張毓媛，張延松，2，劉 博

（1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590）

中國(guó)幾乎所有煤礦都是瓦斯礦井，高瓦斯礦井在大中型煤礦中占20.34%，在小型煤礦中占15%左右，在這些礦井中，瓦斯爆炸危險(xiǎn)普遍存在，不僅如此，低瓦斯礦井因管理不嚴(yán)格、制度不健全也成為事故多發(fā)礦井[1-5]。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)煤礦先后發(fā)生9起一次死亡百人以上的重特大事故，其中瓦斯煤塵爆炸占了8起。這些事故給企業(yè)或國(guó)家均造成了重大損失和惡劣的社會(huì)影響[6-9]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于瓦斯爆炸特性特別是瓦斯與其他氣體混合后的點(diǎn)火、傳播特性開展了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)瓦斯爆炸傷的病理和病理生理的研究也取得了一定的成果[10-14]，但是目前對(duì)于瓦斯爆炸特性與爆炸傷之間的關(guān)聯(lián)性缺少系統(tǒng)性的研究。通過對(duì)封閉式大長(zhǎng)徑比管道瓦斯爆炸特性的研究，分析不同體積和濃度下瓦斯壓力、溫度、火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律這3個(gè)爆炸特性及深入觀察小白鼠爆炸傷后各組織、器官的損傷特性，依據(jù)此來(lái)類推爆炸對(duì)人體的損傷機(jī)理，為減少瓦斯爆炸對(duì)人員傷亡提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)于可燃性氣體爆炸的實(shí)驗(yàn)研究多集中在密閉容器內(nèi)爆炸特征以及可燃?xì)怏w在管道內(nèi)的傳播特性特征研究[15-16]。在管道爆炸試驗(yàn)中，以管道形狀和特性、點(diǎn)火條件與濃度以及障礙物對(duì)爆炸的影響研究最為廣泛，為使爆炸達(dá)到爆轟條件，爆炸實(shí)驗(yàn)管道多為封閉式大長(zhǎng)徑比管道（圖1），選用這種管道可以模擬煤礦實(shí)際條件下在半封閉空間瓦斯積聚處由于各種點(diǎn)火因素引發(fā)的煤礦瓦斯爆炸事故。管道爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)管道、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及其他附屬裝置組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)管道及傳感器安裝位置

1）實(shí)驗(yàn)管道。實(shí)驗(yàn)管道直徑2 000 mm，長(zhǎng)29 m，分為實(shí)驗(yàn)段和起爆段2部分，由于只有起爆段需要填充可燃?xì)怏w，而實(shí)驗(yàn)段為空氣，因此采用厚度為0.025 mm的聚乙烯薄膜隔開氣體預(yù)混區(qū)和空氣區(qū)，且不會(huì)對(duì)沖擊波和火焰的發(fā)展過程產(chǎn)生影響[17]。起爆端體積大小根據(jù)封膜位置決定。管道壁上設(shè)置有壓力和火焰?zhèn)鞲衅靼惭b孔，實(shí)驗(yàn)中管道上布8個(gè)壓力傳感器和5個(gè)溫度傳感器，其位置如圖1。

2）配氣系統(tǒng)。配氣系統(tǒng)主要包括氣體罐（瓦斯罐）、循環(huán)泵、流量控制裝置、氣體濃度測(cè)定儀。

3）點(diǎn)火系統(tǒng)。點(diǎn)火系統(tǒng)主要由高能電火花能量發(fā)生器、點(diǎn)火電極等組成，可為實(shí)驗(yàn)提供不同能量的點(diǎn)火能，它具有能量范圍寬，能量值可調(diào)，能產(chǎn)生1 mJ～1 000 J能量火花放電的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)放電數(shù)據(jù)采集。

4）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括DH5923動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)（含配套的DHDAS信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)軟件）、火焰?zhèn)鞲衅?、溫度傳感器、壓力傳感器等?/p>

DH5923動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)配套的DHDAS信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)軟件是基于C語(yǔ)言編寫的，測(cè)量通道最多可達(dá)128個(gè)，具有很強(qiáng)的靈活性。該系統(tǒng)的采樣頻率范圍為10 Hz到128 kHz，完全可以滿足實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)量需要。

壓力傳感器為CYG系列固態(tài)壓阻壓力傳感器，在測(cè)試過程中通過自制前置放大器接入DH5923動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，傳感器量程為0.2 MPa，非線性為±0.08%，過載能力為200%?；鹧?zhèn)鞲衅魇褂锰刂频募t外線接收管來(lái)檢測(cè)火焰，然后把火焰的亮度轉(zhuǎn)化為高低發(fā)化的電平信號(hào)，此信號(hào)為無(wú)濾波信號(hào)，因此所測(cè)波形為非矩形波，火焰到達(dá)該點(diǎn)的時(shí)間以波形的第1次躍變?yōu)闇?zhǔn)[18]。溫度傳感器為紅外線性化溫度傳感器，其測(cè)溫范圍為400～2 000℃，測(cè)量精度為滿量程的±1%，響應(yīng)時(shí)間為67 ms，適于在0～60℃環(huán)境下使用。每個(gè)溫度的測(cè)點(diǎn)均布置在管道側(cè)壁的中間位置，熱電偶絲插入深度均為3 cm，與火焰?zhèn)鞲衅骱蛪毫鞲衅鞑贾迷诠艿赖耐粋€(gè)截面上，保證3類傳感器能夠一一對(duì)應(yīng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案及過程

實(shí)驗(yàn)選取6月齡健康SD小白鼠90只，體重（250±20）g。

為了探究不同瓦斯?jié)舛纫约安煌咚箙⑴c量條件下瓦斯爆炸特征，將對(duì)貧燃料瓦斯爆炸濃度（6%）、化學(xué)計(jì)量濃度（9.5%）以及富燃料瓦斯爆炸濃度（13%）下不同瓦斯體積（0.8～2.0 m3）進(jìn)行分組討論，共進(jìn)行6組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)均在距離管道開口3.5 m處放置10只6月齡健康SD小白鼠，SD小白鼠為大鼠的1個(gè)體系，這種品系的小白鼠生長(zhǎng)發(fā)育快，抗病能力強(qiáng)。爆炸后對(duì)損傷動(dòng)物的一般情況進(jìn)行觀察，主要觀察其精神狀態(tài)、體表燒傷情況、骨折情況、內(nèi)臟出血、死亡情況等。

實(shí)驗(yàn)所使用的甲烷氣體都是純度為99.999%的高純氣體，采用分壓法在點(diǎn)火端填充不同濃度的CH4-Air預(yù)混氣體，封膜長(zhǎng)度根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓情況下不同濃度及瓦斯量確定，很容易可以得出，封膜內(nèi)腔體積為13.3～20 m3，進(jìn)氣結(jié)束后關(guān)閉閥門，打開真空泵對(duì)管道內(nèi)的瓦斯混合氣體進(jìn)行不斷循環(huán)攪拌，使甲烷與空氣充分混合，并用高精度甲烷氣體濃度測(cè)量?jī)x測(cè)量?jī)啥撕椭虚g位置處的甲烷濃度，確保混合均勻。瓦斯?jié)舛扰浔纫姳?。

表1 瓦斯?jié)舛扰浔?/p>

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 瓦斯爆炸壓力變化特征

瓦斯點(diǎn)火以后即形成爆炸，幾乎是在爆炸發(fā)生的瞬間就轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏焊邷貭顟B(tài)的氣相爆炸產(chǎn)物，此氣體急劇膨脹并迫使周圍的空氣離開它原來(lái)占據(jù)的位置，迅速向外運(yùn)動(dòng)，于是在此氣體的前沿會(huì)形成壓縮空氣層，即空氣沖擊波。沖擊波壓力的大小主要是取決于爆炸所釋放的能量和距離爆源的距離。瓦斯爆炸壓力隨測(cè)點(diǎn)位置的變化規(guī)律如圖2。

圖2 瓦斯爆炸壓力隨測(cè)點(diǎn)位置的變化規(guī)律

總體上，瓦斯?jié)舛仍浇咏瘜W(xué)計(jì)量濃度9.5%，其爆炸壓力峰值越高，有偏差時(shí)，高濃度瓦斯爆炸比低濃度瓦斯爆炸威力更大，同濃度下，純瓦斯體積對(duì)爆炸壓力有一定影響，但是在實(shí)驗(yàn)條件中，其影響程度不及瓦斯?jié)舛取?/p>

在貧燃料瓦斯爆炸濃度（6%，純瓦斯體積為0.8 m3和1.2 m3）條件下，傳感器所反饋?zhàn)钚”ǔ瑝悍逯禐?.3 kPa，最大爆炸超壓峰值為23.7 kPa，隨著爆炸波的傳播，爆炸超壓峰值越來(lái)越小，且變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)。純瓦斯體積為1.2 m3的情況下，其爆炸超壓峰值高于純瓦斯體積為0.8 m3的情況。

化學(xué)計(jì)量濃度（9.5%，純瓦斯體積為1.2 m3和1.6 m3）條件下，傳感器所反饋?zhàn)钚”ǔ瑝悍逯禐?5.6 kPa，最大爆炸超壓峰值為59.8 kPa，隨著爆炸波的傳播，爆炸超壓峰值越來(lái)越小，且衰減速率較快。與貧燃條件類似，呈現(xiàn)出純瓦斯量越高，爆炸壓力峰值越大的現(xiàn)象。

富燃料瓦斯爆炸濃度（13%，純瓦斯體積為1.6 m3和1.8 m3）條件下。傳感器所反饋?zhàn)钚”ǔ瑝悍逯禐?6.7 kPa，最大爆炸超壓峰值為37.8 kPa，爆炸超壓峰值隨著爆炸波的傳播呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，一般情況下，純瓦斯量越高，爆炸壓力峰值越大，但是在臨近管道開口6 m處，出現(xiàn)了相反情況。

對(duì)于末端開口的管道，在點(diǎn)火后，由于瓦斯爆炸產(chǎn)生大量能量使氣體體積不斷膨脹并向外擴(kuò)張，當(dāng)壓力達(dá)到最大值后，管道內(nèi)開始呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，直至火焰全部沖出管道后，負(fù)壓達(dá)到最大值，周圍氣體又在負(fù)壓作用下向爆炸中心移動(dòng)，對(duì)爆炸產(chǎn)物進(jìn)行第1次壓縮使壓力不斷增加，在慣性的作用下會(huì)造成過度壓縮，從而使爆炸產(chǎn)物壓力大于初始?jí)毫?，壓力?huì)再一次上升，經(jīng)過若干次膨脹壓縮后停止，最終達(dá)到平衡。

2.2 火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律分析

需要注意的是，實(shí)驗(yàn)過程中，由于火焰?zhèn)鞲衅髋c壓力傳感器、溫度傳感器布置位置相同，所計(jì)算火焰速度為2個(gè)傳感器之間的平均速度，并非火焰達(dá)到某一點(diǎn)處的瞬時(shí)速度。火焰?zhèn)鞑ニ俣入S測(cè)點(diǎn)位置的變化規(guī)律如圖3。同時(shí)，從起爆到火焰達(dá)到第1個(gè)傳感器的平均速度記錄為第1個(gè)速度值。

圖3 火焰?zhèn)鞑ニ俣入S測(cè)點(diǎn)位置的變化規(guī)律

從圖3可以看出，在低長(zhǎng)徑比大型管道的整個(gè)瓦斯爆炸過程中，火焰?zhèn)鞑ニ俣染幱诩铀龠^程中，其變化速度根據(jù)瓦斯?jié)舛纫约凹兺咚沽康淖兓兓Ｔ谕咚贡ǔ跏茧A段，距離點(diǎn)火端較近處，燃燒化學(xué)反應(yīng)剛剛開始，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)和距離的不斷增大，燃燒反應(yīng)進(jìn)一步加快，放出大量的熱能，火焰處于加速階段，同時(shí)，由于瓦斯爆炸壓力及開口作用，使火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸掷m(xù)增大，一直到火焰面離開末端開口。在此過程中，管道壁面對(duì)火焰的冷卻作用未能顯現(xiàn)出來(lái)。在貧燃料瓦斯爆炸濃度條件下，2個(gè)測(cè)點(diǎn)最小平均速度為35 m/s，最高為142 m/s，且不同參爆瓦斯體積對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊戄^小。富燃料瓦斯爆炸濃度條件下，2個(gè)測(cè)點(diǎn)最小平均速度為55 m/s，最高為207 m/s，隨著燃燒過程不斷發(fā)展，瓦斯參爆體積對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懽兇?，這主要是富余瓦斯爆炸導(dǎo)致的?；瘜W(xué)計(jì)量濃度條件下，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?，初始平均速度便達(dá)到了94 m/s，最高為287 m/s，瓦斯參爆體積對(duì)火焰速度的影響也較大。

2.3 瓦斯爆炸溫度變化規(guī)律

3種濃度下不同體積瓦斯爆炸溫度曲線如圖4，在整個(gè)瓦斯爆炸過程中，由起爆端到末端開口出，溫度峰值先增加，達(dá)到最大值后，再減小。這是由于瓦斯爆炸后，開始由于燃燒反應(yīng)速度較慢，整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)的溫度較低，隨著燃燒反應(yīng)速度的進(jìn)一步加快，參與燃燒的瓦斯量增多，產(chǎn)生的熱量加大，溫度上升較大，當(dāng)參與燃燒的瓦斯量與各種熱損失達(dá)到一種平衡時(shí)，溫度達(dá)到最大值；后期，由于管道系統(tǒng)中的熱量損失，加之管道末端開口散熱，這種熱平衡被瞬間打破，導(dǎo)致管道臨近末端處溫度下降。在不同瓦斯?jié)舛燃巴咚贵w積條件下，上述趨勢(shì)又呈現(xiàn)出不同的情況。

圖4 3種濃度下不同體積瓦斯爆炸溫度曲線

在貧燃料瓦斯爆炸濃度條件下，傳感器所反饋?zhàn)钚囟确逯禐?19℃，最大溫度峰值為647℃，高瓦斯純量爆炸火焰溫度高于低瓦斯純量爆炸，靠近點(diǎn)火端位置，這種差別很小，在管道中間位置，差別達(dá)到最大，隨后由于開口散熱作用，這種差距又被拉小?？梢姡蜐舛韧咚贡l件下，火焰溫度受外界環(huán)境影響較大。

化學(xué)計(jì)量濃度條件下，傳感器所反饋?zhàn)钚囟确逯禐?43℃，最大溫度峰值為1 113℃，達(dá)到最大之后，最高溫度急劇下降，高瓦斯純量爆炸火焰溫度與低瓦斯純量爆炸相比，爆炸初期，由于爆炸已經(jīng)較為充分，差別不大，隨著火焰不斷發(fā)展，這種差距才慢慢顯示出來(lái)，在達(dá)到開口位置處，兩者的溫差達(dá)到最大值。

富燃料瓦斯爆炸濃度條件下。傳感器所反饋?zhàn)钚囟确逯禐?55℃，最大溫度峰值為1 022℃，一般來(lái)說(shuō)，高瓦斯純量爆炸火焰溫度高于低瓦斯純量爆炸，但是在火焰急速發(fā)展時(shí)期（第2溫度傳感器處），相差不大，在后期過程中，溫度差值基本穩(wěn)定在50℃左右。對(duì)比化學(xué)計(jì)量濃度條件，由于燃料的進(jìn)一步充分反應(yīng)，溫度峰值在靠近開口處下降較慢，以至于出現(xiàn)了參爆瓦斯體積對(duì)爆炸的影響程度高于瓦斯?jié)舛鹊那闆r。瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

2.4 末端動(dòng)物損傷分析

瓦斯爆炸傷害是一種特殊的受傷類型，其致傷機(jī)理復(fù)雜，以爆炸沖擊傷、減壓傷、機(jī)械性損傷、有害氣體吸入、缺氧窒息和高溫?zé)齻葥p害為主，易造成機(jī)體多系統(tǒng)傷害[19]。組織學(xué)觀察顯示，爆炸傷會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物體內(nèi)各個(gè)組織出血，主要表現(xiàn)為肺部和腦組織出血[20-22]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?.5%，瓦斯含量為1.6 m3時(shí)，爆炸壓力達(dá)到最大值59.8 kPa，爆炸溫度也達(dá)到最大值1 113℃，此時(shí)爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)小白鼠傷亡程度最大，高溫對(duì)小白鼠造成不同程度灼傷，死亡率達(dá)到6組最高值。在相同瓦斯?jié)舛认?，不同體積的瓦斯含量對(duì)小白鼠的傷亡也存在明顯差別，瓦斯含量較大時(shí)，沖擊波壓力對(duì)小白鼠的損傷程度相比低體積的瓦斯含量更為嚴(yán)重。

表2 瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，瓦斯?jié)舛仍浇咏瘜W(xué)計(jì)量濃度9.5%時(shí)，爆炸沖擊波對(duì)人體的損傷最嚴(yán)重。爆炸沖擊波對(duì)人體的傷亡主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：①爆炸沖擊波對(duì)人體內(nèi)臟器官的損傷，造成組織血腫、骨折等；②爆炸產(chǎn)生的高溫對(duì)人體皮膚的灼傷。無(wú)論是哪種類型的損傷對(duì)會(huì)給人體帶來(lái)嚴(yán)重的傷害，因此通過實(shí)驗(yàn)探究瓦斯爆炸規(guī)律特性，分析大型管道末端小白鼠的爆炸傷對(duì)各器官的損傷情況，對(duì)于預(yù)防瓦斯爆炸，及時(shí)處理治療爆炸對(duì)人員的損傷具有重要意義。

3 結(jié)論

1）在低長(zhǎng)徑比大型管道的整個(gè)瓦斯爆炸過程中，火焰?zhèn)鞑ニ俣染幱诩铀龠^程中，其變化速度根據(jù)瓦斯?jié)舛纫约凹兺咚沽康淖兓兓?/p>

2）高瓦斯純量爆炸火焰溫度高于低瓦斯純量爆炸，靠近點(diǎn)火端位置，這種差別很小，在管道中間位置，差別達(dá)到最大?？梢?，低濃度瓦斯爆炸條件下，火焰溫度受外界環(huán)境影響較大。

3）瓦斯爆炸壓力與火焰?zhèn)鞑ニ俣扔幸欢ǖ南嗷リP(guān)系，瓦斯爆炸壓力增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫苍龃?，且在同一時(shí)刻達(dá)到峰值。

4）當(dāng)瓦斯?jié)舛仍浇咏瘜W(xué)計(jì)量濃度9.5%，爆炸沖擊波對(duì)小白鼠產(chǎn)生的威力越大，主要造成小白鼠內(nèi)臟器官的損傷、骨折和燒傷等傷害，且在爆炸傷產(chǎn)生的初期，對(duì)小白鼠的損傷程度最大。