張莉聰，劉立萍，徐景德

(華北科技學(xué)院，北京東燕郊 101601)

0 引言

分析礦井瓦斯煤塵爆炸事故原因可知，一般情況是由于瓦斯煤塵達(dá)到爆炸濃度界限，遇到火源引起爆炸，然后迅速傳播，在傳播過程中對(duì)礦井設(shè)施和人員生命安全造成損害［1］。爆炸傳播過程中火焰波的發(fā)展變化特性決定了爆炸事故破壞程度的大小［2］，因此研究瓦斯煤塵爆炸火焰、沖擊波傳播規(guī)律尤顯重要。同時(shí)，利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段開展瓦斯煤塵災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理、瓦斯煤塵爆炸的特性及其演化傳播規(guī)律的研究有著廣泛而深遠(yuǎn)的意義［3］。

1 總體設(shè)計(jì)

在煤礦井下，雖然任何地點(diǎn)都有瓦斯煤塵爆炸的可能性，但大部分爆炸事故多發(fā)生在采煤與掘進(jìn)工作面。一般情況下，采煤與掘進(jìn)工作面的巷道空間布置形式可以簡化為一端封閉一端開口或兩端開口的管道空間模型，本實(shí)驗(yàn)即基于這種管道空間模型開展研究的［4］。

瓦斯煤車爆炸的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)總體布置如圖1所示:主要包括:管體系統(tǒng)、流場(chǎng)顯示系統(tǒng)、參數(shù)測(cè)量平臺(tái)、配氣系統(tǒng)等。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)總體布置簡圖

2 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 管體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

管體主要包括點(diǎn)火段(點(diǎn)火法蘭和點(diǎn)火段)、轉(zhuǎn)接段、實(shí)驗(yàn)段和真空罐。

管體尺寸。采用截面為200 mm×200 mm的冷拔方管，長40 m。內(nèi)外壁可電鍍，以增加壽命和便于光譜測(cè)量。

圖2 管體示意圖

點(diǎn)火段和點(diǎn)火系統(tǒng)。為低壓可燃?xì)怏w點(diǎn)火或其它面點(diǎn)火、單純激波實(shí)驗(yàn)所需。

點(diǎn)火器:電容式點(diǎn)火器，點(diǎn)火能量高?？烧{(diào)點(diǎn)火能量(通過調(diào)電壓和電容方式)、放電頻率和脈寬。含充電電壓指示器。

由于氣體介電常數(shù)和初壓不同，為防止點(diǎn)火器和管壁放電，采用低初壓的點(diǎn)火端蓋，如圖3所示。主要含部件:1、管體，2、端蓋，3、Teflon，4、火花塞。

圖3 點(diǎn)火段簡圖

雙膜機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可與爆轟起爆結(jié)合使用，也可研究爆燃波通過惰性劑的火焰演化情況，了解和評(píng)價(jià)阻燃劑作用機(jī)理和效果。

實(shí)驗(yàn)段設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)段是整個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)最為重要、也最為復(fù)雜的環(huán)節(jié)。各種測(cè)量，特別是光學(xué)測(cè)量主要是在實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行的，因此，要仔細(xì)考慮。根據(jù)瓦斯煤塵爆炸實(shí)際管道的特點(diǎn)，需要加工不同斜交角的分叉管和不同曲率半徑彎管，用來模擬實(shí)際礦井瓦斯爆炸現(xiàn)象的研究。

圖4 雙膜段簡圖

實(shí)驗(yàn)段觀察窗，如圖5所示。圓形玻璃窗，透光直徑為300 mm，流場(chǎng)光學(xué)顯示采用K9玻璃，光譜測(cè)量采用石英玻璃(S1)?？紤]到光學(xué)測(cè)量(光譜測(cè)量、流場(chǎng)成像)需要觀察窗，由于冷拔管壁厚度不夠，因此，我們采用在管壁外測(cè)鑲焊金屬框作為玻璃安裝的支座。另外，為保證玻璃不受損失，將玻璃預(yù)先裝入可拆卸的玻璃框中，每次實(shí)驗(yàn)只需拆卸金屬框就可以了。

圖5 實(shí)驗(yàn)段簡圖

光學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)段是整個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)最為重要、也最為復(fù)雜的環(huán)節(jié)。在光學(xué)等測(cè)量中，通常需要實(shí)驗(yàn)段上游位置提供觸發(fā)激光器氙燈的信號(hào)(如火焰面或沖擊波得到的電信號(hào))。必要時(shí)，傳感器也需要位于實(shí)驗(yàn)段上。

真空罐設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)表明:真空艙體積應(yīng)為管道總體積5～10倍，這樣可避免端面反射沖擊波超壓損壞觀察窗，保證實(shí)驗(yàn)安全。另外，真空艙也需要一定的長度，以避免爆炸氣體產(chǎn)物或沖擊波的反射波沖進(jìn)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，干擾了實(shí)驗(yàn)段內(nèi)較慢過程的流場(chǎng)觀察和測(cè)量;由于本系統(tǒng)管道是目前國內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備較長的實(shí)驗(yàn)管道，爆燃和爆轟的反射激波后壓力很高，因此，在光學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，為確保安全，需要將實(shí)驗(yàn)管道和真空艙之間夾膜。沖擊波在膜片上反射，很快將管道內(nèi)的壓力卸載，以確保安全。。

監(jiān)測(cè)艙內(nèi)狀況。設(shè)計(jì)安裝CCD，可檢測(cè)爆炸氣體射流在真空艙內(nèi)的演化情況，和實(shí)驗(yàn)過程中真空艙是否損壞。

安全窗口。為了確保真空艙安全，需要在罐體加裝覆蓋橡皮的安全窗口。當(dāng)艙內(nèi)壓力高于預(yù)定的臨界值，安全橡皮自動(dòng)破裂、卸壓。

空艙操作。實(shí)驗(yàn)前需要抽真空，將上次實(shí)驗(yàn)的廢氣抽掉，并用膜片將真空艙和實(shí)驗(yàn)段隔開。

尺寸估算。

若a=0.4，L=40，N=10

綜合考慮，我們?nèi)=5，得到L=6.3 m，d= 1.6 m。

2.2 流場(chǎng)顯示設(shè)計(jì)

測(cè)量孔布置。每段指定位置(通常間隔1 m)在三個(gè)側(cè)面設(shè)置測(cè)孔，有專用支座的傳感器直接安裝在這些測(cè)孔上。光學(xué)測(cè)量可通過光纖將火焰發(fā)射光引到光譜儀進(jìn)行組分和溫度測(cè)量。壓阻或壓電傳感器需要前置，以避免出現(xiàn)信號(hào)干擾和衰減嚴(yán)重的情況［5］。

流場(chǎng)顯示的儀器為激光紋影系統(tǒng)，圖6給出了典型紋影系統(tǒng)示意圖。

激光紋影系統(tǒng)原理:紋影系統(tǒng)是通過流場(chǎng)中折射率變化來反映密度一階偏導(dǎo)數(shù)，可捕捉到流場(chǎng)中的激波和接觸間斷等。對(duì)帶自發(fā)光的燃燒流場(chǎng)，流場(chǎng)發(fā)光和光源的光會(huì)同時(shí)造成底片曝光。

紅寶石激光器2的He－Ne激光器光路由另一He－Ne激光器1通過半透鏡4調(diào)節(jié)并準(zhǔn)直。凹面反射鏡11的焦距為1.5 m，擴(kuò)束鏡6的焦距為5 mm。激光光束通過光強(qiáng)調(diào)節(jié)器3和光束調(diào)節(jié)器5后，由擴(kuò)束鏡6擴(kuò)束，僅光斑中央較均勻的部分經(jīng)過反射鏡。直徑為150 mm的準(zhǔn)直平行光經(jīng)過實(shí)驗(yàn)段后由另一凹面反射鏡聚焦。聚焦后的光束經(jīng)過照相物鏡14成像于底片。采用濾光片濾去爆轟化學(xué)反應(yīng)發(fā)光，允許照相機(jī)B門打開幾分鐘而不出現(xiàn)底片曝光?？拷鼘?shí)驗(yàn)段的壓電傳感器信號(hào)經(jīng)過預(yù)設(shè)延時(shí)后觸發(fā)紅寶石激光器。

圖6 流場(chǎng)光學(xué)顯示設(shè)計(jì)

紋影系統(tǒng)包括光源系統(tǒng)、反射鏡系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和濾光片。

2.2.1 光源系統(tǒng)。

光源大致可分為連續(xù)光源和脈沖光源兩類，分別適合拍攝連續(xù)變化和瞬態(tài)變化過程的流場(chǎng)圖像。

連續(xù)光源包含:燈泡、聚焦系統(tǒng)、狹縫。光源為24 V，150 W鹵鎢燈。聚光系統(tǒng):聚光鏡由兩組雙膠合透鏡組成，把燈絲成象在狹縫上，成為二次光源(實(shí)際光源)。為了準(zhǔn)確聚焦，其中一組膠合透鏡能前后移動(dòng)。狹縫為兩刃片同時(shí)運(yùn)動(dòng)型式，讀數(shù)最小值0.01 mm。狹縫機(jī)構(gòu)可繞光軸作360°旋轉(zhuǎn)，以選擇不同的取向。狹縫刃面可裝有小孔插片，供陰影照相用。另外，為檢查光源象是否正確位于狹縫平面上，也可備有放大觀察裝置。

脈沖光源包括火花放電和脈沖激光器。對(duì)于脈沖光源，需要利用外信號(hào)(如壓力或應(yīng)變信號(hào))觸發(fā)和帶有時(shí)間延時(shí)器的同步控制電路。對(duì)于脈沖激光器，如單脈沖紅寶石激光器(波長 λ= 694.3 nm)，直接采用外觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)氙燈，然后通過調(diào)Q延時(shí)出光。

光源通常置于可進(jìn)行三維坐標(biāo)調(diào)整的支架上。

2.2.2 反射鏡系統(tǒng)

球面反射鏡焦距通常為其口徑的10倍。球面鏡的加工面型誤差≤λ/4或 λ/8(作干涉顯示)。球面反射鏡需鍍鋁反射膜，玻璃毛坯經(jīng)過精密退火，應(yīng)力不大于2級(jí)，加工后面形誤差。紋影鏡框?yàn)樘厥庠O(shè)計(jì)，采取三點(diǎn)支承方式，紋影鏡放入后受力均勻，防止局部受力變形。紋影鏡與鏡框之間留有合適間隙，作為溫度膨脹余量，防止室溫變化的影響。紋影鏡框有俯仰及旋轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度調(diào)整機(jī)構(gòu)并能鎖緊。

2.2.3 成像系統(tǒng)

通常包括小反射鏡、刀口、濾光片、特制物鏡和成像介質(zhì)等。刀口包括黑白和彩色刀口，是紋影儀的關(guān)鍵部件。它平行于光源狹縫，且位于反射鏡的焦平面上。當(dāng)流場(chǎng)無擾動(dòng)時(shí)，若刀口切去一部分光源的像，則照相平面上光強(qiáng)均勻的減弱。黑白刀口為帶有直邊刀刃的鋼片。彩色刀口為三種不同顏色光學(xué)玻璃精密研磨的光學(xué)組件或幻燈正片拼接構(gòu)成。中間為藍(lán)色，兩邊為紅色和黃色。兩種刀口更換方便。刀口能沿垂直于刃邊方向平移，移動(dòng)距離±5 mm，最小刻度0.01 mm。整個(gè)刀口機(jī)構(gòu)可繞光軸作360°旋轉(zhuǎn)。刀口機(jī)構(gòu)能沿光軸前后移動(dòng)，準(zhǔn)確定位于反射鏡的焦點(diǎn)處。

2.2.4 濾光片參數(shù)選擇

在燃燒流場(chǎng)(如爆燃、爆轟等)中，為獲得清晰紋影照片，必須濾除流場(chǎng)自發(fā)光。采取措施是: (ⅰ)光源采用紅寶石激光，其脈寬約為40 ns，中心波長為694.3 nm，脈沖能量為20 mJ，光束直徑為6 mm。(ⅱ)在照相機(jī)前加濾光片，允許紅寶石激光通過，濾除其它光。濾光片參數(shù)如下:中心波長為694.3 nm，半帶寬為15 nm，694.3－7.5 nm≤λ≤694.3+7.5 nm透過率大于60%，λ≤694.3－7.5 nm或λ≥694.3－7.5 nm透過率小于1‰。

2.3 參數(shù)測(cè)量平臺(tái)

2.3.1 火焰速度測(cè)量

爆燃研究中通常關(guān)心火焰速度測(cè)量。嚴(yán)格地說:火焰是“工程燃燒學(xué)”的概念。火焰不是一維的，其速度測(cè)量是基于平均測(cè)量的。每個(gè)火焰速度測(cè)量通道主要部件如圖7所示。采用光纖，目的是增加測(cè)量系統(tǒng)的適應(yīng)性［6］。

圖7 火焰速度測(cè)量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.3.2 組分測(cè)量(光電倍增管和光譜議)

利用3通道光譜儀，色譜儀測(cè)量爆炸和燃燒反應(yīng)產(chǎn)物或主要自由基濃度。本系統(tǒng)利用發(fā)射或吸收光譜測(cè)量組分濃度的儀器系統(tǒng)。

圖8 光譜儀測(cè)量組分濃度示意圖

溫度測(cè)量。利用雙波長發(fā)射光譜，自研制。壓力測(cè)量。20通道、多通道高速數(shù)據(jù)采集卡，壓阻和壓電傳感器［7］。

2.4 配氣、真空和控制系統(tǒng)

這三套子系統(tǒng)均集成在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。配氣系統(tǒng)主要作用是:將管道抽真空、充入指定壓力和混合物濃度、顯示壓力。主要包括壓力表、水銀柱(和真空壓力計(jì))、配氣罐、氣瓶、電磁閥和手動(dòng)閥門、連接氣管等，見圖9所示。

圖9 配氣和真空系統(tǒng)原理圖

真空系統(tǒng)和配氣系統(tǒng)連接，主要為管道、真空艙和配氣罐抽真空。主要由真空壓力表、真空泵和電磁閥門、連接管道組成［8］。

控制系統(tǒng)包括操作閥門動(dòng)作、點(diǎn)火、數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地監(jiān)控和示警等作用。在管路方面，與實(shí)驗(yàn)管道連接部分均采用手動(dòng)閥，其它采用電磁閥驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)閥。為便于統(tǒng)一操作、控制，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下圖所示的操作臺(tái)，將上述三個(gè)子系統(tǒng)集成在控制面板上(見圖10)。操作臺(tái)上配有閥門控制系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、主要參數(shù)(壓力、溫度、速度)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.5 支架設(shè)計(jì)

圖10 操作控制臺(tái)

本設(shè)備支架采用支座、導(dǎo)軌、小車系統(tǒng)。小車輪軌相對(duì)運(yùn)動(dòng)要靈活、測(cè)向位移要小。整個(gè)導(dǎo)軌放在能方便調(diào)節(jié)高度和水平位移的支撐柱上。實(shí)驗(yàn)表明:與管道各段的定位銷連接的管體相配，這是一套精度高、操作靈活的支撐系統(tǒng)。本套支撐為自行設(shè)計(jì)、制造。

圖11 小車導(dǎo)軌示意圖

2.6 管線布置

將氣路和信號(hào)測(cè)量線路、電源和監(jiān)視電纜分開安裝，既保持整潔美觀、又保證檢查方便。進(jìn)氣管路利用高壓軟管，盡量多采用閥門快速接頭，樣便于操作。

3 結(jié)論

1)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊化、操作和維修方便;測(cè)試技術(shù)(主要為光學(xué)測(cè)量)先進(jìn)、能夠準(zhǔn)確顯示瓦斯煤塵爆炸傳播過程中高速瞬態(tài)的爆轟和爆燃流場(chǎng)，可捕捉到流場(chǎng)中的激波和接觸間斷等。對(duì)帶自發(fā)光的燃燒流場(chǎng)，流場(chǎng)發(fā)光和光源的光會(huì)同時(shí)造成底片曝光。

2)在可調(diào)高度的支架上，管道支撐在專用軌道上，可保證前后靈活運(yùn)動(dòng)。

3)為保證實(shí)驗(yàn)安全，還設(shè)計(jì)了CCD監(jiān)視系統(tǒng)和警燈、警鈴提示系統(tǒng)。管道充氣時(shí)，警燈開始警告。啟動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)時(shí)，警鈴提示。便于實(shí)驗(yàn)無關(guān)人員離開現(xiàn)場(chǎng)。

4)該測(cè)試系統(tǒng)能夠測(cè)試高壓瓦斯氣體滲出、擴(kuò)散、點(diǎn)火、DDT過程，復(fù)雜管道(彎曲和分叉管道)爆燃傳播現(xiàn)象，沖擊波或爆燃波后高速氣流誘導(dǎo)的粉塵卷揚(yáng)及其擴(kuò)散，沖擊波誘導(dǎo)氣流的點(diǎn)火現(xiàn)象。

［1］ 司榮軍，王春秋，張延松，李潤之。瓦斯煤塵爆炸傳播研究綜述及展望［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2007，(1):67－69.

［2］ Donald.N.H.C，Henry E.P.Mathematial Study of Propagating Flame and Its Aerodynamics in a Coal Mine Passway.Report of Investigation7908，Pisttsburgh Mining andSafety Research Center，Pisttsburgh，Califomia，USA，1974.

［3］ 張莉聰，徐景德，吳兵，楊庚宇，等.甲烷－煤塵爆炸波與障礙物相互作用的數(shù)值研究［J］.中國安全科學(xué)技術(shù)，2004，14(8):82－85.

［4］ Lin Baiquan and Qian liping.Research and application on the risk evaluation technology of gas explosion based on the WINDOM 2000［J］.Mining Science and Technology，2004，227－232.

［5］ 吳兵，張莉聰，徐景德，等.瓦斯爆炸運(yùn)動(dòng)火焰生成壓力波的數(shù)值模擬.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，34(4):423－428.

［6］ 張莉聰，徐景德.瓦斯煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑C(jī)理的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)研究.華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，7(2):20－23.

［7］ Zhang licong，Xu jingde，Zhang Yulong.Numerical Simulation Of Shock Wave Structure In Gas Explosion.First International Symposium on Mine Safety Science and Engineering.2011.

［8］ 徐景德，張莉聰，黎體發(fā)，楊庚宇.煤礦瓦斯爆炸事故中礦車激勵(lì)效應(yīng)的數(shù)值模擬［J］.爆炸與沖擊，2012，32(1):47－51.