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        瓦斯煤塵耦合二次爆炸火焰?zhèn)鞑嶒?/h1>
        2020-03-27 11:38:00楊書召杜學(xué)勝
        關(guān)鍵詞:煤塵火焰瓦斯

        楊書召,杜學(xué)勝

        (河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院,河南 鄭州 451191)

        煤礦掘進頭瓦斯突然涌出引起瓦斯爆炸并激起巷道內(nèi)煤塵參與形成二次爆炸,極易造成煤礦井下重大災(zāi)害事故[1-2]。瓦斯爆炸傳播具有“兩波三區(qū)”結(jié)構(gòu),前導(dǎo)沖擊波擾動卷揚沉積煤塵形成懸浮煤塵云,后續(xù)高溫火焰峰面點燃,爆炸以不間斷形式繼續(xù)傳播[3-4]。由于掘進巷道尺寸、粗糙度不同,存在可燃介質(zhì)參與、障礙物擾動等,影響瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑?,所以與單純的瓦斯爆炸相比,煤礦井下瓦斯、煤塵耦合產(chǎn)生的二次爆炸傳播過程更為復(fù)雜[5]。

        劉丹等[6]、江丙友等[7]在中煤科工集團重慶研究院的大型實驗巷道中進行了瓦斯和煤塵爆炸實驗,結(jié)論是瓦斯爆炸火焰區(qū)長度大于瓦斯積聚區(qū)長度。應(yīng)用連續(xù)相、顆粒相計算方法對瓦斯爆炸誘導(dǎo)沉積煤塵參與爆炸的傳播過程進行數(shù)值模擬,得出不同爆炸作用模式顯著改變沖擊波和火焰?zhèn)鞑ァ⒂绊懶∫?guī)模誘導(dǎo)火焰區(qū)長度的結(jié)論[8-9]。王東武等[10]利用大型實驗巷道對不同質(zhì)量、不同濃度的瓦斯-空氣混合物爆炸過程及傳播規(guī)律進行了研究,認為隨著瓦斯量的增大,火焰?zhèn)鞑ニ俣冉^對值明顯增大,當(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?、點火距爆源點距離減少時,火焰區(qū)長度可達原始瓦斯積聚區(qū)長度的4倍左右,但火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x并不與瓦斯量的增加成正比。

        盡管上述研究已對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑サ奶匦赃M行了大量的實驗研究和理論分析,但是煤礦掘進巷道內(nèi)瓦斯爆炸火焰與爆炸沖擊波激起煤塵耦合爆炸的過程特征至今未有文獻報道?;诖?,本研究在管道內(nèi)用不同濃度和聚集長度的瓦斯爆炸誘導(dǎo)管道內(nèi)沉積粉塵爆炸,揭示瓦斯爆炸火焰點爆揚起煤塵云的傳播耦合規(guī)律,以期為煤礦煤塵二次爆炸隔爆、抑爆提供理論和技術(shù)支持。

        1 實驗系統(tǒng)與方案

        1.1 實驗系統(tǒng)

        此水平管道式氣體-粉塵二次爆炸實驗裝置由爆炸管道、計算機控制系統(tǒng)、爆炸壓力測試系統(tǒng)、火焰速度測試系統(tǒng)組成,具體見圖1。

        圖1 水平管道式氣體-粉塵二次爆炸實驗裝置Fig.1 Secondary explosion experimental device for horizontal pipe type gas-dust

        水平管內(nèi)徑為350 mm,總長為13 m,管道材料為20號鋼無縫鋼管,管壁厚15 mm,設(shè)計承受的工作壓力大于20 MPa、真空度小于0.01 MPa。水平管道瓦斯爆炸Ⅰ段長0.5 m,無煤塵敷設(shè)Ⅱ段長5.5 m,煤塵敷設(shè)Ⅲ段長2 m,無煤塵IV段長5 m?;鹧娼饘俾菪铀侪h(huán)內(nèi)徑為300 mm,障礙物阻塞比為0.6。實驗時采用電磁自動閥以分隔I段和II段。管道之間通過法蘭連接,管壁上設(shè)有傳感器安裝孔、進氣孔、出氣孔,并配有高精度壓力表和安全閥等附件。壓力和火焰?zhèn)鞲衅骶鶆虬惭b在各段管道上下方。配氣系統(tǒng)主要包括空壓機、真空泵、瓦斯氣瓶、真空壓力表等,點火系統(tǒng)由高壓點火電極、互感器等組成,點火能量為0.28 mJ,電腦采集系統(tǒng)由壓力傳感器、放大器和動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析儀組成。

        1.2 實驗原理

        湍流對瓦斯爆炸過程中火焰?zhèn)鞑サ挠绊戄^大,當(dāng)?shù)冖穸喂艿纼?nèi)存在螺旋加速環(huán)(障礙物)時會產(chǎn)生湍流,使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃眲〖涌?,形成爆轟波。激波以極快的速度傳播并通過無煤塵區(qū)進入煤塵敷設(shè)區(qū)第Ⅲ段。沖擊壓力波引起火焰前方空氣對流,對流夾帶起沉積在巷道底及壁面上的粉塵層并分散之,在火焰?zhèn)鞑サ耐飞闲纬煞蹓m云;壓力波速度很快,會在后方誘導(dǎo)形成一個移動的氣流場,此氣流場也會對沉積煤塵產(chǎn)生卷揚作用,形成粉塵云。后繼的火焰點燃這部分粉塵,其釋放的能量加強了前面的壓力波,這種持續(xù)的相互作用使得火焰加速并增強。這種爆炸波加速也會受到黏性耗散和熱損失的影響,如果爆炸過程中能量的增加與黏性耗散和熱損失達到平衡,粉塵會從爆燃轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z,形成穩(wěn)態(tài)二次爆炸波。

        1.3 實驗方案

        實驗室溫度為14~23 ℃,濕度為55%~62%,實驗時,用循環(huán)泵循環(huán)5 min使氣體混合均勻。實驗用瓦斯空氣混合氣體的濃度分別為7.5%、9.5%和11.5%,聚集長度均為0.5 m,煤塵質(zhì)量濃度為300 g/m3,粒徑為55 μm?;鹧鏈y試點選9個(A~J),壓力測試點選9個(A1~J1),按照圖1所示實驗系統(tǒng)安裝、調(diào)試。在常溫、常壓下,將濃度預(yù)混瓦斯空氣混合均勻后緩慢充入實驗管道Ⅰ段,借助壓力表與真空表控制實驗所需數(shù)量。實驗時,有阻塞環(huán)爆炸體管道部分可拆卸替換為無阻塞環(huán)管道。

        2 實驗與分析

        2.1 不同濃度、等聚集長度瓦斯-空氣混合物爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘膶嶒?/h3>

        圖2 聚集長度相同、濃度不同的瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.2 Gas explosion flame propagation speed with the same length and different concentration

        為比較不同濃度、等聚集長度的瓦斯-空氣混合氣體有阻塞環(huán)與無阻塞環(huán)激勵爆炸的火焰?zhèn)鞑ヌ匦圆町悾瑢舛确謩e為9.5%、7.5%和11.5%的瓦斯與空氣混合注入實驗Ⅰ段(聚集長度均為0.5 m)進行實驗。實驗結(jié)果見圖2。結(jié)果表明,濃度為9.5%的瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥跐舛葹?.5%和11.5%的瓦斯,呈現(xiàn)u9.5%>u7.5%>u11.5%的趨勢,濃度為9.5%的瓦斯爆炸火焰速度超過340 m/s,出現(xiàn)爆轟。從實驗對比可看出,阻塞環(huán)可以加速火焰?zhèn)鞑?,?dāng)瓦斯空氣比接近化學(xué)當(dāng)量時火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?,爆炸強度也最大。另一個現(xiàn)象是,爆炸壓力峰值不在點火位置。這是因為爆炸氣體膨脹,致使火焰波在趕上前驅(qū)壓力波時的位置發(fā)生了變化,具體見表1。

        表1 阻塞率為0.6、聚集長度為0.5 m的不同濃度瓦斯爆炸測點的最大壓力Tab.1 The maximum pressure point of gas explosion measurement points with different blockage rates of 0.6 and aggregate length of 0.5 m

        2.2 不同濃度、等聚集長度瓦斯-空氣混合物爆炸火焰引燃煤塵爆炸的實驗

        為揭示瓦斯爆炸誘導(dǎo)煤塵參與爆炸的耦合關(guān)系,實驗在爆炸裝置II段留出無煤塵區(qū),用等聚集長度、不同濃度瓦斯爆炸誘導(dǎo)煤塵爆炸,研究瓦斯爆炸火焰點燃煤塵云的耦合過程。分別用濃度為9.5%、7.5%和11.5%的瓦斯爆炸激起煤塵參與爆炸,煤塵二次爆炸壓力與時間的關(guān)系見圖3至圖5。

        圖3 濃度為9.5%的瓦斯誘導(dǎo)煤塵二次爆炸的壓力 與時間關(guān)系Fig.3 Relationship between pressure and time of secondary explosion of coal dust induced by 9.5% methane

        圖4 濃度為7.5%的瓦斯誘導(dǎo)煤塵二次爆炸的壓力 與時間關(guān)系Fig.4 Relationship between pressure and time of secondary explosion of coal dust induced by 7.5% methane

        圖5 濃度為11.5%的瓦斯誘導(dǎo)煤塵二次爆炸的壓力 與時間關(guān)系Fig.5 Relationship between pressure and time of secondary explosion of coal dust induced by 11.5% methane

        濃度為9.5%的瓦斯爆炸18 ms左右,最大壓力峰值0.9 MPa初次出現(xiàn)并誘導(dǎo)煤塵形成煤塵云,而后火焰峰面到達且點爆,第二個壓力峰值1.7 MPa出現(xiàn),二次爆炸形成(圖3)。同樣,測得濃度為7.5%的瓦斯兩次爆炸的時間點在26 ms和30 ms,壓力峰值為0.7 MPa、1.15 MPa,濃度為11.5%的瓦斯二次爆炸的時間點在27 ms和29 ms,壓力峰值為0.8 MPa、1.35 MPa(圖4、圖5)。比較看出,煤塵爆炸均在瓦斯爆炸火焰與揚起煤塵耦合的同時點爆,二次爆炸曲線圖出現(xiàn)瓦斯爆炸壓力峰值和煤塵爆炸壓力峰值,而且后者的壓力峰值大于前者,表明煤塵二次爆炸的危害更大,需要加以防范。

        實驗采集的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁菑狞c火處開始計時的,依據(jù)9個測點(A~J)煤塵爆炸二次爆炸壓力峰值出現(xiàn)的時間,得到各濃度瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑サ木嚯x,可計算出火焰?zhèn)鞑サ钠骄俣?,結(jié)果見表2。

        表2 濃度不同的等聚集長度瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xTab.2 Flame propagation distance of gas explosion with different concentrations

        不同濃度的瓦斯聚集爆炸,當(dāng)聚集長度一定時,由于爆炸生成新氣體,體積膨脹,火焰?zhèn)鞑ラL度大于原聚集長度,一般為原聚集長度的3~5倍。

        3 結(jié)論

        (1)不同濃度、等聚集長度的瓦斯氣體爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣炔煌?,接近化學(xué)當(dāng)量濃度的瓦斯爆炸傳播速度最快,爆炸壓力峰值也最大。

        (2)瓦斯爆炸誘導(dǎo)煤塵二次爆炸,瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x決定二次爆炸的發(fā)生和發(fā)展,濃度不同但化學(xué)當(dāng)量接近9.5%的瓦斯爆炸峰值壓力大、火焰?zhèn)鞑タ?,極易誘導(dǎo)煤塵參與爆炸。

        (3)不同濃度的瓦斯聚集爆炸,當(dāng)聚集長度一定時,火焰?zhèn)鞑ラL度大于原聚集長度,一般為原聚集長度的3~5倍。

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