障礙物對(duì)瓦斯煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響*

景國(guó)勛，吳昱樓，郭紹帥，邵泓源，劉 闖，張勝旗

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000； 2.安陽(yáng)工學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000)

0 引言

在煤礦生產(chǎn)發(fā)生的事故中，瓦斯和煤塵耦合爆炸是較嚴(yán)重的事故之一，并且井下開(kāi)采大多數(shù)情況下瓦斯和煤塵是并存的，瓦斯和煤塵任一發(fā)生爆炸，會(huì)引發(fā)另一種的爆炸，煤塵和瓦斯共同參與爆炸，往往會(huì)造成更為嚴(yán)重的傷害和破壞。瓦斯和煤塵爆炸過(guò)程中產(chǎn)生的火焰會(huì)造成人員傷亡、設(shè)備損壞，甚至引發(fā)二次爆炸，具有極大的危險(xiǎn)性。在實(shí)際礦井生產(chǎn)中，爆炸多發(fā)生于環(huán)境復(fù)雜的井下巷道中，爆炸區(qū)內(nèi)往往存在大量障礙物，障礙物的存在會(huì)改變火焰的形狀，提升火焰的傳播速度，使爆炸的危險(xiǎn)性提高。因此，研究置障管道內(nèi)火焰的傳播規(guī)律對(duì)于預(yù)防瓦斯煤塵爆炸事故的發(fā)生及降低災(zāi)害損失有著重要意義。

關(guān)于爆炸產(chǎn)生的火焰前人已進(jìn)行了許多研究。LI等[1]研究了煤塵/空氣混合物的爆炸嚴(yán)重程度，火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕瑲怏w和固體殘留物的特性及系統(tǒng)地分析了殘留物特征與爆炸嚴(yán)重程度之間的相關(guān)性；鄧浩鑫等[2]在有機(jī)玻璃管道中研究了瓦斯爆炸火焰在對(duì)稱障礙物阻隔下的傳播過(guò)程；余明高等[3]在小尺寸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上研究了障礙物阻塞比和形狀對(duì)甲烷/氫氣爆炸特性的影響；韓蓉等[4]用數(shù)值模擬的方法研究了密閉空間內(nèi)障礙物對(duì)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響；余明高等[5]研究了交錯(cuò)障礙物對(duì)爆炸火焰的形狀、速度和壓力的影響；尉存娟等[6]研究了瓦斯爆炸火焰和壓力在不同間隔距離障礙物下的變化規(guī)律；陳鵬等[7]采用實(shí)驗(yàn)和大渦模擬結(jié)合的方法研究了方孔障礙物對(duì)瓦斯/空氣爆炸產(chǎn)生的火焰形狀、傳播速度和火焰流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響；張莉聰、魏嘉等[8-9]使用數(shù)值模擬的方法研究了障礙物對(duì)瓦斯與煤塵混合物爆炸超壓和火焰溫度上升速率的影響；趙丹等[10]從不同形狀的障礙物等角度分析了瓦斯爆炸沖擊波、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸?guī)律；林柏泉等[11]實(shí)驗(yàn)研究了瓦斯爆炸火焰在障礙物作用下的傳播規(guī)律及障礙物對(duì)火焰的加速機(jī)理；余明高等[12]實(shí)驗(yàn)研究了障礙物條件下不同濃度的氫氣對(duì)甲烷燃燒火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響，研究表明，障礙物對(duì)火焰的形狀和速度有較大影響；何學(xué)秋等[13]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究了障礙物作用下火焰的結(jié)構(gòu)及加速機(jī)理；楊春麗等[14]采用數(shù)值模擬的手段研究了障礙物的個(gè)數(shù)和阻塞比對(duì)瓦斯爆炸火焰、壓力和溫度產(chǎn)生的影響；丁以斌等[15]在自行設(shè)計(jì)的火焰加速試驗(yàn)系統(tǒng)中研究了不同立體結(jié)構(gòu)障礙物對(duì)甲烷預(yù)混火焰?zhèn)鞑ビ绊憽?/p>

從前人的研究可以看出，障礙物的參與對(duì)瓦斯和煤塵爆炸的影響顯著，但以往的研究多側(cè)重于單獨(dú)的瓦斯爆炸和其他可燃性氣體爆炸，多是在密閉空間內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)半封閉空間內(nèi)障礙物對(duì)瓦斯和煤塵耦合爆炸產(chǎn)生的火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響研究較少。本文在自行搭建的有障礙物的半封閉垂直管道內(nèi)進(jìn)行了瓦斯和煤塵耦合爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的試驗(yàn)，分析障礙物對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響，為深入了解障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響機(jī)理提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由爆炸腔體、傳播管道、配氣系統(tǒng)、揚(yáng)塵系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝像圖像采集系統(tǒng)等構(gòu)成。爆炸腔體為120 mm×120 mm×500 mm的透明有機(jī)玻璃管道，實(shí)驗(yàn)時(shí)，考慮到約束端面對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊慬16]，傳播管道上端開(kāi)口，為120 mm×120 mm×1 000 mm的透明有機(jī)玻璃管道，耐壓強(qiáng)度為2 MPa，爆炸腔體與傳播管道連接處選用PVC薄膜進(jìn)行密封；配氣系統(tǒng)由甲烷、空氣氣瓶組成，分別通過(guò)安裝在輸氣管路上的2個(gè)Alicat流量計(jì)來(lái)調(diào)整氣體流速；揚(yáng)塵系統(tǒng)位于爆炸腔體的底部，由高壓儲(chǔ)氣瓶、錐形噴嘴和一碗狀儲(chǔ)塵器組成；點(diǎn)火系統(tǒng)由高熱能點(diǎn)火器、點(diǎn)火電極組成，點(diǎn)火電壓為6 kV；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由USB-1608FS數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集軟件組成；高速攝像圖像采集系統(tǒng)由High Speed Star 4G高速攝像機(jī)、控制器和高速計(jì)算機(jī)組成，高速攝像機(jī)的拍攝速度可以達(dá)到2 000幀/s。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of explosion test system

實(shí)驗(yàn)中采用同步控制器來(lái)控制時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)揚(yáng)塵系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)的精確時(shí)間控制。為保證噴塵后煤塵在爆炸腔體內(nèi)均勻分布，噴塵后300 ms點(diǎn)火；為確保實(shí)驗(yàn)時(shí)能拍攝火焰?zhèn)鞑サ耐暾^(guò)程，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置在點(diǎn)火前10 ms。

為了研究障礙物對(duì)瓦斯煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響，在傳播管道內(nèi)安裝一個(gè)40 mm×40 mm×60 mm的障礙物。障礙物安裝位置如圖1所示，障礙物距離點(diǎn)火裝置600 mm。

配氣方式采用2個(gè)質(zhì)量流量計(jì)分別控制瓦斯和空氣的流量，將不同濃度瓦斯/空氣預(yù)混氣體由管道底部進(jìn)氣口通入至上端排氣口排出的定壓配氣法。為排盡管內(nèi)空氣，使預(yù)混氣體混合均勻，實(shí)驗(yàn)中通入不少于管道4倍容積的預(yù)混氣[17-18]，通氣時(shí)間不少于6 min。通氣結(jié)束后，同時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣閥和排氣閥；噴粉方式采用高壓瓦斯/空氣預(yù)混氣攜帶煤塵，使其均勻分布于管道中。實(shí)驗(yàn)前，將煤塵預(yù)先平鋪于儲(chǔ)粉器中，利用正對(duì)儲(chǔ)粉器的噴頭，將煤塵快速揚(yáng)起充滿整個(gè)管道。實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用同步控制器控制噴粉和啟動(dòng)點(diǎn)火，觸發(fā)高速攝像機(jī)，爆炸結(jié)束后清洗與干燥實(shí)驗(yàn)管道，進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)中所使用煤塵粒徑為48～75 μm，在60 ℃烘箱中烘干24 h以上，煤塵指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 煤塵各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fraction of coal dust components %

本文主要研究的是半封閉垂直管道內(nèi)障礙物對(duì)瓦斯煤塵耦合爆炸產(chǎn)生的火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響，試驗(yàn)環(huán)境溫度為17～20 ℃。為保證噴粉時(shí)薄膜破裂的同時(shí)煤塵在爆炸管道中均勻分布，實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，確定噴粉壓力為0.3 MPa。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 火焰面移動(dòng)軌跡

圖2給出了濃度為9%的瓦斯和濃度為50 g/m3煤塵混合爆炸的火焰面在無(wú)障礙物和有障礙物管道內(nèi)隨時(shí)間的變化情況。

圖2 火焰面移動(dòng)軌跡Fig.2 Movement track of flame front

由圖2中火焰面的位置可以看出，在到達(dá)傳播管道出口位置時(shí)，有障礙物的實(shí)驗(yàn)組所用時(shí)間為47 ms左右，無(wú)障礙物的實(shí)驗(yàn)組所用時(shí)間為60 ms左右，火焰到達(dá)管道末端的時(shí)間大大提前，這是因?yàn)檎系K物的存在提高了火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中的湍流程度，爆炸產(chǎn)生的火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著湍流程度的增大而加快，使爆炸的放熱速率增大，提高了反應(yīng)速度。

2.2 障礙物對(duì)瓦斯煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

根據(jù)高速攝像機(jī)拍攝的火焰?zhèn)鞑D片，量取不同時(shí)刻的火焰長(zhǎng)度，傳播速度即為相鄰火焰鋒面位置的距離差與時(shí)間差的比值，能夠簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地計(jì)算火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組工況進(jìn)行3次以上的實(shí)驗(yàn)，選取實(shí)驗(yàn)效果較優(yōu)的3組。表2為障礙物對(duì)濃度為9%的瓦斯和濃度為50 g/m3的煤塵耦合爆炸實(shí)驗(yàn)組的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀鹧嫠俣葹榛鹧娉霈F(xiàn)時(shí)到火焰?zhèn)髦羵鞑ス艿莱隹谶@段距離的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)繪制障礙物對(duì)瓦斯煤塵耦合爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膱D像，如圖3所示，圖中各數(shù)據(jù)點(diǎn)均為3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。

表2 火焰?zhèn)鞑ニ俣萒able 2 Flame propagation speed m/s

圖3 障礙物對(duì)瓦斯煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慒ig.3 Influence of obstacle on flame propagation speed of gas and coal dust explosion

瓦斯煤塵耦合爆炸主要有2個(gè)過(guò)程，即點(diǎn)火階段與傳播階段。在點(diǎn)火階段，爆炸產(chǎn)生的火焰以較慢的速度沿管道向開(kāi)口端傳播，并產(chǎn)生前驅(qū)爆炸壓力波。前驅(qū)壓力波作用于火焰陣面前方未燃的瓦斯煤塵混合物，使混合物溫度升髙，加快燃燒速度的進(jìn)行。燃燒速度的加快，又會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)前驅(qū)壓力波，使反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行。同時(shí)，混合物快速反應(yīng)產(chǎn)生的氣流又會(huì)反向阻止混合物的反應(yīng)速度。所以火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，火焰加速度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。如圖3中，有障礙物的火焰在距離點(diǎn)火端600～1 200 mm位置處加速度先增大后減小，這是因?yàn)榛鹧娈a(chǎn)生的反向氣流對(duì)火焰?zhèn)鞑サ囊种谱饔?；在火焰?zhèn)鞑サ缴隙斯芸诟浇鹧娴募铀俣仍龃?，這是因?yàn)樵诠芸诟浇鹧娈a(chǎn)生的反向氣流隨火焰的傳播排出管外，對(duì)火焰的抑制作用減小。

由圖3可知：在爆炸初期，在火焰未傳播到障礙物所在位置時(shí)，火焰?zhèn)鞑缀醪皇苷系K物的影響，速度變化曲線基本保持重合且傳播速度較為緩慢，在距離點(diǎn)火端600 mm的位置處，無(wú)障礙物的實(shí)驗(yàn)組火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?1.6 m/s左右，有障礙物的實(shí)驗(yàn)組火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?2.2 m/s左右，火焰速度相近，管道內(nèi)火焰呈層流燃燒狀態(tài)；穿過(guò)障礙物后，在距離點(diǎn)火端900 mm的位置處，無(wú)障礙物的實(shí)驗(yàn)組火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?4.7 m/s左右，有障礙物的實(shí)驗(yàn)組火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?17.4 m/s左右，有障礙物實(shí)驗(yàn)組的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃罅?8.6%。這是因?yàn)橥咚拱l(fā)生爆炸時(shí)，火焰的傳播會(huì)推動(dòng)未參與反應(yīng)的瓦斯和煤塵向前運(yùn)動(dòng)，障礙物會(huì)影響氣體的流動(dòng)，流場(chǎng)發(fā)生變形，氣體流速增大會(huì)加快反應(yīng)的速度；當(dāng)火焰通過(guò)障礙物時(shí)，火焰的傳播路徑發(fā)生變化，火焰的表面會(huì)被拉伸并出現(xiàn)褶皺，增加火焰與未燃瓦斯氣體的接觸面積，使更多的氣體參與反應(yīng)，進(jìn)而使放熱速率增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫搽S之迅速上升。在傳播管道末端，有障礙物的實(shí)驗(yàn)組火焰速度為274.1 m/s左右，無(wú)障礙物的實(shí)驗(yàn)組火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?27.8 m/s左右，有障礙物的實(shí)驗(yàn)組火焰?zhèn)鞑ニ俣缺葻o(wú)障礙物的實(shí)驗(yàn)組火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?0.3%，造成這種現(xiàn)象的原因是火焰在通過(guò)障礙物后，傳播速度和放熱速率都大大增加，火焰推動(dòng)未反應(yīng)瓦斯和煤塵的速度加快，增加了火焰與未燃?xì)怏w的反應(yīng)速率，火焰速度迅速上升。

2.3 障礙物和煤塵對(duì)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

圖4給出了濃度為9%的瓦斯-有障礙物的爆炸實(shí)驗(yàn)組和濃度為9%的瓦斯+濃度為50 g/m3的煤塵在無(wú)障礙物情況下耦合爆炸實(shí)驗(yàn)組的火焰?zhèn)鞑ニ俣葓D像。

圖4 障礙物和煤塵對(duì)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慒ig.4 Influence of obstacle and coal dust on flame propagation speed of gas explosion

由圖4可知：2個(gè)實(shí)驗(yàn)組的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€基本重合。在距離點(diǎn)火端900 mm的位置處，瓦斯-有障礙物的實(shí)驗(yàn)組火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?7.4 m/s左右，瓦斯+煤塵-無(wú)障礙物的實(shí)驗(yàn)組火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?4.7 m/s左右，瓦斯-有障礙物的實(shí)驗(yàn)組火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷愿哂谕咚?煤塵-無(wú)障礙物的實(shí)驗(yàn)組火焰?zhèn)鞑ニ俣龋辉诰嚯x點(diǎn)火端1 500 mm的位置處，瓦斯-有障礙物的實(shí)驗(yàn)組火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?19.8 m/s左右，瓦斯+煤塵-無(wú)障礙物的實(shí)驗(yàn)組火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?27.8 m/s左右，瓦斯+煤塵-無(wú)障礙物的實(shí)驗(yàn)組火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸^(guò)瓦斯-有障礙物的實(shí)驗(yàn)組火焰?zhèn)鞑ニ俣?。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，本次實(shí)驗(yàn)條件下，在障礙物附近，障礙物對(duì)瓦斯爆炸的影響比煤塵對(duì)瓦斯爆炸的影響大，在離障礙物較遠(yuǎn)的位置處，有煤塵參與爆炸的實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)速率較快，這是因?yàn)槊簤m的參與相當(dāng)于增加了燃燒物的量，相同反應(yīng)速率的情況下，有煤塵參與反應(yīng)的爆炸組燃燒時(shí)間更長(zhǎng)，傳播距離更遠(yuǎn)。

2.4 障礙物條件下瓦斯煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程

圖5和圖6分別顯示了爆炸火焰在有障礙物和無(wú)障礙物管道中傳播至障礙物位置時(shí)的火焰?zhèn)鞑顟B(tài)圖，選用的是瓦斯?jié)舛葹?%、煤塵濃度為50 g/m3實(shí)驗(yàn)組的火焰?zhèn)鞑D像。

圖5 無(wú)障礙物時(shí)火焰?zhèn)鞑D像Fig.5 Flame propagation image without obstacle

圖6 火焰通過(guò)障礙物時(shí)的圖像Fig.6 Image of flame when passing through obstacle

通過(guò)對(duì)比圖5和圖6的火焰?zhèn)鞑D像可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)障礙物的實(shí)驗(yàn)組的火焰鋒面呈較為光滑的橢圓形狀，有清晰的輪廓結(jié)構(gòu)且面積較小，瓦斯煤塵混合物與空氣的接觸量較少，燃燒反應(yīng)較為溫和，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低；此時(shí)，瓦斯煤塵爆炸產(chǎn)生的火焰和氣體的膨脹推動(dòng)氣流向上流動(dòng)，傳播管道內(nèi)的火焰呈層流燃燒狀態(tài)。

有障礙物的實(shí)驗(yàn)組在火焰到達(dá)障礙物前，火焰鋒面較為平滑，穿越障礙物時(shí)，火焰鋒面開(kāi)始出現(xiàn)褶皺并被拉長(zhǎng)，火焰鋒面不斷扭曲變?yōu)椴灰?guī)則的形狀；穿越障礙物后，火焰鋒面逐漸變?yōu)檩^為規(guī)則的橢圓形。造成這一現(xiàn)象的原因是在火焰到達(dá)障礙物前，未參與反應(yīng)的瓦斯煤塵混合物在障礙物的阻隔作用下前進(jìn)路徑發(fā)生變化，流場(chǎng)發(fā)生變形，在障礙物前后形成一個(gè)伴隨繞流場(chǎng)。當(dāng)火焰到達(dá)障礙物時(shí)，由于障礙物和伴隨繞流場(chǎng)的共同作用，火焰?zhèn)鞑ビ蓪恿飨蛲牧鬓D(zhuǎn)變，火焰鋒面被迅速拉伸并發(fā)生褶皺，這種形狀的改變和伴隨繞流場(chǎng)的產(chǎn)生使火焰的燃燒面積及瓦斯煤塵混合物與空氣的接觸面積變大，大量未燃燒瓦斯煤塵混合物與高溫燃燒的混合物發(fā)生反應(yīng)，從而使反應(yīng)速度大大增加，放熱速率快速增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆偕仙?；火焰速度的加快?huì)進(jìn)一步提高湍流程度，進(jìn)而提高瓦斯煤塵混合物的移動(dòng)速度，導(dǎo)致火焰鋒面發(fā)生更強(qiáng)的褶皺，形成氣體流動(dòng)與火焰燃燒傳播之間的正反饋，這種正反饋結(jié)果使火焰在障礙物附近的速度迅速上升?；鹧嬖谕ㄟ^(guò)障礙物后，由于已燃?xì)怏w混合物的膨脹作用和氣體壓力的壓縮作用，火焰迅速填滿管道右側(cè)的空隙，火焰鋒面的形狀逐漸恢復(fù)到較為規(guī)則的橢圓形狀。

3 結(jié)論

1)障礙物對(duì)瓦斯煤塵爆炸火焰的傳播速度具有重要的影響，能顯著的縮短爆炸火焰到達(dá)特定位置的時(shí)間。

2)火焰在傳播過(guò)程中的加速度并不是穩(wěn)定的，隨著火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊募涌?，加速度的大小?huì)出現(xiàn)波動(dòng)。

3)瓦斯加入煤塵后，耦合爆炸較于瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著提高，火焰速度的最大值距離點(diǎn)火端較遠(yuǎn)。

4)火焰在通過(guò)障礙物前后時(shí)，火焰的形狀和速度都會(huì)發(fā)生較大的改變，且在障礙物附近，障礙物對(duì)瓦斯爆炸的影響比煤塵對(duì)瓦斯爆炸的影響大。