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        管道內(nèi)置障條件下瓦斯爆炸傳播規(guī)律的綜述及展望*

        2018-01-02 11:56:53劉振乾屈英杰王孟飛
        安全 2018年7期
        關(guān)鍵詞:傳播速度障礙物火焰

        劉振乾 屈英杰 王孟飛

        中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院

        我國95%的煤炭生產(chǎn)是井工開采,煤礦生產(chǎn)過程中的事故災(zāi)害有瓦斯爆炸、頂板塌陷、火災(zāi)、水災(zāi)、煤塵爆炸5大災(zāi)害;而在煤礦事故中,瓦斯爆炸事故發(fā)生頻率最高,造成的災(zāi)害最嚴(yán)重,占煤礦總事故的30%以上[1]。煤礦瓦斯爆炸嚴(yán)重限制礦井的生產(chǎn),造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡。煤礦瓦斯爆炸經(jīng)常發(fā)生在存在障礙物群(如通風(fēng)設(shè)備、機(jī)械設(shè)備、測試儀器、各種管道、隧道支架、礦井風(fēng)門等)的巷道中,而障礙物對煤礦瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑ゼ氨ǔ瑝旱绕渌碚鞅ㄆ茐哪芰Φ膮?shù)有重要影響。大量的研究表明,障礙物的存在對瓦斯爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣染哂酗@著的激勵作用,障礙物的存在導(dǎo)致瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O大地增加,形成更強(qiáng)烈的爆炸超壓。掌握障礙物對瓦斯爆炸的影響,對維護(hù)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全具有重要的作用,故對管道內(nèi)置障條件下瓦斯爆炸傳播規(guī)律的研究有重要意義[2]。

        1 瓦斯爆炸傳播機(jī)理分析

        在瓦斯爆炸機(jī)理方面,國內(nèi)外許多學(xué)者都對于預(yù)混瓦斯氣體爆炸的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究。他們提出瓦斯燃燒和爆炸是一種復(fù)雜的物理化學(xué)過程,是熱爆炸和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理綜合作用的結(jié)果,兩者相互促進(jìn),從而使甲烷的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)持續(xù)進(jìn)行下去[3]。

        礦井巷道中瓦斯爆炸絕大多數(shù)都可分為爆燃和爆轟2個(gè)階段。在爆炸初期,爆炸是以爆燃波的形式向前傳播,這時(shí)也會形成較大破壞作用的爆炸沖擊波,隨著可燃?xì)怏w的完全反應(yīng),爆燃波演變?yōu)楸Z波,最后衰減為聲波[4]。爆燃是一種帶有壓力波的燃燒;當(dāng)燃燒陣面后邊界有約束或障礙時(shí),燃燒產(chǎn)物建立起一定的壓力,波陣面兩側(cè)就建立起一個(gè)壓力差,形成壓力波,并以當(dāng)?shù)芈曀傧蚯皞鞑ァS捎趬毫Σ▊鞑ニ俣缺热紵嚸婵?在燃燒陣面之前,因此也叫前驅(qū)沖擊波;氣體爆炸一般由前驅(qū)壓力波和燃燒陣面構(gòu)成典型的“兩波三區(qū)”結(jié)構(gòu)[5]。對于瓦斯爆炸來說,爆燃過程產(chǎn)生的危害不大,而一旦形成爆轟,其破壞作用大大增強(qiáng),對爆燃轉(zhuǎn)爆轟過程(DDT)的研究具有實(shí)際意義。

        2 障礙物對瓦斯爆炸傳播規(guī)律的研究

        在實(shí)際情況中,煤礦瓦斯爆炸多發(fā)生在像通風(fēng)設(shè)備、機(jī)械設(shè)備、測試儀器、各種管道、隧道支架、礦井風(fēng)門、隔板及其類似物的障礙物存在的地方。而障礙物的存在對瓦斯爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣染哂酗@著的激勵作用[6]。障礙物對氣流和火焰的擾動會導(dǎo)致加速形成湍流現(xiàn)象,從而火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O大地增加,形成更為強(qiáng)烈的爆炸超壓[7];障礙物的存在使爆炸波受到阻塞,火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆偬岣?,爆炸波的傳播曲線變化幅度增大,很有可能出現(xiàn)爆炸波的突變界面和馬赫數(shù)Ma≥1的現(xiàn)象,可能誘導(dǎo)激波的產(chǎn)生[8];當(dāng)激波產(chǎn)生后,會加強(qiáng)對附近構(gòu)筑物及巷道的破壞作用,從而產(chǎn)生更大的事故,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡 。

        2.1 障礙物的數(shù)量對瓦斯爆炸傳播的影響

        在管道瓦斯爆炸傳播過程中,障礙物數(shù)量對瓦斯爆炸壓力具有明顯的激勵效應(yīng),而且障礙物數(shù)量越多,對瓦斯的激勵作用就越明顯,對火焰的擾動就越明顯[9]。隨著障礙物數(shù)量的增多,瓦斯爆炸壓力也相應(yīng)增大,峰值超壓增長也越快,而且距點(diǎn)火點(diǎn)越遠(yuǎn)的地方爆炸壓力越大,在管道末端處達(dá)到頂峰;隨著障礙物數(shù)量的增多,火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆僭龃螅鹧鎮(zhèn)鞑サ淖畲笏俣纫苍酱?,但到達(dá)最大火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臅r(shí)間減??;隨著障礙物數(shù)量的增多,火焰鋒面?zhèn)鞑サ淖畲缶嚯x增大,火焰波及范圍變大,但到達(dá)最大距離的時(shí)間變小[10]。

        2.2 障礙物的形狀對瓦斯爆炸傳播的影響

        障礙物的形狀對火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒆畲蟊▔毫妥畲蟊▔毫ι仙俾实挠绊懗潭仁遣煌腫11],其對最大瓦斯爆炸壓力影響效果較小,對火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c最大爆炸壓力上升速率的影響效果較大[12]。王成、回巖等利用實(shí)驗(yàn)研究表明:對于擋板、弓型、圓環(huán)型、四孔圓環(huán)平面障礙物而言,擋板障礙物的影響最為明顯,弓型次之,四孔圓環(huán)形影響最小,這是由于擋板障礙物阻塞部分位于管道的中央,導(dǎo)致氣流流動扭曲最強(qiáng),導(dǎo)致火焰形態(tài)產(chǎn)生褶皺和彎曲變形,使氣體產(chǎn)生的湍流效應(yīng)明顯,加速火焰的傳播;而弓型和圓環(huán)型障礙物放置在底部或邊緣,引起的湍流效應(yīng)相對較小,對最大氣體爆炸壓力上升速率影響相對較弱,四孔圓環(huán)障礙物由于孔數(shù)多、孔徑小,反射作用強(qiáng),導(dǎo)致能量損失增大,造成的影響效果最小[13]。

        2.3 障礙物的阻塞率對瓦斯爆炸傳播的影響

        障礙物的阻塞率對瓦斯爆炸壓力具有顯著影響。障礙物在同一結(jié)構(gòu)下,其阻塞程度在一定范圍內(nèi)與超壓峰值呈正比,而最顯著的超壓增加發(fā)生在阻塞率較低的情況下,不同阻塞程度所呈現(xiàn)的壓力峰值變化幅度不同。隨著障礙物阻塞率的增加,導(dǎo)致火焰的傳播速度加快,氣體爆炸壓力也相應(yīng)增大;但火焰的能量損失會隨著阻塞率的增加而增大,不利于火焰的傳播,當(dāng)單片障礙物的阻塞率為50%時(shí),激勵效果最顯著,瓦斯爆炸壓力也最大[11];而在障礙物的阻塞率達(dá)到70%左右時(shí),其最大壓力峰值超壓有減小的趨勢,火焰速度就不會增加,反而會下降,甚至可能導(dǎo)致火焰淬熄[14]。

        2.4 障礙物的位置對瓦斯爆炸傳播的影響

        障礙物的位置同樣影響著火焰加速,障礙物的位置會改變火焰與其接觸的時(shí)間點(diǎn),從而導(dǎo)致障礙物對瓦斯爆炸的影響存在一定的差異[15]。障礙物靠近點(diǎn)火點(diǎn)時(shí),所形成的湍流強(qiáng)度也相對較弱,而且隨著與障礙物距離的增大,導(dǎo)致能量發(fā)生較大的損失,火焰?zhèn)鞑ニ俣壬仙幻黠@,氣體爆炸超壓峰值較低;當(dāng)障礙物位于泄爆口時(shí),火焰到達(dá)障礙物的時(shí)間晚,層流傳播的時(shí)間較長,爆炸壓力上升速度緩慢,而此時(shí)氣體不斷向外排出,故造成的湍流效果不顯著,形成的氣體爆炸超壓峰值也相對較低;而當(dāng)障礙物位于中心時(shí),爆炸效果相對較強(qiáng),氣體爆炸超壓峰值也相對較高[16]。障礙物的存在對管道內(nèi)氣體爆炸超壓峰值的影響具有距離效應(yīng)[17]。

        2.5 障礙物的間距對瓦斯爆炸傳播的影響

        不同間距的障礙物對氣體爆炸波所引起的擾動以及疊加效果是不同的,瓦斯爆炸壓力隨著障礙物間距的增大而增大,但是隨著障礙物的間距的增大,瓦斯爆炸壓力增大的幅度逐漸變??;總體來說,與障礙物數(shù)量、阻塞率相比,障礙物間距對瓦斯爆炸壓力的影響效果是最小的[18]。隨著障礙物間距越大,瓦斯爆炸火焰的傳播速度呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢,較小間距的障礙物不利于火焰的增加,隨著障礙物間距的增大,火焰在障礙物之間的傳播距離也相應(yīng)增大,從而參與氣體爆炸反應(yīng)的氣體的量增大,導(dǎo)致氣體爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之增大。

        2.6 障礙物的結(jié)構(gòu)對氣體爆炸傳播的影響

        在礦井巷道中,不可避免的存在許多結(jié)構(gòu)的障礙物,這些障礙物有立體結(jié)構(gòu)障礙物與平面結(jié)構(gòu)障礙物,立體障礙物有:通風(fēng)設(shè)施、機(jī)械設(shè)備、測試儀器、車輛、管道、支架等;平面障礙物有礦井風(fēng)門、風(fēng)窗、隔板等。郭丹彤等利用流體力學(xué)軟件AutoReaGas模擬研究表明:障礙物在同一結(jié)構(gòu)下(即平面結(jié)構(gòu)、立體結(jié)構(gòu)),瓦斯爆炸的超壓峰值在一定的程度范圍內(nèi)與障礙物的阻塞率成正比,但在不同結(jié)構(gòu)障礙物下的壓力峰值變化幅度是不同的;在障礙物數(shù)量、位置、阻塞率、間距等一定的情況下,立體障礙物對爆炸壓力的影響程度大于平面障礙物[19]。

        3 問題與展望

        國外在氣體爆燃和爆燃轉(zhuǎn)爆轟的研究方面已經(jīng)取得了大量成果,國內(nèi)也進(jìn)行了一些研究,但是研究成果與國外相比仍存在明顯的差距。而且大多學(xué)者都是在均勻濃度工況下做的爆炸研究,對非均勻可燃?xì)怏w濃度分布條件下的爆炸研究相對較少,急需做進(jìn)一步的研究。針對目前國內(nèi)外瓦斯爆炸傳播研究現(xiàn)狀和存在問題,在今后可以將以下方面作為研究方向:

        (1)不同濃度梯度下的非均勻分布瓦斯爆炸傳播規(guī)律研究;不同濃度瓦斯爆炸產(chǎn)生的沖擊波、壓力是不同的,同理,在非均勻瓦斯分布的環(huán)境下,不同濃度下的瓦斯爆炸產(chǎn)生的壓力、沖擊波也會不同。因此為了科學(xué)準(zhǔn)確的研究出瓦斯的爆炸傳播規(guī)律,研究不同濃度梯度下的非均勻分布瓦斯爆炸傳播規(guī)律是很有必要的。

        (2)不同障礙物情況下的非均勻分布瓦斯爆炸傳播規(guī)律研究;障礙物可以提高火焰的傳播速度,使火焰加速甚至發(fā)生爆燃轉(zhuǎn)爆轟;障礙物的數(shù)量、位置、間距、阻塞率、形狀和結(jié)構(gòu)都能對瓦斯爆炸火焰速度與壓力造成不同程度的影響。因此障礙物對非均勻分布瓦斯爆炸傳播的影響是一個(gè)需要研究的問題。

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