作用主要體現(xiàn)在火焰鋒面、爆炸沖擊波超壓上[12]，故在抑制瓦斯爆炸實驗中通過分析瓦斯爆炸火焰信號、沖擊波超壓峰值2個參量，用來表征各實驗工況下對瓦斯爆炸的抑制效果。對于火焰的處理采取火焰信號強度對時間積分，來表征爆炸波傳播過程中火焰能量對時間的累積效應(yīng)，積分面積越大表示火焰大小越大，其表達(dá)式為：

(1)

式中：Si為i號火焰?zhèn)鞲衅魈幓鹧嫘盘枏姸葘r間積分面積，V·s，i=1,2；t0為瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ钑r間；t1為爆炸火焰作用時間;Fi為i號火焰?zhèn)鞲衅鲗崟r信號；F0為火焰?zhèn)鞲衅鞒跏夹盘枴６x火焰衰減率ηF為火焰在2個傳感器測點間傳播消耗衰減的能量占火焰經(jīng)過第1傳感器測點時所具有初始能量的比例，在數(shù)值上等于2個測點F1，F(xiàn)2間衰減的火焰大小值ΔS與距點火端較近測點F1處火焰大小S1的比值，采用百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為：

(2)

同樣定義超壓抑制率ηP為2個測點P1，P2間衰減的爆炸沖擊波超壓值ΔP與第1測點P1處超壓峰值的比值，其表達(dá)式為：

(3)

2.1 直管道工況對照實驗

直管道工況下瓦斯爆炸時火焰信號強度及爆炸壓力時程曲線如圖3所示。從圖3(a)中可看出在本實驗工況條件下，火焰?zhèn)鞲衅鱂2測得的火焰信號強度與時間軸圍成的面積S2要小于火焰?zhèn)鞲衅鱂1處火焰面積S1，即火焰在直管道內(nèi)傳播依次經(jīng)過2個火焰?zhèn)鞲衅鲿r呈自然衰減趨勢，經(jīng)積分計算得到S1為0.075 7 V·s，S2為0.056 8 V·s，相應(yīng)的火焰衰減率為24.97%。至于火焰信號出現(xiàn)不斷振蕩主要是因為瓦斯爆炸過程中火焰不斷受到?jīng)_擊波加速、減速、反射等作用而出現(xiàn)不穩(wěn)定傳播[13]。圖3(b)為截取的部分爆炸超壓時程曲線，從圖中可以看出經(jīng)過2個壓力傳感器時爆炸超壓峰值呈現(xiàn)增長狀態(tài)，P1處超壓峰值為0.339 MPa，P2處超壓峰值為0.353 MPa,超壓抑制率為-4.1%，此時火焰燃燒提供的能量要大于沖擊波與壁面發(fā)生摩擦、熱傳導(dǎo)和熱輻射等損失的熱量。

2.2 不同寬度空腔體抑制瓦斯爆炸實驗結(jié)果及分析

圖4為分別鋪設(shè)不同寬度空腔體條件下在腔體前后火焰?zhèn)鞲衅魑恢锰幫咚贡ɑ鹧鎻姸妊莼€，從圖中可以看出，經(jīng)過不同寬度腔體后火焰面積均有一定程度的減小。當(dāng)鋪設(shè)寬度為300 mm的腔體時，其火焰強度演化曲線如圖4(a)所示，經(jīng)積分計算，F(xiàn)1傳感器測點處火焰面積S1為0.010 1 V·s，F(xiàn)2傳感器測點處火焰面積S2為0.006 67 V·s，火焰衰減率ηF為33.9%。較直管道而言，該尺寸腔體具有一定的消焰能力，主要原因是火焰進入空腔結(jié)構(gòu)后由層流狀態(tài)向湍流狀態(tài)轉(zhuǎn)變，大渦湍流使火焰燃燒面積增加，與腔體內(nèi)壁發(fā)生摩擦耗能隨之增加，但該尺寸腔體提供的傳播空間較小，相對摩擦耗能少，因此表現(xiàn)為在腔體出口處火焰衰減效果不明顯。隨著腔體寬度增至500 mm時，由圖4(b)可明顯看出該寬度腔體較300 mm腔體而言對火焰的抑制效果更佳。需要說明的是F1測點處火焰信號超出量程，故計算面積值時通過峰值擬合后再積分以盡可能減少實驗誤差，得到F1測點處火焰面積S1為0.150 8 V·s，F(xiàn)2測點處火焰面積S2為0.081 2 V·s，相應(yīng)的火焰衰減率ηF為46.15%。同等實驗條件下寬度為800 mm腔體條件下火焰強度信號強度如圖4(c)所示，F(xiàn)1傳感器測點處火焰面積S1為0.010 7 V·s，F(xiàn)2傳感器測點處火焰面積S2為0.003 63 V·s，火焰衰減率ηF為66.07%。故對于長度為500 mm的空腔體而言，在實驗范圍內(nèi)，隨著寬度的增加，其消焰能力越佳。

圖3 純直管道工況下火焰強度及爆炸壓力時程曲線Fig.3 Time-history curves of flame intensity and explosion pressure in pure straight pipe

圖5為鋪設(shè)不同寬度空腔時腔體前后壓力傳感器處截取的部分爆炸超壓時程曲線，從圖5中可以看出，通過不同尺寸的空腔后沖擊波超壓峰值均能得到一定程度的抑制。當(dāng)鋪設(shè)寬度為300 mm的空腔時，如圖5(a)所示，腔體前P1處超壓峰值為0.21 MPa，經(jīng)過腔體結(jié)構(gòu)后，在P2測點處，超壓峰值衰減至0.196 MPa，相對應(yīng)的超壓抑制率ηP為6.67%。這是由于前驅(qū)沖擊波進入腔體結(jié)構(gòu)后，經(jīng)過膨脹、繞射、反射等行為消耗了能量。另一方面，火焰能給沖擊波的傳播提供能量，而該尺寸的腔體結(jié)構(gòu)對火焰的抑制效果不是很突出，根據(jù)火焰與沖擊波的伴生關(guān)系，相應(yīng)的表現(xiàn)為超壓峰值抑制效果不是很明顯。當(dāng)鋪設(shè)寬度為500 mm時,如圖5(b)所示，超壓峰值由0.398 MPa降至0.328 MPa，對應(yīng)的超壓抑制率為17.59%。經(jīng)過寬度為800 mm的空腔時，如圖5(c)所示，超壓峰值由0.214 MPa降至0.142 MPa，超壓抑制率為33.64%?？梢园l(fā)現(xiàn)，長度為500 mm的空腔結(jié)構(gòu)均具有一定的消波能力，且在實驗范圍內(nèi)隨著腔體寬度的增加，抑制沖擊波超壓峰值的效果越佳。這是由于腔體寬度增加，截面面積變化率越大，相應(yīng)的沖擊波進入腔體結(jié)構(gòu)后膨脹越大，波陣面上單位面積的能量越小，沖擊波衰減越快。

圖4 不同寬度腔體前后火焰信號強度演化曲線Fig.4 Curves of flame intensity evolution before and after cavity with different widths

2.3 空腔寬徑比與抑制瓦斯爆炸效果的關(guān)系分析

定義寬徑比為腔體寬度與管道直徑的比值，用以表征在某一特定尺寸管道下鋪設(shè)不同寬度的空腔體對瓦斯爆炸抑制的效果情況，類似定義長徑比和高徑比分別為腔體長度和腔體高度與管道直徑的比值。定義衰減因子為腔體后瓦斯爆炸參數(shù)與腔體前對應(yīng)的瓦斯爆炸參數(shù)的比值，基于此，可整理得到在長徑比為2.5、高徑比為1時，寬徑比與瓦斯爆炸火焰及超壓峰值衰減因子之間的關(guān)系曲線，如圖6所示。從圖6中可以看出，在實驗范圍內(nèi)，固定空腔體長徑比為2.5、高徑比為1時，空腔體的鋪設(shè)均使瓦斯爆炸參量衰減因子在1.0以下，即該長徑比及高徑比尺寸的腔體在實驗范圍內(nèi)都能在一定程度上抑制瓦斯爆炸，且隨著腔體寬徑比的增加，其對瓦斯爆炸的抑制效果愈佳。

圖5 不同寬度腔體前后爆炸超壓時程曲線Fig.5 Time-history curves of explosion overpressure before and after cavity with different widths

圖6 火焰及超壓衰減因子與空腔寬徑比關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between width-diameter ratio of cavity and attenuation factor of flame and overpressure

爆炸火焰經(jīng)過空腔體后衰減主要是火焰到達(dá)腔體后，傳播斷面突然增大，火焰與壁面的接觸面積突然增大，摩擦耗能增加。且隨著腔體寬度的增加，截面面積變化率越大，湍流度不斷增加，而過度的湍流不利于火焰的傳播[14]，故表現(xiàn)為隨著腔體寬度的增加對火焰抑制效果越明顯。沖擊波到達(dá)腔體時會經(jīng)歷由小截面巷道到大截面巷道的突然擴張，傳播形態(tài)由原來的平面波轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛎娌ɡ^續(xù)在腔體內(nèi)擴散。隨著腔體寬度的增加，會出現(xiàn)更大的球面波陣面，波陣面單位面積上攜帶的能量就會越小，沖擊波強度衰減越快，此外球面波波陣面越大與腔體壁面的夾角就會越小，則更容易出現(xiàn)馬赫反射，消耗更多的沖擊波沿程能量[15-16]。沖擊波經(jīng)過腔體后會經(jīng)歷由大截面巷道到小截面巷道的驟然縮小，盡管波陣面上單位面積攜帶的能量增加，但是波陣面的面積在腔體出口處沿沖擊波傳播方向減小，能量在總體上是減小的。且隨著腔體寬度的增加，截面變化率增大，湍流度不斷增強，其與腔體壁面摩擦、發(fā)生繞射、反射及疊加等綜合行為越強，相對應(yīng)的消耗的能量越多，而火焰給其提供的能量要小于損耗的能量，綜合表現(xiàn)為隨著腔體寬徑比的增加，沖擊波超壓衰減因子越小，表明經(jīng)過腔體后超壓峰值降低幅度越大，即抑爆效果越好。

3 腔體耦合水袋抑制瓦斯爆炸實驗結(jié)果及分析

抑制瓦斯爆炸主要從抑爆裝置和抑爆材料兩方面考慮，隔爆水袋由于具有經(jīng)濟性、實用性、便于安裝等優(yōu)點，在井下阻隔爆方面已得到廣泛應(yīng)用?；诖耍O(shè)想在腔體內(nèi)填充水袋以進一步提高腔體的抑爆效果。綜合考慮煤礦井下施工和支護的難度和可行性，以及平時維護和安全角度出發(fā)，本組實驗依托寬度適中、支護相對簡單的500 mm×500 mm×200 mm腔體，通過在腔體內(nèi)填充不同質(zhì)量的水袋開展實驗，探究該組合結(jié)構(gòu)對抑制瓦斯爆炸效果的影響。

在500 mm×500 mm×200 mm腔體內(nèi)放置不同質(zhì)量的水袋開展抑爆實驗，處理得到腔體前后火焰和壓力有關(guān)參數(shù)見表2，據(jù)此可繪制出500 mm×500 mm×200 mm腔體內(nèi)不同質(zhì)量的水袋對瓦斯爆炸火焰和壓力抑制率影響的折線圖，如圖7所示。當(dāng)腔體內(nèi)填充100 g水袋時對火焰抑制率為63.52%，對超壓峰值抑制率為22.72%，相比于未填充水袋的空腔體而言火焰抑制率提高了41%，超壓抑制率提高了65%。水之所以能夠在一定程度上抑爆主要在于：前驅(qū)沖擊波陣面到達(dá)腔體將水袋擊穿后，使水破碎、霧化而消耗一部分能量，且水在腔體有限空間內(nèi)能達(dá)到較高密度的水霧，能起到冷卻降溫、阻隔氧氣的物理抑制作用；其次，水可作為第三體或惰性液滴直接干預(yù)爆炸反應(yīng)區(qū)的化學(xué)反應(yīng)，起到化學(xué)抑制作用。在實驗范圍內(nèi)隨著腔體內(nèi)水袋質(zhì)量的增加，爆炸火焰大小和峰值超壓衰減幅度均呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。當(dāng)填充質(zhì)量達(dá)600 g時對火焰抑制率為76.66%，超壓峰值抑制率為50.12%。相比于純空腔體而言對火焰抑制率提高了70%，對超壓峰值抑制率提高了263%。

表2 不同工況下各測點處的火焰面積及超壓峰值Table 2 Flame area and overpressure peak at each measuring point under different working conditions

圖7 500 mm×500 mm×200 mm腔體內(nèi)填充不同質(zhì)量的水袋對抑制瓦斯爆炸強度的影響Fig.7 Influence of water bags with different masses filled in cavity of 500 mm×500 mm×200 mm on suppression of gas explosion intensity

4 結(jié)論

1)通過有無鋪設(shè)空腔體結(jié)構(gòu)瓦斯爆炸對照實驗，發(fā)現(xiàn)實驗尺寸范圍內(nèi)空腔體結(jié)構(gòu)能在一定程度上抑制瓦斯爆炸火焰和沖擊波超壓峰值，并指出其能削減瓦斯爆炸強度主要是因為爆炸波在腔體內(nèi)發(fā)生摩擦、反射、繞射等作用消耗了大量能量。

2)通過開展不同寬度空腔對抑制瓦斯爆炸效果實驗，發(fā)現(xiàn)對于長徑比為2.5、高徑比為1的空腔體，在實驗寬徑比范圍內(nèi)，隨著腔體寬徑比的增加，截面面積變化率越大，火焰和沖擊波超壓衰減越快，表現(xiàn)為抑爆效果愈佳。

3)腔體耦合抑爆劑水可有效提高腔體的抑爆能力，且在實驗范圍內(nèi)，隨著腔體內(nèi)水袋填充質(zhì)量的增加，抑爆效果越佳。在實驗范圍內(nèi)相比于純空腔體而言，隨著腔體內(nèi)水袋質(zhì)量增加可使火焰抑制率最大提高70%，超壓峰值抑制率最大提高263%。腔體耦合抑爆劑結(jié)構(gòu)為抑制瓦斯爆炸事故提供了新的途徑，具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。