分岔處點火T型管道內(nèi)瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律研究

解北京，董春陽，王廣宇，王 亮

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室，河南 焦作 454000)

隨著煤礦開采深度的不斷增加，被開采的煤層的瓦斯含量逐漸增加，發(fā)生瓦斯爆炸事故的危險性也隨之增加[1，2]。井下巷道錯綜復(fù)雜呈立體交錯網(wǎng)絡(luò)狀，一旦發(fā)生瓦斯爆炸事故，巷道交接的分岔處受爆炸沖擊破壞尤為明顯[3]。國內(nèi)外許多對學(xué)者已經(jīng)對煤礦瓦斯爆燃火焰在管道內(nèi)的傳播進(jìn)行了大量的理論分析與實驗研究。

多數(shù)學(xué)者是基于直管道或者簡單的彎曲管道來開展瓦斯爆燃火焰的傳播規(guī)律的實驗研究[4-16]，對于分岔等復(fù)雜管道中瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑サ难芯砍晒^少。因此，采用自制T型透明分岔管，其支管端口和直管右端口為完全封閉，直管左端口為弱封閉，由分岔處點火并測試瓦斯爆燃火焰陣面在分岔管道內(nèi)傳播過程中的光電信號、離子電流、溫度信號、超壓信號的變化，分析瓦斯爆燃火焰陣面在分岔管道內(nèi)的傳播規(guī)律，為井下分岔巷道發(fā)生瓦斯爆燃傳播機理及防治措施制定提供參考。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 T型實驗管道及測試裝置

實驗系統(tǒng)主要由T型透明分岔實驗管道、配氣系統(tǒng)、發(fā)爆器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4個部分組成，實驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)

其中，T型分岔管道由三個方形直管和一個方形直角三通分岔管組成，管道材質(zhì)為壁面厚度15mm的有機玻璃，管道內(nèi)徑斷面為80mm×80mm。分岔管內(nèi)接于以分岔處的中心為圓心半徑為300mm的圓，三個直管通過法蘭連接于分岔管三個接口。分岔處的中心點定義為分岔處截面，在分岔處的中心點(圓心)距離左側(cè)直管端口、右側(cè)直管端口和上側(cè)支管端口均為400mm的位置分別定義為直管左側(cè)截面、直管右側(cè)截面和支管處截面。T型分岔管道的支管端、直管右端處于完全封閉狀態(tài)，直管左端薄膜弱封閉。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由熱電偶、壓力傳感器、離子探針和光電傳感器及高速記錄儀組成。實驗管道側(cè)面均勻分布10組光電信號以及4組溫度、離子電流和3組壓力測點，溫度和離子電流測點布置在四個截面并對稱分布，壓力的測點布置在管道支管處截面、直管右側(cè)截面和直管左側(cè)處截面處[3]。

1.2 測試設(shè)備

采用具有32個完全隔離通道的HIOKI 8826 存儲記錄儀對瓦斯爆燃火焰各參數(shù)進(jìn)行同步采集與儲存，采樣率最高可達(dá)1MS/s，實驗中采用1KS/s。

采用0.011mm線徑的K型鐵氟龍極細(xì)熱電偶測量爆炸時的火焰溫度，該熱電偶的瞬時測溫范圍為0～1300℃，記錄時采用HIOKI 8937溫度/電壓模塊；爆燃壓力的測量采用的是聯(lián)能電子技術(shù)公司研制的 CY-YD-205 壓電式壓力傳感器和與其配套的YE5853電荷放大器；離子電流使用雙BNC接頭線纜自制離子探針進(jìn)行測量；爆炸火焰的光電信號使用Risym光敏二極管進(jìn)行測量；用GJGX100(M)本安型激光甲烷傳感器對實驗時瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測；采用尼康D7200數(shù)碼相機以每秒25幀對瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑ミ^程進(jìn)行拍攝[3]。

1.3 配氣準(zhǔn)備

實驗采用的簡易配氣方法，將純甲烷氣體充進(jìn)配氣罐中，根據(jù)配氣罐的體積和罐內(nèi)壓力的大小確定充入管道內(nèi)的氣體體積。定量的甲烷充入管道后，將69OS-ILGS-10-14-M激光甲烷傳感器的進(jìn)氣口通過螺紋孔放進(jìn)管道內(nèi)，用螺絲擰緊螺紋孔，使管道內(nèi)甲烷氣體充分混合半個小時左右，電腦上的監(jiān)測界面確定管道內(nèi)濃度為9.5%后即可進(jìn)行實驗。

2 T型管道內(nèi)瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑嶒?/h2>

T型分岔管道內(nèi)不同時刻瓦斯爆燃實驗火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)的動態(tài)變化過程如圖2所示。

由圖2可知，分岔處點火T型管道內(nèi)瓦斯爆燃火焰向三個方向傳播，直管左端火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬^快，其余兩端相對較慢，并有自發(fā)光現(xiàn)象。t=0ms時刻點火，產(chǎn)生的瓦斯爆燃火焰迅速向直管左側(cè)弱封閉端口傳播，如圖2(a)、(b)所示；t=160ms左右傳播至管外，如圖2(c)所示；隨后分岔處產(chǎn)生亮度較低的層狀火焰，向直管右端和支管端緩慢傳播，并有明顯的自發(fā)光現(xiàn)象[17]，如圖2(d)所示。

圖2 T型分岔管道分岔處點火瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑ミ^程實景拍攝

3 瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律分析

瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰溫度、火焰陣面的沖擊波強度是研究瓦斯爆炸的重要參數(shù)[18]。分岔處點火后，通過測試火焰?zhèn)鞑ミ^程速度、溫度和爆燃超壓、離子電流強度變化，可以綜合分析分岔處點火T型管道內(nèi)瓦斯爆燃火焰的傳播規(guī)律。

3.1 T型管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

T型分岔管道瓦斯爆燃火焰陣面在傳播過程中光電信號曲線變化如圖3所示。

圖3 分岔處點火時各光電傳感器信號曲線及火焰平均速度

其中，圖3(a)、(b)、(c)的縱坐標(biāo)為光敏二極管模塊檢測到光源后產(chǎn)生的電壓示數(shù)U；橫坐標(biāo)為從點火起計時經(jīng)過的時間t。圖3(d)的縱坐標(biāo)為求得的平均速度v，橫坐標(biāo)為爆燃火焰陣面?zhèn)鞑サ竭_(dá)的位置區(qū)間。

由圖3(a)可知，火焰陣面向直管左側(cè)弱封閉端口傳播過程中，出現(xiàn)兩次火焰光峰值信號，第一次出現(xiàn)在0～200ms之間，第二次出現(xiàn)在310ms后，直管左側(cè)的三個光電傳感器依次出現(xiàn)了小的光電信號，而且距離分岔處越近信號強度越大，說明此時有火焰通過分岔處再次向左側(cè)傳播。由圖3(b)可知，火焰陣面向直管右側(cè)傳播時，在300ms后直管右端距離分岔處200mm測點的光電信號突然增強；距離分岔處400mm測點的光電信號在690ms出現(xiàn)信號，980ms信號再次增強，說明有火焰再次經(jīng)過此測點。由圖3(c)可知，在320ms時分岔處和支管內(nèi)距離分岔處200mm的光電信號依次忽然增強，說明有新生火焰從分岔處傳到支管內(nèi)。由于支管上距離分岔處200mm測點的光電信號在490ms時趨于零，但是在580～830ms之間又出現(xiàn)了較弱的光電信號，距離分岔處400mm的光電信號曲線跨度較大，分岔處測點在780ms時出現(xiàn)了光電信號，均說明火焰陣面向支管封閉端口傳播過程中也發(fā)生了逆流現(xiàn)象。

圖3(d)為實驗中不同分支管內(nèi)各測點之間的瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑テ骄俣龋饕ㄟ^測點間距和光電信號觸發(fā)間隔計算獲得。由圖3(d)可知，火焰陣面向弱封閉端口傳播時，從15.38m/s增加到了33.17m/s?；鹧骊嚸嫦騼蓚€完全封閉端口傳播過程時傳播速度均較低，在0.49～1.32m/s范圍之內(nèi)。這是由于火焰?zhèn)鞑ミ^程中受到的氣體膨脹作用越來越大，火焰?zhèn)鞑ミ^程中壓縮波對火焰?zhèn)鞑サ呢?fù)反饋作用，導(dǎo)致管道內(nèi)火焰發(fā)生了逆流現(xiàn)象。

3.2 T型管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑囟?/h3>

T型分岔管道內(nèi)瓦斯爆燃火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程各截面測點溫度曲線如圖4所示。

圖4 火焰陣面各截面測點溫度變化

由圖4可知，分岔處點火后，分岔處截面測點、直管左側(cè)截面測點、支管處截面測點、直管右側(cè)截面測點的熱電偶依次起跳，各測點最高溫度：分岔處1042K大于支管處928K大于直管左側(cè)793K大于直管右側(cè)669K。這是由于分岔處斷面較大、瓦斯儲存量較多，而且支管端和直管右端處于封閉狀態(tài)，分岔處截面瓦斯能得以充分燃燒，與熱電偶接觸時間較長，所以峰值溫度最高；火焰?zhèn)鞑サ街Ч芴幗孛娴臅r間快于傳播到直管右側(cè)截面的時間，因為點火后向支管方向傳播時，火焰陣面受到的反射沖擊波再經(jīng)過分岔處壁面反射后能形成一定強度的正向壓縮波，對火焰?zhèn)鞑ミ^程有一定的促進(jìn)作用；而火焰向直管右側(cè)傳播時，反射沖擊波作用于火焰陣面后直接傳出管外，對火焰前方未燃瓦斯?jié)舛扔袠O大的稀釋作用，所以直管右側(cè)截面測點瓦斯爆燃火焰陣面峰值溫度低于分岔處截面峰值溫度，火焰率先傳播到支管處截面而后傳播到直管右側(cè)截面。直管左側(cè)截面測點的溫度曲線與分岔處截面測點的一致性較好，主要是由于管道內(nèi)產(chǎn)生的高溫?zé)崃繒ㄟ^直管左側(cè)開口進(jìn)行熱交換，直管左側(cè)截面測點受到了管內(nèi)高溫?zé)醾鲗?dǎo)、熱輻射的作用，所以峰值溫度較高一些；直管左側(cè)截面測點與分岔處截面測點的兩個溫度曲線在875ms又先后出現(xiàn)了一個波峰，再次說明在封閉端口傳播過程中火焰產(chǎn)生了逆流傳播。

3.3 T型管道內(nèi)爆燃超壓規(guī)律

T型分岔管道內(nèi)瓦斯爆燃火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程各截面測點超壓曲線如圖5所示。

圖5 瓦斯爆燃火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程的超壓變化

由圖5可知，由于分岔處截面壓力傳感器換成了起爆針作為瓦斯起爆點，所以分岔處點火時，僅測試了直管左側(cè)、支管處、直管右側(cè)三個截面測點的超壓信號，其峰值超壓：支管處0.162MPa大于直管右側(cè)0.135MPa大于直管左側(cè)0.036MPa。支管處截面測點的峰值超壓大于直管右側(cè)截面測點的峰值超壓且支管處截面測點先于直管右側(cè)截面測點到達(dá)峰值超壓，與其溫度大小變化的趨勢一致，也由于主要是由于支管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^程中高溫氣體產(chǎn)物經(jīng)分岔壁面反射后的正反饋激勵所致；直管左端處于薄膜弱封閉狀態(tài)，能夠及時泄壓，所以直管左側(cè)截面測點的峰值超壓較小。同時從圖5中也可看出，分岔處點火后，火焰陣面向支管、直管右側(cè)方向傳播時測得的超壓曲線出現(xiàn)了輕微的震蕩，峰值下降后曲線出現(xiàn)明顯的波動，可能與火焰?zhèn)鞑サ臓顟B(tài)相關(guān)。

3.4 T型管道內(nèi)火焰陣面離子電流強度

T型分岔管道內(nèi)瓦斯爆燃火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程各截面測點離子電流信號曲線如圖6所示。

圖6 瓦斯爆燃火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程離子電流信號曲線

由圖6可知，分岔處點火后，火焰陣面向三個方向傳播過程中，分岔處截面測點、直管左側(cè)截面測點、支管處截面測點、直管右側(cè)截面測點的離子電流強度分別為0.62μA、0.31μA、0.022μA、0.024μA，點火處和弱封閉端的離子電流強度峰值遠(yuǎn)大于完全封閉端離子電流強度峰值。由圖6(a)可知，分岔處截面測點在304ms、762ms時出現(xiàn)了較弱的電流信號；由圖6(b)可知，直管左側(cè)截面測點在312ms、781ms時出現(xiàn)了較弱的電流信號；由圖6(c)可知，支管處截面測點離子電流信號較強區(qū)域持續(xù)了58ms，在446ms時離子電流信號趨于零，487ms到913ms之間又出現(xiàn)了脈沖式的離子電流信號，信號明顯的振蕩特征；由圖6(d)可知，支管右側(cè)截面測點的離子電流信號較強區(qū)域持續(xù)28ms，在762ms時趨于零，在787ms時又出現(xiàn)了離子電流信號；佐證了在向兩封閉端傳播的火焰的確發(fā)生了逆流現(xiàn)象。分析可知，分岔處截面測點的離子探針在10ms后出現(xiàn)了很強電流信號，說明在分岔處點火時，化學(xué)反應(yīng)速率大，加速了火焰的傳播，迅速形成了大強度火焰[19]；信號曲線從波峰下降過程中出現(xiàn)了小的波峰，這是由于在分岔處點火后火焰?zhèn)鞑r不連續(xù)的層流火焰所產(chǎn)生，所以火焰向直管左側(cè)傳播時，截面測點離子電流信號曲線也出現(xiàn)了小的波峰。支管處截面先于直管右側(cè)截面到達(dá)離子電流強度峰值，與溫度和超壓變化規(guī)律一致。尤其是火焰陣面向支管端傳播過程中，離子電流信號出現(xiàn)了明顯的振蕩特性，而且時間跨度很大，持續(xù)了426ms，說明火焰向支管完全封閉端口傳播過程中，不僅與火焰直管右側(cè)傳播一樣具有逆流現(xiàn)象，同時傳播過程中火焰呈現(xiàn)出慢速振蕩前行特征。其更本原因應(yīng)該是由于分岔壁面的存在，火焰?zhèn)鞑バ问礁鼮閺?fù)雜，在壓縮波負(fù)反饋和高溫氣體產(chǎn)物正反饋的共同作用下，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑コ尸F(xiàn)出振蕩燃燒慢速前行的狀態(tài)。

4 結(jié) 論

1)由分岔處點火T型管道內(nèi)瓦斯爆燃火焰向三個端口傳播過程中，由火焰陣面的傳播圖像、速度、超壓、溫度、離子電流各參數(shù)變化規(guī)律分析，三個局部管道內(nèi)火焰表現(xiàn)出層狀火焰、振蕩火焰、爆燃火焰三種典型狀態(tài)。

2)分岔處點火時，瓦斯爆燃火焰向支管、直管右側(cè)兩個封閉端口傳播其速度、離子電流強度均較小，速度最大值為1.32m/s，離子電流強度峰值為0.024μA；向直管左側(cè)開口方向傳播，其傳播速度、離子電流強度相對較大，速度峰值為33.17m/s，離子電流強度峰值為0.31μA，兩者相差一個數(shù)量級。

3)分岔處點火T型管道內(nèi)瓦斯爆燃火焰在各截面測點峰值溫度，分岔處1042K大于支管處928K大于直管左側(cè)793K大于直管右側(cè)669K，而峰值超壓，支管處0.162MPa大于直管右側(cè)0.135MPa大于直管左側(cè)0.036MPa；爆燃火焰向兩個完全封閉端口傳播過程中，由于壓縮波的負(fù)反饋作用產(chǎn)生逆流現(xiàn)象。

4)在分岔處點火T型分岔管道內(nèi)瓦斯爆燃火焰向支管完全封閉端口傳播過程中，由于分岔壁面的存在，火焰?zhèn)鞑バ问礁鼮閺?fù)雜，在壓縮波負(fù)反饋和高溫氣體產(chǎn)物正反饋的共同作用下，火焰又呈現(xiàn)出振蕩前行特征。