楊書(shū)召，劉星魁

(河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，河南鄭州451191)

煤塵參與下的瓦斯爆炸是煤礦重大事故之一［1］.在瓦斯爆炸沖擊波的作用下，巷道沉積煤塵形成煤塵云被瓦斯爆炸火焰點(diǎn)爆或點(diǎn)燃，沿巷道的煤塵均參與反應(yīng)，使爆炸得以自身延續(xù)和發(fā)展，使原來(lái)弱的或較弱的瓦斯爆炸發(fā)展成為煤塵參與的強(qiáng)爆炸［2-3］，造成了更多的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失.因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)瓦斯和煤塵爆炸的基礎(chǔ)現(xiàn)象、爆炸作用效果、爆炸特性參數(shù)及爆炸過(guò)程等方面進(jìn)行了廣泛的研究，認(rèn)為甲烷發(fā)生燃燒爆炸是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，是熱反應(yīng)和鏈反應(yīng)機(jī)理共同作用的結(jié)果［4-5］.煤塵受熱后揮發(fā)并燃燒放出熱量，這些熱量傳遞給鄰近的煤塵顆粒，使鄰近的煤塵受熱燃燒、范圍擴(kuò)大、氧化反應(yīng)加快、溫度快速升高，在火焰前形成沖擊波，當(dāng)反應(yīng)放出的熱量大于損失的熱量時(shí)，反應(yīng)自行維持，達(dá)到突躍，發(fā)生爆炸［6-7］.

本課題用一端開(kāi)口的半封閉管道爆炸實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)改變瓦斯與煤塵耦合爆炸濃度及點(diǎn)火條件，研究了半封閉受限空間瓦斯煤塵耦合爆炸火焰的傳播速度、火焰溫度、超壓及爆速等特征參數(shù)隨煤塵和瓦斯?jié)舛茸兓囊?guī)律以及瓦斯?jié)舛?、煤塵濃度對(duì)混合物爆炸超壓及爆速的影響.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成及條件

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)并研制了煤塵與瓦斯煤塵云的生成系統(tǒng)，與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤塵爆炸管道系統(tǒng)對(duì)接，形成煤塵與瓦斯耦合爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示.該系統(tǒng)包括9個(gè)部分，即煤塵與高壓瓦斯氣體混合裝置、煤塵與瓦斯及空氣混合爆炸腔體、抽氣和壓氣裝置、爆炸實(shí)驗(yàn)管道、動(dòng)態(tài)采集分析系統(tǒng)、火焰速度測(cè)量系統(tǒng)、爆炸壓力測(cè)量系統(tǒng)、毒害氣體采集裝置和爆炸點(diǎn)火裝置.實(shí)驗(yàn)管道為斷面80 mm×80 mm的方形鋼管，總長(zhǎng)24 m，由長(zhǎng)度為0.5 m，1.0 m，1.5 m和2.5 m的4種管道分節(jié)組合而成.在管道上有各種傳感器及閥門(mén)的安設(shè)孔，整個(gè)管道用厚12 mm的錳鋼板焊制，耐壓20 MPa以上.設(shè)計(jì)腔體為直徑300 mm、長(zhǎng)1.5 m的無(wú)縫鋼管，與球形閥及爆炸管道連接，腔體上有可自由卸下的點(diǎn)火裝置、煤粉噴出裝置、抽氣和壓氣控制裝置、量程0～0.1 MPa的真空表以及壓力、火焰、沖擊氣流和毒氣采集裝置.

圖1 爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Equipment system of gas explosion experiment

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

點(diǎn)火裝置采用弱點(diǎn)火電容儲(chǔ)能高壓電火花，輸出功率為0.2 kJ;強(qiáng)點(diǎn)火采用10 kJ化學(xué)點(diǎn)火源，與6 V的直流電源相連接，點(diǎn)火位置均在封閉端.甲烷-煤塵-空氣混合物爆炸實(shí)驗(yàn)時(shí)關(guān)閉控制閥，對(duì)爆炸管道抽真空至-0.08 MPa，配氣系統(tǒng)利用虹吸原理配入混合物至腔體形成煤塵云，而后打開(kāi)控制閥至常壓，點(diǎn)火起爆并啟動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)采集.點(diǎn)火延遲時(shí)間為0.31 s，煤粉粒徑為45～74 μm，每次實(shí)驗(yàn)前將煤樣置于105℃的干燥箱中干燥24 h以上.實(shí)驗(yàn)所用的煤樣(無(wú)煙煤和煙煤)經(jīng)國(guó)家煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心測(cè)試，水分為0.50% ～0.70%，灰分為10.26% ～14.86%，揮發(fā)分為21.34% ～41.08%，固定碳為24.36% ～43.82%，高位發(fā)熱量為26.50 MJ/kg，全硫?yàn)?.32% ～0.63%.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 封閉管道內(nèi)瓦斯煤塵耦合爆炸火焰?zhèn)鞑?/h3>

圖2和圖3分別給出了甲烷空氣爆炸、甲烷與煤塵耦合爆炸的火焰軌跡和火焰速度沿管道變化的情況.其中，實(shí)驗(yàn)瓦斯?jié)舛葹?.5%，煤塵濃度為500 g/m3.

圖2 火焰?zhèn)鞑ノ恢秒S時(shí)間變化關(guān)系Fig.2 Relationship of the flame position with the time

圖3 火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c傳播距離的關(guān)系Fig.3 Flame propagation speed relations with propagation distance

可以看出，封閉管道內(nèi)濃度為7.5%的甲烷與煤塵混合后，因煤塵參與爆炸，放熱速率增大，火焰提前到達(dá)各測(cè)點(diǎn)，火焰?zhèn)鞑サ乃俣蕊@著增加.瓦斯爆炸與瓦斯煤塵耦合爆炸火焰的傳播規(guī)律基本相似，均為爆炸初期火焰加速增長(zhǎng)，達(dá)到峰值后快速衰減至層流火焰速度以下.這是由于耦合物被點(diǎn)燃后，火焰面呈球形向外快速擴(kuò)展，層流火焰突變?yōu)橥牧骰鹧妫咚倩鹧嬖鰪?qiáng)了火焰前端未燃?xì)怏w的流動(dòng)速度和湍流度，速度很快達(dá)到極值，而后受壁面散熱效應(yīng)及壓力波的抑制作用使火焰速度迅速下降.

2.2 半封閉管道內(nèi)瓦斯煤塵耦合爆炸火焰的傳播

瓦斯煤塵爆炸火焰的傳播距離與耦合體聚集不同長(zhǎng)度的關(guān)系見(jiàn)圖4.可以看出，爆炸火焰?zhèn)鞑サ木嚯x基本上是混合體原聚集長(zhǎng)度的2倍左右，這一點(diǎn)給爆炸事故火焰?zhèn)Ψ秶呐袛嗵峁┝艘罁?jù).圖5給出了半封閉管道爆炸實(shí)驗(yàn)中濃度為7.5%的瓦斯與不同濃度的煤塵耦合爆炸的火焰沿管道速度變化的情況.可以看出，在瓦斯?jié)舛认嗤臈l件下，煤塵濃度不同，火焰?zhèn)鞑サ淖畲笏俣炔煌?距離點(diǎn)火端較近處的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，隨著傳播的逐漸加快，傳播速度達(dá)到最大之后火焰的傳播速度逐漸降低衰減，與封閉狀態(tài)相比，開(kāi)口狀態(tài)的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲笾党霈F(xiàn)的位置較遠(yuǎn).這是由于混合物受熱加速分解，氣體增加并快速膨脹所致.

圖4 混合物火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與聚集長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.4 The relationship between flame distance and the length

圖5 混合物火焰速度隨傳播距離變化關(guān)系Fig.5 Flame velocities change with propagation distance

2.3 封閉與半封閉管道內(nèi)瓦斯煤塵爆炸壓力傳播

(1)濃度9.5%的瓦斯與不同煤種煤塵的爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，煤塵瓦斯耦合爆炸的最大壓力峰值明顯高于瓦斯爆炸.在相同條件下，瓦斯爆炸的最大壓力峰值為0.23 MPa，而瓦斯煤塵耦合爆炸的最大壓力峰值為1.5 MPa.瓦斯爆炸各測(cè)點(diǎn)的最大壓力沿管道傳播基本上是均勻變化的，而瓦斯煤塵爆炸各測(cè)點(diǎn)的最大壓力傳播過(guò)程中出現(xiàn)了波動(dòng)現(xiàn)象.結(jié)果表明，瓦斯煤塵爆炸的最大壓力明顯高于瓦斯爆炸，瓦斯煤塵爆炸的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于瓦斯爆炸.

(2)煤塵與1%瓦斯耦合爆炸壓力隨傳播距離的變化見(jiàn)圖7.可以看出，瓦斯煤塵耦合爆炸壓力在各個(gè)測(cè)試點(diǎn)都遠(yuǎn)大于瓦斯空氣混合物的爆炸壓力，說(shuō)明加瓦斯后的煤塵爆炸更加完全，爆炸壓力更大，傳播更遠(yuǎn).

圖6 瓦斯、瓦斯煤塵爆炸最大壓力沿管道變化情況Fig.6 Gas coal dust explosion pressure change along the pipeline

圖7 煤塵與1%瓦斯?jié)舛锐詈媳y(cè)點(diǎn)壓力隨傳播距離變化情況Fig.7 Changes in relationships of coal dust and gas explosion pressure with distance

(3)煤塵與3%瓦斯耦合爆炸壓力隨傳播距離的變化規(guī)律見(jiàn)圖8.可以看出，第一點(diǎn)的爆炸壓力為0.432 MPa，壓力明顯增加;第二個(gè)測(cè)試點(diǎn)的爆炸壓力明顯高于第一點(diǎn)，說(shuō)明煤塵瓦斯耦合發(fā)生了爆炸;后面各點(diǎn)的爆炸壓力下降，但第三點(diǎn)的壓力測(cè)試值仍很大，達(dá)到了0.36 MPa.這表明煤塵瓦斯的耦合體爆炸較為完全，產(chǎn)生的爆炸壓力波克服了管道摩擦、熱量散失等因素的影響尚能傳播到很遠(yuǎn)的距離.上述實(shí)驗(yàn)表明，低濃度瓦斯參與的煤塵爆炸，爆炸相對(duì)強(qiáng)度隨瓦斯?jié)舛鹊脑黾佣黾?，傳播距離更遠(yuǎn).

圖8 測(cè)試點(diǎn)爆炸壓力變化曲線(xiàn)Fig.8 The curves of test point explosion pressure changing with distance

3 瓦斯煤塵爆炸傳播距離的理論計(jì)算

建立煤礦半封閉掘進(jìn)工作面因瓦斯突然涌出易產(chǎn)生爆炸的一維模型［8］，如圖9所示.當(dāng)|MS|→1時(shí)，沖擊波相對(duì)于波前氣流的傳播速度總是亞音速的，且v0=0，v1=u1，沖擊波波陣面參數(shù)借助于弱沖擊波公式［9-10］，可得如下關(guān)系式:

圖9 爆炸平面沖擊波物理模型Fig.9 The physical model of explosive shock wave

式中，MS=(DS-v0)/c0，MS為沖擊波相對(duì)于波前氣流運(yùn)動(dòng)的馬赫數(shù)，γ為絕熱指數(shù)，DS為沖擊波速度，v0為空氣流速，c0為當(dāng)?shù)匾舳?

以點(diǎn)爆火源點(diǎn)為原點(diǎn)、距波陣面距離為x建立坐標(biāo)系.波陣面附近積聚了爆炸沖擊波卷來(lái)的氣體，被沖擊波壓縮過(guò)的氣體質(zhì)量都集中在厚度為Δx的沖擊波內(nèi)，沖擊波厚度極薄，故Δx很小，此薄層內(nèi)密度為常數(shù)并等于波后密度ρ1，即此厚度為Δx的薄層質(zhì)量m=Sρ1Δx=Sρ0x.其中，S為巷道截面積，x為沖擊波所經(jīng)過(guò)的距離.若厚度Δx的薄層內(nèi)氣流速度等于波陣面后氣流速度u1，薄層內(nèi)壓強(qiáng)用p表示，它等于波后壓強(qiáng)的φ倍，即p=φp1，其中φ待定，波前壓強(qiáng)p0與p相比可忽略.忽略沖擊波與壁面的摩擦損失以及熱傳導(dǎo)、熱輻射等其他能量損失，僅考慮沖擊波對(duì)波前氣體做功的損失，沖擊波對(duì)氣體介質(zhì)所做的功等于沖擊波陣面內(nèi)氣體的動(dòng)能和內(nèi)能.設(shè)Er被包含在薄層圍成的長(zhǎng)度為x、斷面為S的巷道內(nèi)的氣體中，則薄層氣體內(nèi)能.薄層氣體動(dòng)能，沖擊波對(duì)氣體介質(zhì)所做的功

當(dāng)瓦斯積聚量一定時(shí)，E為常數(shù).鑒于沖擊波對(duì)氣體介質(zhì)所做的功與x無(wú)關(guān)，則

因爆炸傳播過(guò)程中沖擊波處于爆燃極弱狀態(tài)，可推出沖擊波在傳播過(guò)程中超壓與距離的關(guān)系

4 結(jié)論

(1)封閉下的瓦斯煤塵耦合體爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣容^開(kāi)口狀態(tài)下快，但極值出現(xiàn)距點(diǎn)火位置較近，開(kāi)口爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x是積聚耦合體長(zhǎng)度的2倍左右.

(2)瓦斯煤塵爆炸的最大壓力明顯高于瓦斯爆炸，瓦斯煤塵爆炸的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于瓦斯爆炸，低濃度瓦斯與煤塵耦合隨瓦斯?jié)舛鹊脑黾樱ㄏ鄬?duì)強(qiáng)度增加，傳播距離更遠(yuǎn).

(3)若不考慮壁面散熱效應(yīng)及壓力波的抑制作用，半封閉狀態(tài)下瓦斯與煤塵耦合爆炸的傳播距離與爆炸能量的平方根成正比，與巷道斷面積的平方根成反比.

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