瓦斯煤塵爆炸巷道反射壓力研究

楊書召，劉星魁

(河南工程學(xué)院 安全學(xué)院，河南 鄭州 451191)

摘要：為揭示瓦斯和瓦斯煤塵爆炸反射壓力沿礦井巷道傳播變化的規(guī)律，用管道爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬測(cè)試極弱爆炸和極強(qiáng)爆炸巷道超壓與反射壓力的定量變化關(guān)系.結(jié)果表明，瓦斯和瓦斯煤塵與空氣混合爆炸，在弱爆炸條件下爆炸的反射壓力均是峰值超壓的1.8~2.0倍，強(qiáng)爆炸下瓦斯或瓦斯煤塵爆炸的反射壓力大約是峰值超壓的8~21倍.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算基本吻合，表明巷道反射壓力強(qiáng)度取決于沖擊波在巷道空間內(nèi)的反射過程，巷道內(nèi)爆炸超壓強(qiáng)度隨爆炸傳播距離的增加而降低，遇固壁則反射壓力強(qiáng)度加大，加重了井下設(shè)備的破壞和人員傷害程度.

關(guān)鍵詞：瓦斯煤塵爆炸；沖擊波超壓；反射壓力；極弱爆炸；極強(qiáng)爆炸

中圖分類號(hào)：TD712文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-12-25

基金項(xiàng)目：河南工程學(xué)院博士基金 (062701/D2013019)

作者簡(jiǎn)介：楊書召(1969-)，男，河南內(nèi)鄉(xiāng)人，副教授，高級(jí)工程師，博士，主要從事瓦斯防治方面的研究.

沖擊波反射壓力和峰值超壓是煤礦瓦斯煤塵爆炸破壞與傷害的重要原因之一[1].研究瓦斯煤塵爆炸超壓和反射壓力強(qiáng)度的變化規(guī)律，對(duì)抑制爆炸事故的擴(kuò)大蔓延有著重要價(jià)值.瓦斯煤塵爆炸沖擊波的傳播受井下巷道諸如變徑、拐彎和分叉等影響，爆炸超壓和遇固壁反射壓力變化比較復(fù)雜[2]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此研究較多.蘇聯(lián)學(xué)者借助井下實(shí)驗(yàn)給出了巷道拐彎、分叉和變徑條件下的超壓計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[3-4]，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)者在管道內(nèi)研究了爆炸火焰、沖擊波等特性參數(shù)的變化特征；其他學(xué)者也在大型巷道內(nèi)對(duì)瓦斯煤塵爆炸超壓做了定量研究[5-6].但由于實(shí)驗(yàn)條件有限，反射壓力與爆炸超壓隨傳播巷道變化的特性參數(shù)還需要進(jìn)一步修正和完善.

本研究利用設(shè)計(jì)的管道爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)瓦斯、煤塵及瓦斯煤塵與空氣混合物爆炸進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了不同爆炸條件下爆炸反射壓力與峰值超壓的定量轉(zhuǎn)換變化關(guān)系，并結(jié)合理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，修正和完善了反射壓力的計(jì)算方法，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了技術(shù)支持.

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與條件

1.1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

煤塵瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)可進(jìn)行瓦斯、煤塵及瓦斯煤塵與空氣混合爆炸實(shí)驗(yàn).系統(tǒng)主要由爆炸腔體和傳播管道兩大部分組成，另設(shè)有壓力、火焰?zhèn)鞲衅髋c動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng).設(shè)計(jì)腔體為直徑300 mm、長(zhǎng)0.5 m的無縫鋼管，傳播管道為斷面80 mm×80 mm的方形鋼管，兩者由球形閥連接.反射壓力傳感器固定在管內(nèi)2 cm寬鋼板中央，與超壓傳感器安設(shè)在同一垂直面上，傳感器的安設(shè)間距為2 m.每組實(shí)驗(yàn)6次，取平均值.

1.2　實(shí)驗(yàn)條件

瓦斯爆炸采用濃度為5%和9.5%的瓦斯，煤粉0.074 mm，水分0.50%~0.70%、灰分10.26%~14.86%、揮發(fā)分21.34%~41.08%、固定碳24.36%~43.82%、高位發(fā)熱量26.50 MJ/kg、全硫0.32%~0.63%.每次實(shí)驗(yàn)前，將煤樣置于105 ℃的干燥箱中干燥24 h以上.點(diǎn)火采用弱點(diǎn)火電容儲(chǔ)能高壓電火花，輸出功率為0.2 kJ/s；強(qiáng)點(diǎn)火采用10 kJ的化學(xué)點(diǎn)火源與6 V直流電源相連接.

圖1　爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) Fig.1　Experiment system of gas explosion

2結(jié)果與分析

2.1　瓦斯爆炸不同位置的超壓和反射壓力

圖2為濃度5%瓦斯與空氣混合弱爆炸傳播時(shí)不同位置的峰值超壓Δp1和反射壓力Δp2隨傳播距離變化的曲線.可以看出瓦斯弱爆炸時(shí)，管壁內(nèi)同一垂直斷面上正向反射壓力是沖擊波超壓的1.8~2.0倍，隨著峰值超壓沿管道傳播距離的增加逐步減少，反射壓力也逐步減少，但不同位置的反射壓力均高于峰值超壓.

表1為濃度9.5%瓦斯與空氣混合強(qiáng)爆炸傳播時(shí)不同位置的超壓和反射壓力隨傳播距離變化的情況.

圖2　爆炸超壓與反射壓力 Fig.2　Overpressure and reflected pressure of explosion

表1　9.5%瓦斯爆炸各測(cè)點(diǎn)的超壓與反射壓力 Tab.1Overpressure and reflected pressure of 9.5% gas in point

從不同測(cè)點(diǎn)位置的超壓和反射壓力值可以看出，瓦斯與空氣混合強(qiáng)爆炸，管壁內(nèi)同一垂直斷面上正向反射壓力是沖擊波超壓的8~19倍，反射壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了峰值超壓.

2.2　瓦斯煤塵爆炸不同位置的超壓和反射壓力

取濃度為5%的瓦斯和300 g/m3的煤塵與空氣混合，當(dāng)產(chǎn)生弱爆炸傳播時(shí)，不同位置的峰值超壓Δp1和反射壓力Δp2隨傳播距離變化的曲線見圖3.

由壓力曲線可以看出，第一測(cè)點(diǎn)的爆炸超壓為 0.11 MPa，反射壓力為0.22 MPa，最大反射壓力出現(xiàn)在5 m左右的位置，約0.5 MPa，這說明一端開口的爆炸傷害或破壞重點(diǎn)并不在爆炸中心點(diǎn).同時(shí)，反射壓力最大值與超壓最大值的出現(xiàn)點(diǎn)一致，均為超壓的2倍左右.與濃度為5%的瓦斯爆炸相比，煤塵與其耦合爆炸的相對(duì)強(qiáng)度較大、爆炸波傳播距離更遠(yuǎn)，有很大的破壞效應(yīng).

表2是濃度為9.5%的瓦斯與煤塵混合強(qiáng)爆炸傳播時(shí)不同位置的超壓和反射壓力隨傳播距離變化的情況.2 m位置的反射壓力值是超壓的8.5倍，10 m位置的反射壓力值是超壓的10倍，爆炸超壓出現(xiàn)在4 m左右的位置，這說明瓦斯的參加不僅增加了爆炸威力，也使煤塵更易爆炸，而且爆炸最大超壓出現(xiàn)的位置與單一瓦斯爆炸相比更接近爆炸點(diǎn)，與單一瓦斯爆炸比，它的反射壓力更大、破壞性更強(qiáng).

圖3　測(cè)點(diǎn)爆炸超壓與反射壓力曲線 Fig.3　Overpressure and reflected pressure for each test point with distance

表2　煤塵與9.5%瓦斯耦合爆炸各測(cè)點(diǎn)超壓與反射壓力 Tab.2　Overpressure and reflected pressure of 9.5% gas and coal in points

2.3　瓦斯及瓦斯煤塵爆炸不同位置的超壓與反射壓力比較

圖4為瓦斯弱爆炸與瓦斯煤塵弱爆炸不同測(cè)點(diǎn)的超壓和反射壓力比較曲線.由圖4可知，弱爆炸時(shí)，瓦斯和瓦斯煤塵爆炸的反射壓力是峰值超壓的1.8~2.0倍，而且瓦斯煤塵爆炸的最大超壓明顯高于瓦斯爆炸，反射壓力的強(qiáng)度也遠(yuǎn)大于瓦斯爆炸，更具破壞性.從表1與表2可以看出，強(qiáng)爆炸時(shí)瓦斯和瓦斯煤塵爆炸的反射壓力是峰值超壓的8~21倍.

圖4　瓦斯、瓦斯煤塵爆炸最大壓力沿管道變化的比較 Fig.4　Maximum pressure variation compared with gas or gas and coal dust explosion along the pipeline

3反射壓力的理論分析

假設(shè)瓦斯爆炸的沖擊波沿巷道傳播遇巷道壁反射，沖擊波與巷道壁成α角入射出現(xiàn)沖擊波斜反射，反射與巷道壁成β角，α與β不全相等，θ為沖擊波與水平方向的夾角.公式中，0區(qū)為空氣未擾動(dòng)區(qū)，1區(qū)為入射波經(jīng)過而反射波尚未通過區(qū)，2區(qū)為反射波經(jīng)過區(qū)，D1為入射沖擊波速度，u1和u1分別為1區(qū)和2區(qū)的空氣流動(dòng)速度.速度為向左移動(dòng)的動(dòng)坐標(biāo)，u0=D1/tan α.利用入射波陣面的兩側(cè)動(dòng)量和質(zhì)量守恒得到以下式子：

ρ0u0sin α=ρ1u1sin(α-θ)，

再由入射波和反射波沖擊絕熱方程可推出：

式中，χ=(k+1)/(k-1)，k為等熵絕熱指數(shù)，ρ1，ρ2為空氣密度.

運(yùn)用上述各式，可求解出參數(shù)p2，ρ2，u2，β和θ，簡(jiǎn)化斜反射公式為

若入射波和反射沖擊波均是一維定常數(shù)，由邊界條件和基本關(guān)系式可以得到以下式子：

假定巷道壁面是剛性的，故u0=0，u2=0, 可得

(p1-p0)(ρ1ρ2-ρ0ρ2)=(p2-p1)(ρ0ρ2-ρ0ρ1).

令χ=(k+1)/(k-1)，k為空氣等熵絕熱指數(shù)，由原始的空氣沖擊波的絕熱方程變形得到

則入射波和反射波的超壓分別為

Δp1=p1-p0，Δp2=p2-p0,

式中，Δp1, Δp2為峰值超壓和反射壓力，MPa.綜上可得反射波的峰值超壓

Δp2=2(p1-p0)+χ(χ-1)(p1-p0)2[(χ+3)(χ-1)p1]-1.

極強(qiáng)沖擊波馬赫數(shù)遠(yuǎn)大于1，可得到超壓與反射壓力的比較系數(shù)

瓦斯和瓦斯煤塵實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,弱爆下瓦斯和瓦斯煤塵爆炸的反射壓力是峰值超壓的1.8~2.0倍，強(qiáng)爆下瓦斯和瓦斯煤塵爆炸的反射壓力是峰值超壓的8~21倍，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)值基本吻合.

4結(jié)論

(1)瓦斯和瓦斯煤塵與空氣混合爆炸，在弱爆炸條件下爆炸的反射壓力均是峰值超壓的1.8~2.0倍，強(qiáng)爆炸下瓦斯或瓦斯煤塵爆炸的反射壓力是峰值超壓的8~21倍.

(2)理論推導(dǎo)證明，當(dāng)馬赫數(shù)|MS|遠(yuǎn)大于1時(shí)，反射壓力是入射超壓的8～23倍；當(dāng)馬赫數(shù)|MS|→1，反射壓力約是入射超壓的2倍.

(3)巷道反射壓力強(qiáng)度取決于沖擊波在巷道空間內(nèi)的反射過程，爆炸超壓強(qiáng)度隨爆炸傳播距離的增加而降低，反射壓力也隨傳播距離增加而相對(duì)降低，但遇巷道固壁則反射強(qiáng)度增大.

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Study on reflected pressure of gas and coal dust explosion in tunnel

YANG Shuzhao，LIU Xingkui

(CollegeofSafetyEngineering，HenanInstituteofEngineering，Zhengzhou451191,China)

Abstract:In order to reveal the gas, gas and coal dust explosion reflected pressure changes along with the spread of mine tunnel, relationship between quantitative changes of explosion overpressure and reflected pressure is tested with the pipe explosion experiment system. The results show that in the gas and coal dust and gas mixed with air explosion, reflected pressure explosion in the weak condition is 1.8~2.0 times of peak overpressure, in strong explosion the reflected pressure of gas or gas and coal dust explosion is about 8~21 times of peak overpressure. The experimental results were in accordance with the theoretical calculation, showing that the reflected pressure intensity depends on the reflection of shock wave in the process of roadway space. The explosion overpressure strength increases as the distance from the explosion propagation decreases in the tunnel, but before solid wall the reflection intensity of pressure will increase, which aggravates the equipment damage and human injuries.

Key words:gas and coal explosion; over pressure; reflected pressure; weak explosion; strong explosion