劉珊珊，徐景德，張延煒，胡 洋，劉夢杰

(1.華北科技學院 a.安全工程學院；b.工業(yè)爆炸災害防治技術科技研發(fā)平臺，北京 065201；2.中國礦業(yè)大學(北京)應急管理與安全工程學院，北京 100083)

科技研發(fā)技術的不斷發(fā)展與進步，推動了煤礦生產規(guī)模和生產能力的不斷提升，煤礦企業(yè)的生產系統(tǒng)得到了進一步的發(fā)展與壯大。瓦斯與煤作為氣、固相可燃物在煤礦井下的采場中同生共存，在煤礦開采過程中，稍有不慎就可能產生爆炸事故[1]。部分煤礦因生產需要，設置了大型硐室，硐室內部發(fā)生含塵甲烷爆炸屬于罐狀空間內的氣固兩相爆炸。氣固兩相爆炸機理更加復雜，爆炸強度更大，從而造成更嚴重的破壞。因此，研究罐狀空間內的含塵甲烷爆炸具有重要意義。

國內外專家對含塵甲烷爆炸特性也有大量相關研究：Chris T Cloney利用 CFD 模型對煤塵甲烷爆炸中層流火焰的傳播過程進行了模擬[2]，發(fā)現(xiàn)存在一個最大粒徑使粒子加熱速度最快，超過該粒徑燃燒速度減慢。YIHUI NIU等研究了在甲烷爆炸作用下不同粒徑、不同含水量的沉積煤塵爆炸的超壓變化和火焰演化規(guī)律[3,4]，對于粒度為64～106 μm的煤粉，峰值超壓和火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲螅浑S著煤塵含水量的增加，超壓峰值和火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃蠛鬁p小。景國勛等通過改變煤塵種類、煤塵質量濃度來研究瓦斯煤塵爆炸流場中壓力與火焰?zhèn)鞑プ兓卣鱗5-7]，研究得出煤塵的參與促進了火焰的發(fā)展，并且在瓦斯?jié)舛葹?%和煤塵濃度為50 g/m3時，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?。裴蓓等研究了不同瓦斯爆炸強度下誘導沉積煤塵爆炸的相關特性[8]，發(fā)現(xiàn)甲烷體積分數(shù)越接近當量比，爆炸壓力、火焰鋒面溫度以及溫度上升速率越高，并得出在甲烷體積分數(shù)為9.5%時，煤塵卷揚區(qū)湍流強度最明顯。段新偉等通過改變瓦斯體積分數(shù)和煤塵質量濃度研究發(fā)現(xiàn)[9]，加入煤塵后的瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著升高，當瓦斯體積分數(shù)與煤塵濃度偏離最佳配比時，火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?，傳播距離減小。

目前，通過數(shù)值模擬以及實驗的方法都有對含塵甲烷爆炸進行研究，但對罐狀空間內摻入少量煤塵的甲烷爆炸研究較少，且氣固兩相爆炸機理復雜，爆炸過程中的流場結構變化多端，需通過特征參數(shù)與紋影圖像相結合的方法，研究爆炸過程中相關特征參數(shù)與流場變化情況，為預防事故發(fā)生采用科學的安全措施提供依據(jù)。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

本試驗采用的是60 L的定容燃燒彈(圖1)，長為50 cm，內徑為40 cm，裝置的兩側裝有14 cm的觀察窗。粉塵倉、空壓機與防爆電磁閥組成了噴塵系統(tǒng)。壓力傳感器選用ICP壓電傳感器(型號：M113A24)，最大量程6.9 MPa，諧振頻率≥500 kHz，上升時間≤1 μs；數(shù)采系統(tǒng)為東華公司DH8302，最高采樣速率1 MHz/通道；點火器裝置自行研制，原理為采用自制脈沖式點火器實現(xiàn)高壓放電產生火花，通過同步裝置輸入TTL電平觸發(fā)，點燃定容燃燒彈內的可燃氣體；激光紋影系統(tǒng)主要由激光器、紋影鏡、高速相機組成，高速相機使用的是加拿大 Mega Speed公司相機(型號ms70k)，拍攝速度可達5000 fps。

圖 1 定容燃燒彈

1.2 試驗工況設計

試驗氣體為最佳濃度9.5%的甲烷空氣預混氣，試驗工況根據(jù)甲烷空氣發(fā)生爆炸以及甲烷空氣與5種不同濃度的煤塵發(fā)生爆炸，故共有6組工況，具體工況見表1。

表 1 試驗工況表

1.3 壓力傳感器設置

試驗一共布置4個壓力傳感器，布置在一個斷面上，按照位置命名為PU、PL、PD、PR，如圖2、圖3所示。根據(jù)壓力傳感器布置的位置，分析斷面上不同位置的壓力變化情況。

圖 2 壓力傳感器布置-1

圖 3 壓力傳感器布置-2

1.4 試驗流程

1.4.1 準備工作

試驗所用煤塵產地山西陽城地區(qū)，工業(yè)分析結果中揮發(fā)分較低，屬于無煙煤。具體工業(yè)分析結果如表2。

表 2 工業(yè)分析結果

煤塵樣品通過泰勒(Tyler)標準篩系方孔編制篩網(wǎng)篩選200-250目、250-300目的煤塵，D50是63 μm。試驗前為了盡可能防止煤塵粒子的黏結，將煤塵樣品放置在70℃恒溫箱中烘干12 h。

1.4.2 試驗步驟

(1)打開粉塵倉，將試驗工況對應的煤塵平鋪倉內底部，并蓋好粉塵倉蓋。

(2)使用真空泵對定容燃燒彈進行抽真空工作，工作完成后，按照道爾頓分壓定律充入所需甲烷氣體，關閉進燃料閥門。

(3)通過電磁閥控制空壓機進入高壓空氣，高壓空氣經過粉塵倉，將粉塵倉中的煤塵吹入定容燃燒彈內部，直至定容燃燒彈的真空度為0，停止進氣。

(4)點火器電壓調整至15 kV，通過同步系統(tǒng)控制同時觸發(fā)點火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速相機，對試驗數(shù)據(jù)與圖像進行記錄。

(5)通過觸發(fā)同步系統(tǒng)后，對采集到的數(shù)據(jù)與紋影圖像進行下載分析。

2 試驗結果分析

2.1 爆炸壓力變化特征研究

2.1.1 單一甲烷爆炸壓力研究

單一甲烷氣體爆炸時，傳感器測到的壓力具體變化，如圖4所示。

圖 4 單一甲烷爆炸壓力

由于甲烷所受的浮力作用大于分子間作用力，因此甲烷受到浮力作用先積聚在定容燃燒彈的頂部，隨后在體積分數(shù)差及分子間作用力影響下，逆浮力作用沿燃燒彈縱向從頂部向中部及底部傳播[10]，在定容燃燒彈中形成了縱向甲烷體積分數(shù)梯度，故爆炸產生的壓力峰值不同。PU傳感器在0～33 ms處于火焰燃燒初期，此時已燃氣體很少，壓力幾乎不變。在140 ms壓力增加到298.452 kPa，隨后出現(xiàn)壓力震蕩，壓力降低至293.847 kPa，并在145 ms之后壓力的上升速率再次增加，在203 ms達到最大壓力533.080 kPa，最后壓力持續(xù)降低。PL、PR、PD傳感器的壓力峰值分別為444.356 kPa、399.672 kPa、306.691 kPa。

通過爆炸壓力變化曲線可將壓力變化分為4個階段：壓力上升階段，壓力降低階段，二次上升階段以及持續(xù)降低階段。在火焰發(fā)展初期，火焰鋒面會形成微弱擾動波，疊加后形成較強壓縮波，壓縮波先于火焰鋒面到達傳感器，此時壓力處于上升階段[11]。壓縮波跨過傳感器到達壁面，經由壁面反射再次向電極方向傳播，反射壓縮波引起氣流逆向運動，抑制火焰?zhèn)鞑ニ俣?，壓力產生小幅度的下降。之后反射壓縮波與火焰鋒面相遇，加劇了火焰鋒面的褶皺，導致火焰鋒面的面積變大，火焰速度因火焰面積的增大而增大，即火焰的自加速現(xiàn)象，促進了壓力繼續(xù)上升，直至壓力達到最高點[12]。最后由于能量的減少以及燃料濃度的降低，使得壓力持續(xù)降低。

2.1.2 不同煤塵濃度的爆炸壓力變化研究

含塵甲烷爆炸試驗每個工況重復三次，三次試驗的差值較小且壓力曲線趨勢一致，則認為其有重復性，取壓力數(shù)值最高的一組試驗數(shù)據(jù)進行壓力對比分析。由于四個壓力傳感器所測到的壓力變化過程相同，故選取傳感器PU為代表進行分析，具體工況壓力變化趨勢圖，如圖5所示。由于壓力數(shù)值過大，無法看清不同工況之間壓力峰值差異，故將部分數(shù)據(jù)單獨作圖，以便清晰看出壓力峰值差異，具體壓力峰值差異圖，如圖6所示。

圖 5 工況壓力變化趨勢

圖 6 壓力峰值差異

根據(jù)圖5可以看到含塵甲烷爆炸的壓力變化趨勢大致相同，壓力均先增大后減小。在電極放電的開始時刻，氣相爆炸為主，此時還沒有達到揮發(fā)分析出的溫度，煤塵粒子與氣相反應之間只有熱傳導和熱輻射，前期壓力變化差異不明顯；在40～135 ms時間段，壓縮波加速傳播，先于火焰鋒面到達傳感器，含塵甲烷爆炸壓力處于第一次上升階段；在136～179 ms時間段，反射壓縮波抑制火焰?zhèn)鞑ニ俣?，但含塵甲烷爆炸壓力未出現(xiàn)降低階段，其壓力變化與單一甲烷爆炸壓力變化不同，可見煤塵已經參與爆炸反應，并隨著熱量的積累使更多煤塵參與反應，導致釋放的總熱量急劇升高，促進壓力上升，之后反射壓縮波與火焰鋒面相互作用，產生了火焰自加速現(xiàn)象，使得壓力趨近于直線上升趨勢[13]；在180～210 ms時間段，各個工況的爆炸壓力達到峰值；之后壓力開始持續(xù)下降。

從圖6可以看出，隨著煤塵濃度的增加，爆炸壓力先增大后減小。在相同的瓦斯?jié)舛认?，對整個燃燒體系的影響起主導作用的是瓦斯的燃燒以及揮發(fā)分的燃燒[14]。在受限空間內，含氧量是一定的，煤塵濃度較小時，單位體積中煤塵顆粒的數(shù)目較少，氧氣充足，煤塵反應充分，爆炸壓力逐漸增大。在甲烷濃度為9.5%時，存在著15 g/m3的最佳煤塵濃度使爆炸壓力最大為598.697 kPa。但當煤塵濃度為20 g/m3和25 g/m3時，爆炸壓力有所下降，此時煤塵對爆炸起到了抑制作用。其原因為煤塵濃度增加，單位體積中煤塵顆粒的數(shù)目也會增多，煤塵粒子間的距離有所減少，增強了粒子間的碰撞與熱量傳遞，未燃顆粒迅速接收能量發(fā)生熱解，析出的揮發(fā)分也會隨之增多，揮發(fā)分和甲烷競爭與氧氣反應的影響加劇，導致煤塵吸收的熱量低于釋放的熱量，即煤塵燃燒不完全，爆炸壓力減小[15,16]。

通過整個試驗分析，煤塵不會立即參與爆炸反應，需要受熱分解析出足夠數(shù)量的揮發(fā)分，那么煤塵濃度的不同，各個工況到達峰值的時間就不同。工況1爆炸壓力峰值比其他工況的壓力峰值低，到達峰值時間比其余工況的時間長，說明煤塵的加入，加快了爆炸反應速度，增大了爆炸壓力，對爆炸反應起到促爆作用。

2.2 火焰紋影圖像研究

2.2.1 單一甲烷爆炸火焰圖像研究

單一甲烷爆炸火焰結構演化過程的部分紋影圖像，如圖7所示。

圖 7 單一火焰甲烷爆炸火焰紋影圖像

點火電極產生的火花點燃可燃預混氣后，點火中心處形成一個球狀火核，球狀火核以很薄的火焰鋒面向外傳播[17]，火焰初期處于層流階段，層流預混火焰在傳播過程中由于外界干擾等條件會產生結構變化。圖7(a)中的火焰呈現(xiàn)為規(guī)則的球形，由于電極對火焰面造成干擾，使得電極附近的火焰面存在少許褶皺。圖7(b)所示，電極附近的褶皺沒有產生分支，此時火焰處于穩(wěn)定狀態(tài)?；鹧娼Y構演化過程對流場的變化極其敏感，即使是微小的擾動也會導致火焰面產生變化。從圖7(c～d)可見，火焰面先是出現(xiàn)較大的胞，之后不斷分裂成小胞，最后形成較均勻的胞狀結構，此時火焰處于胞狀不穩(wěn)定狀態(tài)。最后如圖7(e)所示，火焰已充分發(fā)展為胞格火焰，流體內產生大量渦團擾動，渦團加快物質和熱量的迅速擴散，促使火焰加速運動。

2.2.2 含塵甲烷爆炸火焰圖像研究

根據(jù)激光紋影系統(tǒng)記錄的爆炸火焰結構演化過程，將紋影圖像劃分為爆炸初期、中期、末期進行分析，具體圖像如圖8、圖9、圖10所示。

圖 8 爆炸初期火焰紋影圖像

從圖8(a)可以看出，Case1火焰面較為光滑，Case2和Case3的火焰面未出現(xiàn)較多的褶皺，此時火焰半徑較小，火焰拉伸率較大，雖有煤塵粒子的擾動，但擾動程度沒有使火焰拉伸率直接變?yōu)樨撝?，因此該時刻火焰相對穩(wěn)定[18]。Case4、Case5和Case6的火焰面出現(xiàn)了較為明顯的褶皺，說明其工況中煤塵粒子的擾動對火焰面產生非常大的影響，火焰已經開始不穩(wěn)定。圖8(b)中，Case1、Case2的火焰仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，Case3火焰面的褶皺產生了分支，火焰已經不穩(wěn)定，其余工況的火焰面產生大量裂紋，這些裂紋是由之前的褶皺發(fā)展形成的，并且煤塵濃度越大，火焰面的裂紋就越明顯。結合圖8(a)和(b)中可以看出，煤塵濃度越大，火焰半徑越小，可見煤塵的加入抑制了火焰前期傳播速度。隨著反應的進行，火焰拉伸率逐漸減小，煤塵粒子的擾動對火焰面的影響逐漸增大，火焰的不穩(wěn)定性就會逐漸增強，進而加快了火焰從層流階段轉變?yōu)榘麪畈环€(wěn)定階段[19]。

如9(c)所示，含塵甲烷爆炸的火焰已經處于充分發(fā)展的胞格火焰，而單一甲烷爆炸火焰仍處于層流階段，說明含塵甲烷爆炸反應更加迅速。圖9(d)的火焰處于胞狀不穩(wěn)定性階段，火焰胞狀不穩(wěn)定性的主要影響因素是流體力學不穩(wěn)定與熱質擴散不穩(wěn)定?；鹧?zhèn)鞑ミ^程中都存在流體力學不穩(wěn)定，流體力學不穩(wěn)定是指火焰面受到拉伸后，面積增大，雖火焰強度不變，但燃燒體積速率增加，且速率會越來越快，從而導致火焰不穩(wěn)定[20]。

圖 9 爆炸中期火焰紋影圖像

圖10(e)可看出，Case1的爆炸火焰處于湍流階段，而其余工況的爆炸火焰圖像隨著煤塵濃度越大，圖像的亮度越亮，這與初始階段圖像亮度相反，說明隨著反應的進行，流場的亮度增強。從圖10(f)的紋影圖像看出煤塵濃度越大，爆炸火焰的紋影圖像處于高亮度的時間越長。由于爆炸初期以氣相燃燒為主，整體反應較弱，流場的亮度較暗。隨著甲烷氣相爆炸的持續(xù)進行，流場內的溫度升高，煤塵熱解的揮發(fā)分參與反應，揮發(fā)分燃燒使溫度上升更快，溫度的增高又導致化學反應增強，兩者之間形成了正反饋，導致火焰不斷增強，反應更加劇烈，放出刺眼的光芒[21]。最后，反應即將結束，水霧將覆蓋觀察窗。

圖 10 爆炸末期火焰紋影圖像

根據(jù)上述分析可知，含塵甲烷爆炸過程中的壓力變化與火焰結構變化情況是緊密聯(lián)系的。爆炸反應開始時，火焰處于層流狀態(tài)，壓力僅存在火焰附近，傳感器所接觸到的介質相對穩(wěn)定，壓力數(shù)值為0。之后火焰鋒面出現(xiàn)褶皺，壓縮波的運動以及煤塵粒子的擾動加劇了火焰鋒面的褶皺程度，促使火焰逐漸由大胞格結構演化成小胞格結構，此時壓力處于持續(xù)上升階段。最后，隨著湍流火焰的完全形成，壓力到達峰值。

3 結論

在定容燃燒彈內，采用激光紋影系統(tǒng)研究了含塵甲烷爆炸的壓力與火焰結構演化特征，并對壓力變化過程、火焰結構演化過程進行了詳細的描述，其主要結論如下：

(1)煤塵的加入，導致含塵甲烷爆炸壓力變化與單一甲烷爆炸壓力變化不同。含氧量恒定的情況下，含塵甲烷爆炸壓力峰值隨煤塵濃度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

(2)爆炸火焰結構演化過程分為層流階段、胞狀不穩(wěn)定性階段、湍流階段。煤塵加速了火焰結構演化過程，增加煤塵濃度，煤塵粒子的擾動對火焰鋒面的影響越明顯，火焰愈發(fā)不穩(wěn)定，加劇了爆炸反應強度，提高了流場內的亮度。

(3)含塵甲烷爆炸機理與煤塵受熱析出揮發(fā)分的過程密切相關，溫度是該過程的一個重要參數(shù)，由于缺少測溫系統(tǒng)，無法根據(jù)溫度的具體變化情況對爆炸流場進行更詳細的描述，后續(xù)將加入測溫系統(tǒng)，進一步探究溫度對含塵甲烷爆炸的影響。