張迎新，　李世超

(黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

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煤塵影響瓦斯爆炸沖擊波的實驗研究

張迎新，李世超

(黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

為了探究煤塵對瓦斯爆炸沖擊波的影響，利用瓦斯-煤塵爆炸實驗系統(tǒng)，通過甲烷、空氣混合爆炸和煤塵、甲烷、空氣混合爆炸實驗，得出爆炸超壓在爆炸管道中沖擊波的傳播規(guī)律。將爆炸規(guī)律和煤樣的組分?jǐn)?shù)據(jù)對比分析，得出煤塵對瓦斯爆炸的沖擊波的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：有煤塵參與時，氣樣爆炸超壓增大，在管道中都是先增大后減小，煤塵的參與可以改變瓦斯爆炸的上下限。煤樣組分對比表明，揮發(fā)分大的煤粉更容易產(chǎn)生更大的爆炸超壓。

瓦斯爆炸； 沖擊波超壓； 爆炸管道

0　引　言

瓦斯作為工業(yè)原料及民用燃料是一種清潔能源。但是，在礦井中它也是危及礦工生命的一種有毒有害氣體。瓦斯爆炸所帶來的危害包括沖擊波、高溫火焰、有毒有害氣體等[1]。更為嚴(yán)重的是瓦斯爆炸所引起的瓦斯煤塵爆炸，會帶來更多的人員傷亡甚至毀壞礦井。為了遏制礦井瓦斯發(fā)生爆炸或者減少其帶來的危害，需要進一步了解瓦斯爆炸和煤塵之間的關(guān)系，以期減少煤礦人員傷亡和經(jīng)濟損失。

長期以來，煤礦瓦斯爆炸事故是最嚴(yán)重的礦井災(zāi)害事故，并且發(fā)生頻繁。與大多數(shù)其他工業(yè)國家一樣，我國一直致力于瓦斯災(zāi)害事故防治方面的工作。國內(nèi)外眾多學(xué)者利用理論研究、實驗研究、數(shù)值模擬研究瓦斯爆炸災(zāi)害事故，得到了一些瓦斯爆炸和煤塵爆炸的相關(guān)參數(shù)規(guī)律[2-5]，但對于沖擊波在爆炸管網(wǎng)中的傳播規(guī)律研究文獻(xiàn)較少。

筆者在實驗條件下，通過研究純瓦斯爆炸和有不同煤塵種類參與的瓦斯氣樣爆炸的沖擊波規(guī)律，了解煤塵對于瓦斯爆炸沖擊波超壓的主要影響，以期為煤礦瓦斯爆炸的防治和事故分析以及安全生產(chǎn)提供幫助。

1　實驗系統(tǒng)與方案

瓦斯-煤塵爆炸檢測實驗系統(tǒng)，可以進行瓦斯爆炸、煤塵爆炸、瓦斯-煤塵爆炸以及擴散管路的煤塵引燃和引爆四大類爆炸實驗。整個系統(tǒng)由三部分配合運作，其中有高能點火系統(tǒng)、揚塵配氣系統(tǒng)和高速動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)(包括壓力采集和火焰速度采集)。這三大系統(tǒng)配合爆炸腔體和爆炸傳播管道，可以實現(xiàn)更多的不同爆炸實驗，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　瓦斯、煤塵爆炸檢測實驗系統(tǒng)

Fig. 1Gas and coal dust explosion experimental system

利用瓦斯-煤塵爆炸系統(tǒng)，通過配氣進行甲烷-空氣混合爆炸的實驗，得出在爆炸界限范圍內(nèi)的混合氣體在燃爆腔體及擴散管路中的沖擊波超壓規(guī)律。選取三種煤樣，利用破碎機和篩煤機將煤樣進行破碎和篩選，得到小于0.18 mm的煤塵，然后對不同煤塵進行煤塵工業(yè)分析得到灰分、水分、揮發(fā)分等。

按照實驗操作步驟進行相關(guān)設(shè)置，包括點火電壓和配氣過程。在燃爆容器、爆炸擴散管路上共安裝六支壓力傳感器，如圖2所示。1～6號為壓力傳感器，沿爆炸腔體和爆炸管道布置，依次距點火端的距離d為50、225、375、440、515、590 cm，第一個壓力傳感器位于燃爆腔體內(nèi)部，為觸發(fā)傳感器。

圖2　傳感器安裝位置示意

2　氣體爆炸反應(yīng)機理

氣體爆炸包含定壓燃燒、定容燃燒、爆燃、爆轟四種基本形式[6]，其中爆燃是可以產(chǎn)生壓力沖擊波的劇烈燃燒過程。通常以兩波三區(qū)結(jié)構(gòu)作為模型，具體情況如圖3所示。

e比熱力學(xué)能; p壓力; ρ密度; u粒子速度;

由圖3可見，前驅(qū)沖擊波陣面和隨后傳播的火焰陣面在瓦斯爆炸水平管道內(nèi)將爆炸波分成三個流場區(qū)域，即兩波三區(qū)結(jié)構(gòu)。已燃區(qū)內(nèi)的氣樣點燃后迅速形成高溫高壓氣體，并沿管道水平方向快速運動。燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體與未燃燒區(qū)內(nèi)氣體進行能量交換，形成帶有波動效應(yīng)的前驅(qū)沖擊波。由于前驅(qū)沖擊波的速度大于火焰陣面速度，故燃燒波陣面在受前驅(qū)沖擊波擾動的爆炸反應(yīng)區(qū)內(nèi)進行傳播。

3　實驗結(jié)果

3.1甲烷與空氣混合爆炸

根據(jù)實驗方案的初始條件，在爆炸腔體內(nèi)配置體積分?jǐn)?shù)m為6%、8%、9.5%、11%、13%的甲烷、空氣混合氣樣進行爆炸實驗。根據(jù)壓力傳感器測得的數(shù)據(jù)匯總，統(tǒng)計值見表1，超壓分布規(guī)律見圖4。

表1不同氣樣爆炸各測點超壓統(tǒng)計值

Table 1Statistic values of measured points in different concentrations of gas explosion

測點爆炸超壓/MPa6.0%8.0%9.5%11.0%13.0%10.48000.75310.97590.70050.674120.45160.71900.89630.65330.637630.50130.76700.93200.69010.683040.47660.74590.90950.64710.602550.46680.72820.88610.60580.527160.44350.70010.86580.54950.4339

圖4　不同氣樣超壓峰值分布規(guī)律

Fig. 4Peak distribution of gas pressure at different concentrations

3.2加不同煤塵后氣樣爆炸實驗

實驗使用三種不同煤塵，分別編號為1、2、3，工業(yè)分析具體數(shù)據(jù)如表2。實驗時使用的煤塵體積分?jǐn)?shù)為350 g/m3。

表2　不同煤樣的工業(yè)分析

當(dāng)加入煤塵后，依次進行6%～13.0%的煤塵和氣樣混合爆炸，在為6.0%、8.0%、9.5%、13.0%時，氣樣爆炸正常，但在體積分?jǐn)?shù)為13.0%時,氣樣已經(jīng)不能正常發(fā)生爆炸現(xiàn)象，其爆炸沖擊波壓力規(guī)律和無煤粉時相似，均為先增大后減小，在體積分?jǐn)?shù)9.5%時，達(dá)到最大。根據(jù)傳感器獲得的電數(shù)據(jù)和換算公式得出具體數(shù)據(jù)，見表3,氣樣爆炸超高壓曲線見圖5。

表3加入1號煤樣不同氣樣爆炸各測點超壓統(tǒng)計值

Table 3Statistic values of measured points in different concentrations of gas explosion

測點爆炸超壓/MPa6.0%8.0%9.5%11.0%10.71190.85741.48450.845920.68950.82701.34890.812230.73670.89431.65680.857940.70590.86731.53660.838150.67160.83971.32570.815960.65130.80711.15900.7957

圖5　加1號煤粉的氣樣爆炸超壓曲線

Fig. 5Pressure curve of the first pulverized coal gas explosion

加入No.2煤樣后，在濃度為有煤塵參與4%～13%的氣樣均可以正常爆炸，而無煤塵時在4%的氣樣濃度不能爆炸，因而氣樣的爆炸上下限發(fā)生變化，在體積分?jǐn)?shù)為9.5%時沖擊波壓力達(dá)到最大，具體數(shù)據(jù)見表4，瓦斯爆炸超壓曲線見圖6。

表4加入2號煤樣各測點超壓統(tǒng)計

Table 4Statistic values of measured points in different concentrations of gas explosion

測點爆炸超壓/MPa4.0%6.0%8.0%9.5%11.0%13.0%10.42240.59740.79151.39950.80150.691520.41000.54040.76331.26800.78160.651630.45740.60800.79841.55760.81800.718040.41660.54880.77711.47900.80110.687150.39950.50420.75161.14790.77990.659960.37580.48180.72090.89630.75920.6292

Fig. 6Pressure curve of second pulverized coal gas explosion

當(dāng)加入3號煤塵后，在體積分?jǐn)?shù)為13.0%時加煤塵氣樣已經(jīng)不能正常發(fā)生爆炸現(xiàn)象，其爆炸沖擊波壓力規(guī)律和無煤粉時相似，都是先增大后減小在9.5%體積分?jǐn)?shù)時達(dá)到最大。具體數(shù)據(jù)見表5和圖7。

表5　加入3號煤樣不同氣樣爆炸各測點超壓統(tǒng)計Table 5　Statistic values of measured points in different concentrations of gas explosion

圖7　加3號煤粉后瓦斯爆炸超壓曲線

Fig. 7Pressure curves of third pulverized coal gas explosion

加煤粉后超壓平均值與瓦斯、空氣混合爆炸超壓均值對比,見圖8。

圖8　加煤塵與無煤塵氣樣爆炸超壓均值對比

Fig. 8With coal dust and coal dust free gas explosion overpressure mean contrast curve

4　結(jié)果分析

加入煤塵后爆炸超壓明顯上升，但變化規(guī)律和純瓦斯、空氣混合爆炸的超壓規(guī)律相似，都是隨著體積分?jǐn)?shù)的增加先增大后減小，這三種加入煤塵后的爆炸超壓明顯大于無煤塵時的爆炸超壓，煤粉對增大瓦斯爆炸超壓總體起到促進作用。加入3號煤粉的氣樣爆炸超壓大于加入1號煤粉，加入1號煤粉的超壓大于2號的煤粉超壓，對比分析三種煤粉的灰分、揮發(fā)分、水分發(fā)現(xiàn)，在爆炸超壓的增大上，揮發(fā)分起到主導(dǎo)作用，揮發(fā)分大的煤粉更容易產(chǎn)生更大的爆炸超壓(如實驗中的煙煤)。在燃爆腔體內(nèi)、擴散管道中瓦斯爆炸反應(yīng)強度及傳播規(guī)律受管道內(nèi)壁光滑程度、可燃?xì)怏w濃度、反射波正反饋作用、管道長度、點火能量大小、點火位置等綜合因素影響，管道內(nèi)氣體爆炸超壓峰值呈波動性變化，爆炸超壓的峰值并非出現(xiàn)在燃爆腔體內(nèi)，而是出現(xiàn)在距離點火點第三個壓力傳感器位置(d為375 cm)。

加入煤粉后對甲烷、空氣混合爆炸的界限有一定影響，由圖6中加入2號煤塵出現(xiàn)4.8%的濃度氣樣也能發(fā)生爆炸(正常實驗爆炸體積分?jǐn)?shù)為5.0%～15.0%)，并且在加入1號和3號煤塵之后在11.0%體積分?jǐn)?shù)之后(13.0%左右)氣樣不能正常爆炸(對異常實驗進行相同條件五次重復(fù)爆炸)，由此可以看出煤塵能夠明顯改變瓦斯爆炸上下限。

5　結(jié)　論

(1)加入煤塵后爆炸超壓明顯上升，但變化規(guī)律和純甲烷、空氣混合爆炸的超壓規(guī)律相似，均隨著濃度的增加先增大后減小。在爆炸超壓的增大上，揮發(fā)分起到主導(dǎo)作用，揮發(fā)分大的煤粉容易產(chǎn)生更大的爆炸超壓。

(2)有煤粉參與的氣樣爆炸，其揮發(fā)分、灰分和水分能夠明顯改變瓦斯爆炸上下限，煤粉中的揮發(fā)分和灰分對氣樣的影響更大。

[1]李國禎, 李希建, 劉玉玲. 礦井瓦斯爆炸與預(yù)防[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保, 2011(6): 36-38.

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(編輯徐巖)

Experimental study on effect of coal dust on gas explosion shock wave

ZHANGYingxin,LIShichao

(School of Safety Engineering, Heilongjiang University & Science of Technology, Harbin 150022, China;)

This paper seeks to delve deeply into the effects of coal dust on gas explosion shock wave. The study provides an insight into the law underlying the propagation of shock wave in the explosion pipelines when it comes to the explosion overpressure, using the gas-coal dust explosion experiment system, gas and air mixture explosion, and dust, methane and air mixture explosion experiment. The research finds that the presence of coal dust contributes to an increase in gas explosion overpressure, coupled with an initial increase and subsequent decrease in explosion pipelines, and is responsible for a change in the upper limit and lower limit of the gas explosion. The comparison of the coal sample indicates that the larger volatile matter is more likely to produce agreater explosion overpressure.

gas explosion; shock wave overpressure; explosion pipeline

2016-06-01

國家自然科學(xué)基金項目(50904026)

張迎新(1978-),男,黑龍江省海倫人,副教授,博士研究生,研究方向：礦井通風(fēng)、瓦斯災(zāi)害及防治,E-mail:zhangyingxin01@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.04.008

TD713.1

2095-7262(2016)04-0387-04

A