瓦斯煤塵耦合二次爆炸火焰?zhèn)鞑嶒?/h1>
2020-03-27 11:38:00楊書召杜學勝
河南工程學院學報(自然科學版) 2020年1期
楊書召，杜學勝
(河南工程學院 安全工程學院，河南 鄭州 451191)
煤礦掘進頭瓦斯突然涌出引起瓦斯爆炸并激起巷道內煤塵參與形成二次爆炸，極易造成煤礦井下重大災害事故[1-2]。瓦斯爆炸傳播具有“兩波三區(qū)”結構，前導沖擊波擾動卷揚沉積煤塵形成懸浮煤塵云，后續(xù)高溫火焰峰面點燃，爆炸以不間斷形式繼續(xù)傳播[3-4]。由于掘進巷道尺寸、粗糙度不同，存在可燃介質參與、障礙物擾動等，影響瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑?，所以與單純的瓦斯爆炸相比，煤礦井下瓦斯、煤塵耦合產生的二次爆炸傳播過程更為復雜[5]。
劉丹等[6]、江丙友等[7]在中煤科工集團重慶研究院的大型實驗巷道中進行了瓦斯和煤塵爆炸實驗，結論是瓦斯爆炸火焰區(qū)長度大于瓦斯積聚區(qū)長度。應用連續(xù)相、顆粒相計算方法對瓦斯爆炸誘導沉積煤塵參與爆炸的傳播過程進行數(shù)值模擬，得出不同爆炸作用模式顯著改變沖擊波和火焰?zhèn)鞑?、影響小?guī)模誘導火焰區(qū)長度的結論[8-9]。王東武等[10]利用大型實驗巷道對不同質量、不同濃度的瓦斯-空氣混合物爆炸過程及傳播規(guī)律進行了研究，認為隨著瓦斯量的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉^對值明顯增大，當火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?、點火距爆源點距離減少時，火焰區(qū)長度可達原始瓦斯積聚區(qū)長度的4倍左右，但火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x并不與瓦斯量的增加成正比。
盡管上述研究已對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑サ奶匦赃M行了大量的實驗研究和理論分析,但是煤礦掘進巷道內瓦斯爆炸火焰與爆炸沖擊波激起煤塵耦合爆炸的過程特征至今未有文獻報道?；诖耍狙芯吭诠艿纼扔貌煌瑵舛群途奂L度的瓦斯爆炸誘導管道內沉積粉塵爆炸,揭示瓦斯爆炸火焰點爆揚起煤塵云的傳播耦合規(guī)律，以期為煤礦煤塵二次爆炸隔爆、抑爆提供理論和技術支持。
1 實驗系統(tǒng)與方案
1.1 實驗系統(tǒng)
此水平管道式氣體-粉塵二次爆炸實驗裝置由爆炸管道、計算機控制系統(tǒng)、爆炸壓力測試系統(tǒng)、火焰速度測試系統(tǒng)組成，具體見圖1。
圖1 水平管道式氣體-粉塵二次爆炸實驗裝置Fig.1 Secondary explosion experimental device for horizontal pipe type gas-dust
水平管內徑為350 mm，總長為13 m，管道材料為20號鋼無縫鋼管，管壁厚15 mm，設計承受的工作壓力大于20 MPa、真空度小于0.01 MPa。水平管道瓦斯爆炸Ⅰ段長0.5 m，無煤塵敷設Ⅱ段長5.5 m，煤塵敷設Ⅲ段長2 m，無煤塵IV段長5 m?；鹧娼饘俾菪铀侪h(huán)內徑為300 mm，障礙物阻塞比為0.6。實驗時采用電磁自動閥以分隔I段和II段。管道之間通過法蘭連接，管壁上設有傳感器安裝孔、進氣孔、出氣孔，并配有高精度壓力表和安全閥等附件。壓力和火焰?zhèn)鞲衅骶鶆虬惭b在各段管道上下方。配氣系統(tǒng)主要包括空壓機、真空泵、瓦斯氣瓶、真空壓力表等，點火系統(tǒng)由高壓點火電極、互感器等組成，點火能量為0.28 mJ，電腦采集系統(tǒng)由壓力傳感器、放大器和動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析儀組成。
1.2 實驗原理
湍流對瓦斯爆炸過程中火焰?zhèn)鞑サ挠绊戄^大，當?shù)冖穸喂艿纼却嬖诼菪铀侪h(huán)(障礙物)時會產生湍流,使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃眲〖涌?，形成爆轟波。激波以極快的速度傳播并通過無煤塵區(qū)進入煤塵敷設區(qū)第Ⅲ段。沖擊壓力波引起火焰前方空氣對流,對流夾帶起沉積在巷道底及壁面上的粉塵層并分散之,在火焰?zhèn)鞑サ耐飞闲纬煞蹓m云;壓力波速度很快,會在后方誘導形成一個移動的氣流場,此氣流場也會對沉積煤塵產生卷揚作用,形成粉塵云。后繼的火焰點燃這部分粉塵,其釋放的能量加強了前面的壓力波,這種持續(xù)的相互作用使得火焰加速并增強。這種爆炸波加速也會受到黏性耗散和熱損失的影響,如果爆炸過程中能量的增加與黏性耗散和熱損失達到平衡，粉塵會從爆燃轉變?yōu)楸Z,形成穩(wěn)態(tài)二次爆炸波。
1.3 實驗方案
實驗室溫度為14～23 ℃，濕度為55%～62%,實驗時，用循環(huán)泵循環(huán)5 min使氣體混合均勻。實驗用瓦斯空氣混合氣體的濃度分別為7.5%、9.5%和11.5%，聚集長度均為0.5 m，煤塵質量濃度為300 g/m3，粒徑為55 μm?；鹧鏈y試點選9個(A～J)，壓力測試點選9個(A1～J1)，按照圖1所示實驗系統(tǒng)安裝、調試。在常溫、常壓下，將濃度預混瓦斯空氣混合均勻后緩慢充入實驗管道Ⅰ段，借助壓力表與真空表控制實驗所需數(shù)量。實驗時，有阻塞環(huán)爆炸體管道部分可拆卸替換為無阻塞環(huán)管道。
2 實驗與分析
2.1 不同濃度、等聚集長度瓦斯-空氣混合物爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘膶嶒?/h3>
圖2 聚集長度相同、濃度不同的瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.2 Gas explosion flame propagation speed with the same length and different concentration
為比較不同濃度、等聚集長度的瓦斯-空氣混合氣體有阻塞環(huán)與無阻塞環(huán)激勵爆炸的火焰?zhèn)鞑ヌ匦圆町悾瑢舛确謩e為9.5%、7.5%和11.5%的瓦斯與空氣混合注入實驗Ⅰ段(聚集長度均為0.5 m)進行實驗。實驗結果見圖2。結果表明，濃度為9.5%的瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥跐舛葹?.5%和11.5%的瓦斯，呈現(xiàn)u9.5%>u7.5%>u11.5%的趨勢，濃度為9.5%的瓦斯爆炸火焰速度超過340 m/s，出現(xiàn)爆轟。從實驗對比可看出，阻塞環(huán)可以加速火焰?zhèn)鞑ィ斖咚箍諝獗冉咏瘜W當量時火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?，爆炸強度也最大。另一個現(xiàn)象是，爆炸壓力峰值不在點火位置。這是因為爆炸氣體膨脹，致使火焰波在趕上前驅壓力波時的位置發(fā)生了變化，具體見表1。
表1 阻塞率為0.6、聚集長度為0.5 m的不同濃度瓦斯爆炸測點的最大壓力Tab.1 The maximum pressure point of gas explosion measurement points with different blockage rates of 0.6 and aggregate length of 0.5 m
2.2 不同濃度、等聚集長度瓦斯-空氣混合物爆炸火焰引燃煤塵爆炸的實驗
為揭示瓦斯爆炸誘導煤塵參與爆炸的耦合關系，實驗在爆炸裝置II段留出無煤塵區(qū)，用等聚集長度、不同濃度瓦斯爆炸誘導煤塵爆炸，研究瓦斯爆炸火焰點燃煤塵云的耦合過程。分別用濃度為9.5%、7.5%和11.5%的瓦斯爆炸激起煤塵參與爆炸，煤塵二次爆炸壓力與時間的關系見圖3至圖5。
圖3 濃度為9.5%的瓦斯誘導煤塵二次爆炸的壓力 與時間關系Fig.3 Relationship between pressure and time of secondary explosion of coal dust induced by 9.5% methane
圖4 濃度為7.5%的瓦斯誘導煤塵二次爆炸的壓力 與時間關系Fig.4 Relationship between pressure and time of secondary explosion of coal dust induced by 7.5% methane
圖5 濃度為11.5%的瓦斯誘導煤塵二次爆炸的壓力 與時間關系Fig.5 Relationship between pressure and time of secondary explosion of coal dust induced by 11.5% methane
濃度為9.5%的瓦斯爆炸18 ms左右，最大壓力峰值0.9 MPa初次出現(xiàn)并誘導煤塵形成煤塵云，而后火焰峰面到達且點爆，第二個壓力峰值1.7 MPa出現(xiàn)，二次爆炸形成(圖3)。同樣，測得濃度為7.5%的瓦斯兩次爆炸的時間點在26 ms和30 ms，壓力峰值為0.7 MPa、1.15 MPa，濃度為11.5%的瓦斯二次爆炸的時間點在27 ms和29 ms，壓力峰值為0.8 MPa、1.35 MPa(圖4、圖5)。比較看出，煤塵爆炸均在瓦斯爆炸火焰與揚起煤塵耦合的同時點爆，二次爆炸曲線圖出現(xiàn)瓦斯爆炸壓力峰值和煤塵爆炸壓力峰值，而且后者的壓力峰值大于前者，表明煤塵二次爆炸的危害更大，需要加以防范。
實驗采集的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁菑狞c火處開始計時的，依據(jù)9個測點(A～J)煤塵爆炸二次爆炸壓力峰值出現(xiàn)的時間，得到各濃度瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑サ木嚯x，可計算出火焰?zhèn)鞑サ钠骄俣?，結果見表2。
表2 濃度不同的等聚集長度瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xTab.2 Flame propagation distance of gas explosion with different concentrations
不同濃度的瓦斯聚集爆炸，當聚集長度一定時，由于爆炸生成新氣體，體積膨脹，火焰?zhèn)鞑ラL度大于原聚集長度，一般為原聚集長度的3～5倍。
3 結論
(1)不同濃度、等聚集長度的瓦斯氣體爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣炔煌?，接近化學當量濃度的瓦斯爆炸傳播速度最快，爆炸壓力峰值也最大。
(2)瓦斯爆炸誘導煤塵二次爆炸，瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x決定二次爆炸的發(fā)生和發(fā)展，濃度不同但化學當量接近9.5%的瓦斯爆炸峰值壓力大、火焰?zhèn)鞑タ?，極易誘導煤塵參與爆炸。
(3)不同濃度的瓦斯聚集爆炸，當聚集長度一定時，火焰?zhèn)鞑ラL度大于原聚集長度，一般為原聚集長度的3～5倍。
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劉丹等[6]、江丙友等[7]在中煤科工集團重慶研究院的大型實驗巷道中進行了瓦斯和煤塵爆炸實驗，結論是瓦斯爆炸火焰區(qū)長度大于瓦斯積聚區(qū)長度。應用連續(xù)相、顆粒相計算方法對瓦斯爆炸誘導沉積煤塵參與爆炸的傳播過程進行數(shù)值模擬，得出不同爆炸作用模式顯著改變沖擊波和火焰?zhèn)鞑?、影響小?guī)模誘導火焰區(qū)長度的結論[8-9]。王東武等[10]利用大型實驗巷道對不同質量、不同濃度的瓦斯-空氣混合物爆炸過程及傳播規(guī)律進行了研究，認為隨著瓦斯量的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉^對值明顯增大，當火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?、點火距爆源點距離減少時，火焰區(qū)長度可達原始瓦斯積聚區(qū)長度的4倍左右，但火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x并不與瓦斯量的增加成正比。
盡管上述研究已對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑サ奶匦赃M行了大量的實驗研究和理論分析,但是煤礦掘進巷道內瓦斯爆炸火焰與爆炸沖擊波激起煤塵耦合爆炸的過程特征至今未有文獻報道?；诖耍狙芯吭诠艿纼扔貌煌瑵舛群途奂L度的瓦斯爆炸誘導管道內沉積粉塵爆炸,揭示瓦斯爆炸火焰點爆揚起煤塵云的傳播耦合規(guī)律，以期為煤礦煤塵二次爆炸隔爆、抑爆提供理論和技術支持。
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此水平管道式氣體-粉塵二次爆炸實驗裝置由爆炸管道、計算機控制系統(tǒng)、爆炸壓力測試系統(tǒng)、火焰速度測試系統(tǒng)組成，具體見圖1。
圖1 水平管道式氣體-粉塵二次爆炸實驗裝置Fig.1 Secondary explosion experimental device for horizontal pipe type gas-dust
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1.3 實驗方案
實驗室溫度為14～23 ℃，濕度為55%～62%,實驗時，用循環(huán)泵循環(huán)5 min使氣體混合均勻。實驗用瓦斯空氣混合氣體的濃度分別為7.5%、9.5%和11.5%，聚集長度均為0.5 m，煤塵質量濃度為300 g/m3，粒徑為55 μm?；鹧鏈y試點選9個(A～J)，壓力測試點選9個(A1～J1)，按照圖1所示實驗系統(tǒng)安裝、調試。在常溫、常壓下，將濃度預混瓦斯空氣混合均勻后緩慢充入實驗管道Ⅰ段，借助壓力表與真空表控制實驗所需數(shù)量。實驗時，有阻塞環(huán)爆炸體管道部分可拆卸替換為無阻塞環(huán)管道。
2 實驗與分析
2.1 不同濃度、等聚集長度瓦斯-空氣混合物爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘膶嶒?/h3>
圖2 聚集長度相同、濃度不同的瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.2 Gas explosion flame propagation speed with the same length and different concentration
為比較不同濃度、等聚集長度的瓦斯-空氣混合氣體有阻塞環(huán)與無阻塞環(huán)激勵爆炸的火焰?zhèn)鞑ヌ匦圆町悾瑢舛确謩e為9.5%、7.5%和11.5%的瓦斯與空氣混合注入實驗Ⅰ段(聚集長度均為0.5 m)進行實驗。實驗結果見圖2。結果表明，濃度為9.5%的瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥跐舛葹?.5%和11.5%的瓦斯，呈現(xiàn)u9.5%>u7.5%>u11.5%的趨勢，濃度為9.5%的瓦斯爆炸火焰速度超過340 m/s，出現(xiàn)爆轟。從實驗對比可看出，阻塞環(huán)可以加速火焰?zhèn)鞑ィ斖咚箍諝獗冉咏瘜W當量時火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?，爆炸強度也最大。另一個現(xiàn)象是，爆炸壓力峰值不在點火位置。這是因為爆炸氣體膨脹，致使火焰波在趕上前驅壓力波時的位置發(fā)生了變化，具體見表1。
表1 阻塞率為0.6、聚集長度為0.5 m的不同濃度瓦斯爆炸測點的最大壓力Tab.1 The maximum pressure point of gas explosion measurement points with different blockage rates of 0.6 and aggregate length of 0.5 m
2.2 不同濃度、等聚集長度瓦斯-空氣混合物爆炸火焰引燃煤塵爆炸的實驗
為揭示瓦斯爆炸誘導煤塵參與爆炸的耦合關系，實驗在爆炸裝置II段留出無煤塵區(qū)，用等聚集長度、不同濃度瓦斯爆炸誘導煤塵爆炸，研究瓦斯爆炸火焰點燃煤塵云的耦合過程。分別用濃度為9.5%、7.5%和11.5%的瓦斯爆炸激起煤塵參與爆炸，煤塵二次爆炸壓力與時間的關系見圖3至圖5。
圖3 濃度為9.5%的瓦斯誘導煤塵二次爆炸的壓力 與時間關系Fig.3 Relationship between pressure and time of secondary explosion of coal dust induced by 9.5% methane
圖4 濃度為7.5%的瓦斯誘導煤塵二次爆炸的壓力 與時間關系Fig.4 Relationship between pressure and time of secondary explosion of coal dust induced by 7.5% methane
圖5 濃度為11.5%的瓦斯誘導煤塵二次爆炸的壓力 與時間關系Fig.5 Relationship between pressure and time of secondary explosion of coal dust induced by 11.5% methane
濃度為9.5%的瓦斯爆炸18 ms左右，最大壓力峰值0.9 MPa初次出現(xiàn)并誘導煤塵形成煤塵云，而后火焰峰面到達且點爆，第二個壓力峰值1.7 MPa出現(xiàn)，二次爆炸形成(圖3)。同樣，測得濃度為7.5%的瓦斯兩次爆炸的時間點在26 ms和30 ms，壓力峰值為0.7 MPa、1.15 MPa，濃度為11.5%的瓦斯二次爆炸的時間點在27 ms和29 ms，壓力峰值為0.8 MPa、1.35 MPa(圖4、圖5)。比較看出，煤塵爆炸均在瓦斯爆炸火焰與揚起煤塵耦合的同時點爆，二次爆炸曲線圖出現(xiàn)瓦斯爆炸壓力峰值和煤塵爆炸壓力峰值，而且后者的壓力峰值大于前者，表明煤塵二次爆炸的危害更大，需要加以防范。
實驗采集的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁菑狞c火處開始計時的，依據(jù)9個測點(A～J)煤塵爆炸二次爆炸壓力峰值出現(xiàn)的時間，得到各濃度瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑サ木嚯x，可計算出火焰?zhèn)鞑サ钠骄俣?，結果見表2。
表2 濃度不同的等聚集長度瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xTab.2 Flame propagation distance of gas explosion with different concentrations
不同濃度的瓦斯聚集爆炸，當聚集長度一定時，由于爆炸生成新氣體，體積膨脹，火焰?zhèn)鞑ラL度大于原聚集長度，一般為原聚集長度的3～5倍。
3 結論
(1)不同濃度、等聚集長度的瓦斯氣體爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣炔煌?，接近化學當量濃度的瓦斯爆炸傳播速度最快，爆炸壓力峰值也最大。
(2)瓦斯爆炸誘導煤塵二次爆炸，瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x決定二次爆炸的發(fā)生和發(fā)展，濃度不同但化學當量接近9.5%的瓦斯爆炸峰值壓力大、火焰?zhèn)鞑タ?，極易誘導煤塵參與爆炸。
(3)不同濃度的瓦斯聚集爆炸，當聚集長度一定時，火焰?zhèn)鞑ラL度大于原聚集長度，一般為原聚集長度的3～5倍。
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