， ，

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實驗室——省部共建國家重點(diǎn)實驗室培育基地，河南 焦作 454000)

煤巷瓦斯爆炸是礦山安全生產(chǎn)所面臨的主要危害之一[1]。瓦斯爆炸時會產(chǎn)生三個致命的因素：火焰鋒面、沖擊波和井巷大氣成分的變化?；鹧驿h面好像沿巷道運(yùn)動的活塞一樣，把甲烷-空氣混合氣體收集起來并點(diǎn)燃，火焰鋒面通過時，可使人的衣服被扯下來，造成大面積皮膚的深度燒傷、呼吸器官甚至食道和胃的粘膜燙傷引燃巷道的可燃物造成二次性災(zāi)害—火災(zāi)[2]。獨(dú)頭巷道在掘進(jìn)工作中不斷涌出的瓦斯造成了潛在的危險，其瓦斯爆炸發(fā)生的可能性及造成的危害往往較大。瓦斯爆炸的影響因素錯綜復(fù)雜，其中點(diǎn)火位置對于瓦斯爆炸具有極大的影響[3-5]。

近年來國內(nèi)學(xué)者對于點(diǎn)火位置對獨(dú)頭巷瓦斯爆炸火焰鋒面參數(shù)開展了相關(guān)的研究。馮長根等人運(yùn)用AutoReaGas爆炸仿真模擬器研究了獨(dú)頭巷道中點(diǎn)火位置對瓦斯爆炸后果的影響表明，爆炸靜態(tài)超壓隨著距離的增加而減小，爆炸動壓隨著距離的增大而增大；點(diǎn)火位置對爆炸后果有重要影響，點(diǎn)火位置離閉口端越近，各個測點(diǎn)上所得到的超壓越大[6]。解北京等研究了瓦斯爆炸管道內(nèi)有無障礙物 火焰鋒面參數(shù)的影響，障礙物存在導(dǎo)致火焰鋒面的最高溫度略有降低，離子電流強(qiáng)度增大且出現(xiàn)了明顯的雙峰值，加速了燃燒轉(zhuǎn)爆轟的過程[7]。羅振敏等測試了在管道點(diǎn)火端封閉，另一端用薄膜弱封閉的實驗，其結(jié)果表明瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑ビ幸粋€突變過程，瓦斯?jié)舛仍酱螅_(dá)到突變的時間越短[8，9]。X HE等利用高速攝像和紋影技術(shù)、精細(xì)熱電偶和離子探針對丙烷-空氣混合物在90°彎管內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律就行了研究，在實驗中觀察到了特殊的郁金香火焰形成，在轉(zhuǎn)彎處，火焰尖端在管道下部較快速地前進(jìn)，火焰前部向軸向延伸，發(fā)生了穩(wěn)流火焰向湍流火焰的轉(zhuǎn)變[10]。

對于不同點(diǎn)火位置獨(dú)頭巷瓦斯爆炸，同時測試瓦斯爆炸火焰鋒面溫度、速度和離子電流強(qiáng)度等參數(shù)的研究比較少。因此，本文目的是采用溫度信號、光電信號及離子電流信號傳感器對火焰鋒面溫度、速度和離子電流強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行測試，分析點(diǎn)火位置對獨(dú)頭巷瓦斯爆炸火焰鋒面參數(shù)的影響。以期對礦井瓦斯爆炸機(jī)理研究有所裨益，對礦井瓦斯爆炸的防治有所幫助。

1 實驗設(shè)備及裝置

采用自行設(shè)計搭建的透明瓦斯爆炸實驗裝置系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)包括瓦斯爆炸方形透明管道，采集記錄裝置，點(diǎn)火裝置，氣源，火焰光信號、溫度信號和離子電流信號傳感器。

1-4—熱電偶；5-8—離子探針；9-14—光電傳感器；15—第二截面點(diǎn)火處；16—點(diǎn)火電極(閉口終端點(diǎn)火處)；17—點(diǎn)火裝置；18—甲烷氣瓶；19—定容裝置；20—采集記錄裝置圖1 實驗裝置圖

實驗中在同一截面均安裝了熱電偶、離子探針和光電傳感器三種傳感器，分別測試火焰陣面溫度、傳播速度和化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度變化。具體傳感器的位置如下：管道距離右端200mm、400mm、600mm、800mm處分別定義為第一、第二、第三和第四截面，其中每一截面有三個傳感器：熱電偶和離子探針分別從管道的兩側(cè)深入管道內(nèi)部，光電傳感器附著在管道上側(cè)壁面，9、14號光電傳感器分別布置在管道的兩端。在安裝離子探針和熱電偶時，熱電偶的接點(diǎn)和離子探針的探測部位保持在同一平面上，其放置的俯視圖，如圖2所示。

圖2 熱電偶和離子探針布置俯視圖

瓦斯爆炸方形管道：為全透明的有機(jī)玻璃管道，長1000mm，橫截面80mm×80mm，壁厚15mm。為模擬獨(dú)頭巷道，其中管道右端封閉，點(diǎn)火時管道左端出口，采用塑料薄膜弱封閉。

采集記錄裝置：該實驗使用HIOKI 8826存儲記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，該記錄儀具有32個完全隔離通道，可同時進(jìn)行采樣率為1ms/s的高速波形采樣測量，提供了多種輸入單元，可用于各種類型的信號測量。

點(diǎn)火裝置：采用的型號為SFK—300型發(fā)爆器，引爆能力為工業(yè)電雷管200發(fā)(外線電阻總值≤680Ω，連接方式：串并聯(lián))，輸出電壓峰值可達(dá)2000V，為強(qiáng)點(diǎn)火形式。

火焰光信號傳感器：采用光敏二極管模塊，可以檢測周圍環(huán)境的亮度和光強(qiáng)度，方向性較好可以感知固定方向的光源，尋光效果好。

溫度信號傳感器：采用0.11mm線徑的K型鐵氟龍極細(xì)熱電偶，瞬時測溫范圍為0～1300℃，記錄時采用HIOKI 8937溫度/電壓模塊。

離子電流信號傳感器：自制的離子電流信號傳感器采用屏蔽信號線的兩芯作為電極，直徑為1mm，兩者間距近似為1cm，保持兩電極在同一水平高度。

2 實驗結(jié)果分析

管道內(nèi)充入自行配置的濃度為9.5%的甲烷—空氣預(yù)混氣體，點(diǎn)火位置分別選在閉口端的中心和距離管道閉口端200mm、400mm、600mm、800mm的第一、二、三、四截面的上方5個位置，帶螺紋的點(diǎn)火電極長40mm確保點(diǎn)火處在管道截面的中心位置。測試了在閉口端與各截面處5種不同位置進(jìn)行點(diǎn)火情況下，各截面處瓦斯爆炸火焰鋒面溫度、離子電流強(qiáng)度和光電信號的變化。

2.1 點(diǎn)火位置對火焰溫度的影響

不同位置點(diǎn)火時火焰鋒面在各截面的溫度變化情況，如圖3所示。

圖3 不同位置點(diǎn)火時各截面測點(diǎn)溫度曲線

管道內(nèi)預(yù)混氣體爆炸所達(dá)到的峰值溫度是衡量火焰破壞程度的主要參數(shù)之一。由圖3可知，閉口終端點(diǎn)火時火焰?zhèn)鞑ミ^程中第一、第二、第三和第四截面處熱電偶測的峰值溫度依次為：592K、572K、613K和623K。由于實驗條件所限，采用的細(xì)熱電偶屬于接觸式測溫元件，測溫點(diǎn)大小和火焰接觸時間共同決定了溫度上升速率和最高幅值，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，存在著熱滯后效應(yīng)，最高溫度明顯低于瓦斯爆炸火焰理論溫度[11]，但各測點(diǎn)溫度變化趨勢可以反映相對位置處火焰的溫度場變化。預(yù)混氣體高壓脈沖點(diǎn)火爆燃后溫度迅速升高，火焰?zhèn)鞑ミ^程中充分燃燒需要一定的時間，所以火焰?zhèn)鞑サ降诙孛鏈囟瘸霈F(xiàn)了輕微的下降，但隨著火焰的持續(xù)傳播，后方已燃?xì)怏w產(chǎn)生的溫度對前方未燃?xì)怏w有促進(jìn)作用，燃燒更加充分使得第三、第四截面溫度不斷增高。

在第一、二、三、四截面處點(diǎn)火時，點(diǎn)火處的溫度很高，分別為911K、946K、960K、1082K，由于高壓脈沖點(diǎn)火后，火源引爆瓦斯到形成明顯的、大強(qiáng)度的火焰?zhèn)鞑サ臅r間約為10～30ms，使得點(diǎn)火處燃燒更為充分，熱量具有一定的積累；火焰向開口端傳播過程中溫度下降較快，向閉口端傳播時速度較慢燃燒較為充分，所以第二截面處點(diǎn)火時，在距離點(diǎn)火位置均是200mm的第一截面和第三截面，第一截面比第三截面的溫度高161K；在第四截面點(diǎn)火時，距離點(diǎn)火位置均是200mm的第二截面比第四截面溫度高77K。在第三、四截面處點(diǎn)火時，火焰向閉口端傳播過程中溫度有降低的趨勢，這是由于火焰向閉口端傳播過程中，火焰鋒面被沖擊波反向沖擊，而且鋒前未燃混合氣體依次經(jīng)歷被火焰鋒面壓縮—反向拉伸—再壓縮的過程，使得預(yù)混氣體中甲烷的體積分?jǐn)?shù)被稀釋、減少，導(dǎo)致火焰鋒面溫度降低[12]。

2.2 點(diǎn)火位置對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

不同位置處點(diǎn)火時，各測點(diǎn)間火焰平均速度情況，見表1。從采集到的光電傳感器的數(shù)據(jù)曲線可知火焰光到達(dá)相鄰截面處的時間，由于每個截面處的位置是一定的，可算出相鄰截面的平均速度。

表1 測點(diǎn)間火焰平均速度 m/s

由表1可知，不同位置處點(diǎn)火時，火焰向兩個方向傳播時的速度有較大的差異，向開口端傳播的速度是向閉口端傳播的速度的20倍左右；火焰向開口方向傳播過程中的速度均在出口處達(dá)到最大值，閉口終端處、第一截面處點(diǎn)火火焰向開口方向傳播過程中，火焰?zhèn)鞑ニ俣染尸F(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢，在出口處的速度分別達(dá)到33.33m/s、28.57m/s，閉口終端點(diǎn)火時管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑サ恼w速度大于第一截面處點(diǎn)火時傳播的速度，第二截面處點(diǎn)火時火焰向開口端傳播的整體速度亦小于第一截面處點(diǎn)火時傳播的速度；火焰向閉口方向傳播過程中的速度均較小，這是由于火焰鋒面向閉口端傳播時會受到很大的壓力，壓力波在傳播到端頭后不斷產(chǎn)生的反射壓力波會降低火焰?zhèn)鞑サ乃俣?；隨著燃燒產(chǎn)生的氣體迅速膨脹使得速度升高，所以第二、三、四截面處點(diǎn)火時向閉口端傳播過程中速度均有逐漸增加的趨勢，在閉口端的速度分別為0.89m/s、1.43m/s、2.16m/s。

2.3 點(diǎn)火位置對火焰離子強(qiáng)度的影響

不同位置點(diǎn)火時火焰鋒面在各截面的離子電流信號變化情況，如圖4所示。采用自制的離子探針探測預(yù)混氣體燃燒產(chǎn)生的H+、OH-和CH3-等中間離子，分析火焰的基本結(jié)構(gòu)及燃燒反應(yīng)特性，高離子密集區(qū)域一般位于反應(yīng)區(qū)偏向燃燒產(chǎn)物的一側(cè)，離子電流的脈動可以反映反應(yīng)區(qū)的火焰特征。

圖4 不同位置點(diǎn)火各截面測離子電流信號變化曲線

由圖4(a)、(b)可見，在閉口終端處點(diǎn)火時各截面離子電流峰值依次為0.22μA、0.35μA、0.17μA和0.38μA，第一截面處各截面離子電流峰值依次為0.19μA、0.09μA和0.34μA，離子電流峰值的大小可以表征火焰燃燒核心區(qū)的反應(yīng)強(qiáng)度，可知閉口終端處點(diǎn)火時各截面火焰燃燒強(qiáng)度先增大再減少再增大，第一截面處點(diǎn)火時第二、三、四截面火焰燃燒強(qiáng)度先減少再增大，變化趨勢均與其火焰?zhèn)鞑サ乃俣任呛?；各截面離子電流曲線在觸發(fā)上升到峰值這段時間比較平滑陡峭，從峰值下降的過程中較為緩慢且有一定程度的波動，這是由于火焰燃燒核心區(qū)經(jīng)過劇烈燃燒后，火焰尾部的甲烷形狀不規(guī)則，使離子電流信號在下降過程中存在波動[13]。

由圖4(c)、(d)、(e)可知，火焰向兩個方向傳播，第二截面處點(diǎn)火時，第一截面和第三截面的離子探針觸發(fā)時間差為377ms；第三截面處點(diǎn)火時，第二截面和第四截面的離子探針觸發(fā)時間差為489ms，第四截面的離子電流曲線有明顯的雙峰值；火焰向閉口端傳播過程中各截面離子電流峰值較小，說明火焰向開口端傳播比向閉口端傳播更劇烈，離子電流曲線出現(xiàn)明顯的震蕩，這是由于火焰向閉口端傳播過程中速度較小，受到反向壓力波的作用鋒前未燃混合氣體依次經(jīng)歷被火焰鋒面壓縮—反向拉伸—再壓縮，使得離子電流曲線出現(xiàn)不同程度的震蕩。

由于離子電流半峰寬度可以表征火焰反應(yīng)區(qū)厚度[14-16]，即火焰燃燒反應(yīng)區(qū)厚度δ可以表示為：

δ=Vf×△t

(1)

式中，Vf為瞬時火焰?zhèn)鞑ニ俣?，m/s；△t為離子電流曲線半峰寬度。

2.4 實驗結(jié)果分析

上述結(jié)果可見，不同點(diǎn)火位置對獨(dú)頭巷道瓦斯爆炸火焰鋒面參數(shù)會呈現(xiàn)不同的傳播特征，對于進(jìn)一步認(rèn)為巷道瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律和井下掘進(jìn)巷道瓦斯爆炸阻隔爆和抑爆措施均有一定參考價值。由掘進(jìn)頭(閉口端)火源導(dǎo)致的瓦斯爆炸火焰易快速向出口(開口端)傳播，此類事故應(yīng)重點(diǎn)考慮采用隔爆水棚等阻隔爆措施防止災(zāi)害進(jìn)一步擴(kuò)大；由出口端火源導(dǎo)致的瓦斯爆炸火焰溫度高，向掘進(jìn)頭傳播速度慢，此類事故應(yīng)采用平時勤灑水的方式沿途吸熱，減少火焰熱輻射對人體的傷害強(qiáng)度；而由于獨(dú)頭巷中部火源產(chǎn)生的瓦斯爆炸呈現(xiàn)出一部分快速向出口傳播，一部分緩慢向掘進(jìn)頭傳播的復(fù)雜特征，一旦發(fā)生危害較大、防治困難，應(yīng)平時重點(diǎn)沿途檢查控制火源，減少此類現(xiàn)象發(fā)生幾率，從源頭上控制。

3 結(jié) 論

1)閉口終端點(diǎn)火時，火焰鋒面向開口端傳播過程中各截面的溫度先減小后增大，在第四截面處溫度最高達(dá)到623K；距離閉口終端200mm、400mm、600mm、800mm處點(diǎn)火時，火焰?zhèn)鞑ミ^程中點(diǎn)火處的溫度均最高，火焰向閉口端傳播過程中溫度有逐漸降低的趨勢。

2)不同位置點(diǎn)火時，火焰向開口端傳播速度是閉口端傳播速度的20倍左右；閉口終端處、距離閉口終端200mm處點(diǎn)火火焰向開口方向傳播過程中，火焰?zhèn)鞑ニ俣染尸F(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢；距離閉口終端400mm、600mm、800mm處點(diǎn)火火焰向閉口方向傳播過程中，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小，但有逐漸增大的趨勢。

3)不同位置點(diǎn)火時，各截面離子電流峰值的變化趨勢與火焰?zhèn)鞑サ乃俣然疚呛?，說明火焰向開口端傳播比向閉口端傳播更劇烈；火焰向閉口方向傳播時由于受到方向壓力波的作用，離子電流曲線出現(xiàn)明顯的震蕩。