賈進(jìn)章,田秀媛*,王楓瀟,牛 鑫

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000；2.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 葫蘆島 125105；3.沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

瓦斯-煤塵混合爆炸在極短的時(shí)間內(nèi)可達(dá)到爆轟狀態(tài)，會(huì)危及井下人員的生命安全[1-3]。在瓦斯爆炸時(shí)加入煤塵后會(huì)使爆炸威力顯著增強(qiáng)。井下懸浮煤塵受熱揮發(fā)出大量的可燃?xì)怏w并附著在煤塵周圍，當(dāng)氣體聚集到一定濃度并吸收大量熱量之后會(huì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，氧化釋放的熱量造成煤塵顆粒閃燃，達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)加大瓦斯爆炸的威力[4-8]。管道發(fā)生瓦斯爆炸的過程中摻混煤塵之后爆炸的激烈程度往往會(huì)顯著增強(qiáng)，且瓦斯-煤塵混合爆炸達(dá)到壓力峰值時(shí)與爆炸源的距離大于瓦斯爆炸條件下達(dá)到壓力峰值的距離。此外，混合煤塵中大粒徑煤塵所占的比例越高，爆炸的壓力峰值越?。辉谕咚?jié)舛容^低時(shí)煤塵種類和煤塵粒徑對(duì)瓦斯-煤塵混合爆炸的爆炸下限有更為顯著的影響[9-11]；而對(duì)于發(fā)生在球形爆炸罐中的瓦斯-煤塵混合爆炸而言，煤塵對(duì)瓦斯爆炸的影響略小于發(fā)生在管道中的爆炸[12]。Cashdollar[13]和Amyotte[14]在球形爆炸容器中進(jìn)行了瓦斯-煤塵混合爆炸試驗(yàn)，證明了甲烷氣體的濃度和煤塵粒徑的種類及大小都會(huì)對(duì)瓦斯-煤塵混合爆炸的爆炸下限產(chǎn)生影響；景國勛等[15]在豎直管道內(nèi)研究了煤塵質(zhì)量濃度對(duì)瓦斯爆炸特性的影響，結(jié)果表明：瓦斯-煤塵混合爆炸的壓力隨著煤塵質(zhì)量濃度的增加而減小，當(dāng)煤塵質(zhì)量濃度為50 g/m3時(shí)，管道內(nèi)火焰波傳播速度最快；裴蓓等[16]在20 L球形爆炸罐中研究了瓦斯-煤塵混合爆炸災(zāi)害強(qiáng)化的產(chǎn)生機(jī)制,結(jié)果表明:煤塵粒徑越小、煤塵質(zhì)量濃度增加接近最佳濃度時(shí)能誘發(fā)復(fù)合火焰加速,導(dǎo)致爆炸威力增強(qiáng)；景國勛等[17]在半封閉管道內(nèi)對(duì)濃度為9.5%的瓦斯試驗(yàn)氣體與不同濃度及不同粒徑煤塵間進(jìn)行了混合爆炸試驗(yàn)，得到了爆炸腔體和管道內(nèi)的壓力時(shí)變性以及壓力變化速率與距離之間的變化規(guī)律。

綜上研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的瓦斯-煤塵混合爆炸研究大多針對(duì)長直管道和球形爆炸罐開展，而鮮有在管網(wǎng)中研究煤塵質(zhì)量濃度和煤塵粒徑對(duì)瓦斯-煤塵混合爆炸的影響，而實(shí)際的礦井巷道系統(tǒng)中縱橫交錯(cuò)的巷網(wǎng)結(jié)構(gòu)會(huì)加劇爆炸沖擊波和火焰波傳播的繁復(fù)性。因此，本文通過自行搭建的試驗(yàn)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了瓦斯-沉積煤塵爆炸試驗(yàn)，廣義化探究了煤塵粒徑和煤塵質(zhì)量濃度對(duì)瓦斯-煤塵混合爆炸在復(fù)雜管網(wǎng)中產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值、火焰波傳播速度峰值和火焰波溫度峰值的影響，得出了更具普適性的規(guī)律。該研究結(jié)果可為煤礦瓦斯爆炸防控技術(shù)研究和災(zāi)后應(yīng)急救援預(yù)案制定提供更貼近實(shí)際的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)平臺(tái)

1. 1 試驗(yàn)管網(wǎng)系統(tǒng)

圖1 瓦斯-煤塵混合爆炸試驗(yàn)管網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 Experimental pipe network system of gas-coal dust hybrid explosion

以氣體爆炸腔體的最右端為軸心，建立以水平方向?yàn)閤軸、豎直方向?yàn)閥軸的坐標(biāo)軸，給定各測(cè)點(diǎn)的位置依次為T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9，各測(cè)點(diǎn)與氣體爆炸腔體的等效距離參數(shù)見表1。試驗(yàn)管網(wǎng)中有兩條瓦斯爆炸火焰波傳播路徑，即從O點(diǎn)出發(fā)，第一條為O-A-C-D，第二條為O-A-B-D。設(shè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為9.5%，選取質(zhì)量濃度分別為50 g/m3、100 g/m3、150 g/m3，粒徑分別為25 μm、50 μm、75 μm的煤塵進(jìn)行瓦斯-煤塵混合爆炸試驗(yàn)[16-17]。為了確保試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和合理性，試驗(yàn)中每組工況重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)。

表1 管道與測(cè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系和各測(cè)點(diǎn)的等效坐標(biāo)值

1. 2 煤樣物化特性分析

有研究表明，當(dāng)煤塵爆炸指數(shù)大于15%時(shí)，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性[18]。在眾多煤塵種類之中焦煤的燃燒爆炸反應(yīng)最為劇烈，故本試驗(yàn)煤樣選用寺河煤礦煤塵爆炸指數(shù)為31.56%的焦煤。通過對(duì)煤塵樣本進(jìn)行電鏡掃描并進(jìn)行工業(yè)分析，得出該煤塵樣本的水分、灰分、揮發(fā)分分別為1.56%、12.06%和30.06%。圖2為不同放大倍數(shù)下煤塵樣本的電鏡掃描圖。

圖2 不同放大倍數(shù)下煤塵樣本的電鏡掃描圖Fig.2 SEM of coal dust samples at different magnification

2 瓦斯-煤塵管網(wǎng)混合爆炸試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 煤塵質(zhì)量濃度對(duì)瓦斯-煤塵混合爆炸特性的影響

2.1.1 對(duì)沖擊波壓力峰值的影響

不同質(zhì)量濃度和粒徑的煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)管網(wǎng)中各測(cè)點(diǎn)的沖擊波壓力峰值見表2，并根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可得到不同粒徑煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)沖擊波壓力峰值隨煤塵質(zhì)量濃度的變化規(guī)律，見圖3。

由表2和圖3可知：瓦斯-煤塵混合爆炸的沖擊波壓力峰值隨煤塵質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)管道內(nèi)煤塵質(zhì)量濃度較低時(shí)，瓦斯-煤塵混合爆炸沖擊波揚(yáng)起沉積煤塵形成的煤塵云團(tuán)濃度較低，造成管道中氧氣有剩余，處于富氧狀態(tài)，使煤塵云團(tuán)完全發(fā)生燃燒爆炸反應(yīng)[18]；隨著煤塵質(zhì)量濃度的不斷增大，煤塵云團(tuán)的濃度不斷增大，與氧氣的反應(yīng)更加劇烈，反應(yīng)釋放出來的熱量也不斷增加，導(dǎo)致瓦斯-煤塵混合爆炸的沖擊波壓力峰值不斷增大；當(dāng)煤塵質(zhì)量濃度達(dá)到100 g/m3時(shí)，管道內(nèi)的煤塵云團(tuán)與氧氣剛好完全發(fā)生反應(yīng)，此時(shí)反應(yīng)釋放的熱量最多，混合爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力也是最大的；當(dāng)煤塵質(zhì)量濃度繼續(xù)增加，由于管網(wǎng)中的氧氣總量一定，此時(shí)管網(wǎng)內(nèi)處于貧氧狀態(tài)，反應(yīng)釋放的能量不會(huì)繼續(xù)增加，同時(shí)由于未燃燒的煤塵會(huì)吸收爆炸產(chǎn)生的熱量，從而在一定程度抑制了瓦斯-煤塵混合爆炸的沖擊波，導(dǎo)致壓力峰值不斷下降[19]。

表2 不同質(zhì)量濃度和粒徑的煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)管網(wǎng)中各測(cè)點(diǎn)的沖擊波壓力峰值

圖3 不同粒徑煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)管網(wǎng)中沖擊波壓力 峰值隨煤塵質(zhì)量濃度的變化規(guī)律Fig.3 Variation of shock wave peak pressure in the pipe network with different mass concentration of coal dust in the occurrence of hybrid explosion of coal dust of different particle sizes

2.1.2 對(duì)火焰波傳播速度峰值的影響

不同質(zhì)量濃度煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)管網(wǎng)中兩條傳播路線各測(cè)點(diǎn)火焰波傳播速度峰值隨距爆炸源距離的變化規(guī)律，見圖4和圖5。

圖4 不同質(zhì)量濃度煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)管網(wǎng)中“O-A- C-D”路線各測(cè)點(diǎn)火焰波傳播速度峰值隨距爆炸 源距離的變化規(guī)律Fig.4 Variation of flame wave propagation velocity peak at each measuring point along the “O-A-C-D” route with the distance away from the explosion source in the occurrence of hybrid explosion of coal dust of different mass concentration

圖5 不同質(zhì)量濃度煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)管網(wǎng)中“O-A- B-D”路線各測(cè)點(diǎn)火焰波傳播速度峰值隨距爆炸 源距離的變化規(guī)律Fig.5 Variation of flame wave propagation velocity peak at each measuring point along the “O-A-B-D” route with the distance away from the explosion source in the occurrence of hybrid explosion of coal dust of different mass concentration

由圖4和圖5可知：隨著距爆炸源距離的逐漸增大，瓦斯-煤塵混合爆炸火焰波的傳播速度峰值逐漸減小，這是由于沉積煤塵被瓦斯爆炸沖擊波揚(yáng)起后在管道內(nèi)形成煤塵云團(tuán)，在吸收大量熱量后被點(diǎn)燃導(dǎo)致再次發(fā)生爆炸，因此在距離爆炸源最近處混合爆炸火焰波的傳播速度峰值最大；管道內(nèi)煤塵質(zhì)量濃度不同，混合爆炸火焰波的傳播速度也大不相同，當(dāng)管道內(nèi)的煤塵質(zhì)量濃度為100 g/m3時(shí)，火焰波的傳播速度峰值達(dá)到最大值，此時(shí)煤塵與管道內(nèi)的氧氣完全發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)煤塵質(zhì)量濃度繼續(xù)增加時(shí)，由于管道內(nèi)的氧氣量一定而導(dǎo)致部分煤塵沒有參與反應(yīng)且吸收部分熱量，造成管道內(nèi)混合爆炸火焰波的傳播速度峰值開始下降[14]；當(dāng)煤塵質(zhì)量濃度達(dá)到150 g/m3，混合爆炸火焰波的傳播速度峰值下降趨勢(shì)較為明顯，說明當(dāng)煤塵質(zhì)量濃度超過臨界值時(shí)，煤塵對(duì)瓦斯爆炸具有一定的抑制效果。

2.1.3 對(duì)火焰波溫度峰值的影響

不同質(zhì)量濃度煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)管網(wǎng)中各測(cè)點(diǎn)火焰波溫度峰值的變化規(guī)律，見圖6。

圖6 不同質(zhì)量濃度煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)管網(wǎng)中各測(cè)點(diǎn) 火焰波溫度峰值的變化規(guī)律Fig.6 Variation of peak value of flame wave temperature at each measuring point under different mass concentration of coal dust

由圖6可知：在不同煤塵質(zhì)量濃度條件下，管網(wǎng)中各測(cè)點(diǎn)的火焰波溫度峰值的變化趨勢(shì)相同，均在測(cè)點(diǎn)T1處火焰波溫度峰值；當(dāng)煤塵質(zhì)量濃度為50 g/m3時(shí)，管網(wǎng)內(nèi)測(cè)得的火焰波溫度峰值低于煤塵濃度為100 g/m3測(cè)得的火焰波溫度峰值，高于煤塵濃度為150 g/m3測(cè)得的火焰波溫度峰值；隨著煤塵質(zhì)量濃度的增大，由于此時(shí)管道內(nèi)有足夠的氧氣參與爆炸反應(yīng)，因此火焰波溫度峰值持續(xù)升高[17]；當(dāng)煤塵質(zhì)量濃度為100 g/m3時(shí)，煤塵與氧氣完全反應(yīng)，瓦斯爆炸釋放的熱量最多，管道內(nèi)的火焰波溫度峰值達(dá)到最高；當(dāng)煤塵質(zhì)量濃度增大至150 g/m3時(shí)，由于管網(wǎng)中的氧氣不足以讓全部煤塵參與反應(yīng)，同時(shí)未反應(yīng)的煤塵繼續(xù)吸收部分熱量，因此火焰波溫度峰值開始下降，管道內(nèi)火焰波溫度峰值降至最低，較煤塵質(zhì)量濃度為100 g/m3時(shí)的火焰波溫度峰值降低了17.1%，說明在煤塵質(zhì)量濃度為100 g/m3的條件下瓦斯-煤塵混合爆炸的危險(xiǎn)性最大[20]。

2.2 煤塵粒徑對(duì)瓦斯-煤塵混合爆炸的影響

2.2.1 對(duì)沖擊波壓力峰值的影響

不同質(zhì)量濃度煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)管網(wǎng)中沖擊波壓力峰值隨煤塵粒徑的變化規(guī)律，見圖7。

圖7 不同質(zhì)量濃度煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)管網(wǎng)中沖擊波 壓力峰值隨煤塵粒徑的變化規(guī)律Fig.7 Variation of shock wave peak pressure in the pipe network with different particle sizes of coal dust in the occurrence of hybrid explosion of coal dust of different mass concentration

結(jié)合表3中的數(shù)據(jù)和圖7分析可知：隨著煤塵粒徑的不斷增大，混合爆炸沖擊波壓力峰值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。分析瓦斯-煤塵混合爆炸的理論可知，當(dāng)瓦斯-煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)，粒徑越小的煤塵需要的點(diǎn)火能量越低，更容易發(fā)生燃燒爆炸現(xiàn)象。但在進(jìn)行瓦斯-煤塵混合爆炸試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，煤塵粒徑為50 μm時(shí)管網(wǎng)中混合爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值要高于煤塵粒徑為25 μm時(shí)產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值。分析其原因認(rèn)為：沉積煤塵形成煤塵云時(shí)，由于煤塵表面的不規(guī)則形狀，造成了大量的正、負(fù)電荷聚集在煤層表面，導(dǎo)致煤層顆粒產(chǎn)生聚集現(xiàn)象[18]；同時(shí)，由于煤塵表面所帶的水分，電荷和范德華力等因素會(huì)相互之間產(chǎn)生作用，煤塵粒徑越小，比表面積越大，因此煤塵之間產(chǎn)生的表面能就越大，不同的煤塵之間就越容易發(fā)生聚集現(xiàn)象，而且瓦斯爆炸沖擊波揚(yáng)起沉積煤塵時(shí)，受管道內(nèi)壁摩擦力等因素的影響，煤塵以湍流的形式傳播，不同位置的煤塵云沉積和傳播的速率都不同，同樣會(huì)對(duì)管網(wǎng)中混合爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值造成一定的影響[13,21]。

2.2.2 對(duì)火焰波傳播速度的影響

不同粒徑煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)管網(wǎng)中兩條傳播路線各測(cè)點(diǎn)火焰波傳播速度峰值隨距爆炸源距離的變化規(guī)律，見圖8和圖9。

圖8 不同粒徑煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)管網(wǎng)中“O-A-C-D” 路線各測(cè)點(diǎn)火焰波傳播速度峰值隨距爆炸源距 離的變化規(guī)律Fig.8 Flame wave propagation velocity of “O-A-C-D” route under the condition of coal dust with different particle sizes

圖9 不同粒徑煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)管網(wǎng)中“O-A-B-D” 路線各測(cè)點(diǎn)火焰波傳播速度峰值隨距爆炸源距 離的變化規(guī)律Fig.9 Variation of flame wave propagation velocity peak at each measuring point along the “O-A-B-D” route with the distance away from the explosion source in the occurrence of hybrid explosion of coal dust of different particle sizes

由圖8和圖9可知：混合爆炸產(chǎn)生的火焰波在管道內(nèi)傳播的過程中，隨著距爆炸源距離的增加，火焰波傳播速度峰值呈逐漸減小的趨勢(shì)；同時(shí)隨著煤塵粒徑的增大，火焰波傳播速度峰值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)管道內(nèi)煤塵質(zhì)量濃度為100 g/m3時(shí)，管道內(nèi)火焰波的傳播速度峰值要高于其他兩種煤塵質(zhì)量濃度下的火焰波傳播速度峰值，且在該煤塵質(zhì)量濃度條件下，當(dāng)煤塵粒徑為25 μm時(shí)，管道內(nèi)火焰波最快傳播速度為501.53 m/s，且隨著煤塵粒徑的增大，火焰波傳播速度也隨之增大；當(dāng)煤塵粒徑增加到50 μm時(shí)，火焰波傳播速度峰值達(dá)到了539.13 m/s，此時(shí)煤塵剛好完全發(fā)生反應(yīng)，火焰波傳播速度峰值較煤塵粒徑為25 μm時(shí)增大了7.6%；當(dāng)煤塵粒徑繼續(xù)增加至75 μm時(shí)，火焰波的最快傳播速度開始呈下降趨勢(shì)。其原因是當(dāng)煤塵粒徑較小時(shí)，其比表面積較大，能夠更快地吸收熱量發(fā)生爆炸反應(yīng)，而當(dāng)煤塵的粒徑超過最佳反應(yīng)粒徑時(shí)，煤塵比表面積變小，煤塵內(nèi)部與外部熱交換速率降低，導(dǎo)致了其燃燒熱釋放速率變低，因此混合爆炸產(chǎn)生的火焰波在管道內(nèi)的火焰波傳播速度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)[22-23]。

2.3.3 對(duì)火焰波溫度峰值的影響

不同粒徑煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)管網(wǎng)中各測(cè)點(diǎn)火焰波溫度峰值的變化規(guī)律，見圖10。

圖10 不同粒徑煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)管網(wǎng)中各測(cè)點(diǎn) 火焰波溫度峰值的變化規(guī)律Fig.10 Variation of flame wave propagation velocity peak at each measuring point along the “O-A- B-D” route with the distance away from the explosion source in the occurrence of hybrid explosion of coal dust of different particle sizes

由圖10可知：在不同的煤塵粒徑條件下，管網(wǎng)中各測(cè)點(diǎn)的火焰波溫度峰值變化趨勢(shì)相同；在3種不同粒徑大小的煤塵發(fā)生混合爆炸時(shí)，煤塵粒徑為25 μm時(shí)管道內(nèi)火焰波溫度峰值最低，隨著煤塵粒徑的增大，管道內(nèi)火焰波溫度峰值也隨之升高，這是因?yàn)楫?dāng)煤塵粒徑較小時(shí)，煤塵表面會(huì)附著更多的正、負(fù)電荷以及受到范德華力等的影響；當(dāng)煤塵粒徑增大時(shí)，煤塵受到這些因素的影響減弱，能夠更快地與外界發(fā)生能量傳遞，發(fā)生燃燒爆炸反應(yīng)，因此火焰波溫度升高；當(dāng)煤塵粒徑超過最佳爆炸粒徑50 μm(增加至75 μm)時(shí)，混合爆炸產(chǎn)生的火焰波溫度峰值出現(xiàn)降低現(xiàn)象，這是因?yàn)殡S著煤塵粒徑的不斷增大，煤塵的比表面積變小，與外界熱交換效率降低，爆炸效果減弱，因此火焰波溫度出現(xiàn)下降現(xiàn)象[24]。

3 影響因素響應(yīng)面理論分析

采用多元二次回歸方程來擬合影響因素與響應(yīng)值之間的定量關(guān)系時(shí)，可用如下模型表示[25]：

y=f(x1,x2,…,xm)+ε

(1)

式中：f(x1,x2,…,xm)為x1,x2,…,xm的響應(yīng)函數(shù)；ε為隨機(jī)誤差，通常假設(shè)ε在不同的試驗(yàn)中相互獨(dú)立且均值為0，方差為δ2。

當(dāng)試驗(yàn)條件遠(yuǎn)離曲面最優(yōu)值時(shí)，常采用一階模型進(jìn)行逼近，即：

(2)

式中：β0為xi的線性效應(yīng)；βi為編碼變量xi的斜率。

當(dāng)試驗(yàn)區(qū)域接近或位于取值的最優(yōu)范圍時(shí)，則采用二級(jí)模型進(jìn)行逼近，即：

(3)

式中：βij為xi與xj之間的交互作用效應(yīng)；βii為xi的二次效應(yīng)。

根據(jù)每個(gè)觀測(cè)值或其重復(fù)值相對(duì)于平均值的差值來估計(jì)偏差(di)，則偏差平方的計(jì)算公式如下：

(4)

各試驗(yàn)結(jié)果與偏差的平方和中每一個(gè)構(gòu)成項(xiàng)除以它們相應(yīng)的自由度，就得到了總方差平方和、殘差平方和，其滿足如下公式：

SStot=SSreg+SSres

(5)

SSres=SSpe+SSlof

(6)

式中：SStot為總方差平方和；SSreg為擬合方差平方和；SSres為殘差平方和；SSpe為純誤差平方和；SSlof為失擬項(xiàng)誤差平方和。

均方和求解之后便可通過Fisher分布來檢驗(yàn)所建立模型的統(tǒng)計(jì)顯著性[26]。由下式可計(jì)算得到F值：

(7)

MSreg=SSreg/(p-1)

(8)

MSres=SSres/(n-p)

(9)

式中：p為模型回歸系數(shù)個(gè)數(shù)；n為樣本總數(shù)。

將計(jì)算得出的F值與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)臨界Prob值進(jìn)行比較，若計(jì)算得到的F值大于標(biāo)準(zhǔn)臨界Prob值，則說明模型是顯著的，即構(gòu)建的模型能較好地?cái)M合試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

選取B、C作為自變量，分別對(duì)應(yīng)煤塵質(zhì)量濃度和煤塵粒徑，分析各自變量因素對(duì)瓦斯-煤塵混合爆炸特性的影響。通過回歸分析，可得到響應(yīng)因素混合爆炸沖擊波壓力峰值Y1與自變量因素B、C之間的多元二次回歸模型方程為

Y1=934.6-55.37B-33.75C+33.25BC-255.45B2-20.2C2

經(jīng)計(jì)算，模型“Prob>F”的概率小于0.000 1，表示本試驗(yàn)所選用的模型極其顯著，失擬項(xiàng)誤差平方和為0.0531>0.05，說明利用此方法對(duì)該試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析是合理、可靠的；同時(shí)，該模型的擬合程度可用相關(guān)系數(shù)來檢驗(yàn)，該模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為96.75%，說明該模型的擬合程度較好。

煤塵質(zhì)量濃度與粒徑對(duì)瓦斯-煤塵混合爆炸沖擊波壓力峰值的響應(yīng)面和等高線，見圖11。

由圖11可知，煤塵質(zhì)量濃度的響應(yīng)面坡度要大于煤塵粒徑的響應(yīng)面坡度，因此對(duì)混合爆炸沖擊波壓力峰值的影響，煤塵質(zhì)量濃度強(qiáng)于煤塵粒徑。

圖11 煤塵質(zhì)量濃度與粒徑對(duì)瓦斯-煤塵混合爆炸 沖擊波壓力峰值的影響Fig.11 Influence of mass concentration and particle size of coal dust on explosion pressure

同理，可得響應(yīng)因素火焰波傳播速度Y2與自變量因素B、C之間的多元二次回歸模型方程為

Y2=529.4+0.38B-4.5C+10BC-14.08B2-154.32C2

經(jīng)計(jì)算，模型“Prob>F”的概率小于0.000 1，表示本試驗(yàn)所選用的模型極其顯著，失擬項(xiàng)誤差平方和0.426 3>0.05，說明利用此方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析是合理、可靠的；利用相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合程度，該模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為96.4%，說明模型的擬合程度較好。

煤塵質(zhì)量濃度與粒徑對(duì)瓦斯-煤塵混合爆炸火焰波傳播速度峰值的響應(yīng)面和等高線，見圖12。

圖12 煤塵質(zhì)量濃度與粒徑對(duì)瓦斯-煤塵混合爆炸火 焰波傳播速度峰值的影響Fig.12 Effect of coal dust mass concentration and particle size on flame wave propagation velocity

由圖12可知：煤塵粒徑的響應(yīng)面坡度要大于煤塵質(zhì)量濃度的響應(yīng)面坡度，因此對(duì)瓦斯-煤塵混合爆炸火焰波傳播速度峰值的影響，煤塵粒徑強(qiáng)于煤塵質(zhì)量濃度。

同理，可得響應(yīng)因素火焰波溫度峰值Y3與自變量因素B、C之間的多元二次回歸模型方程為

Y3=2399.6+95.7B+80.28C+6.88BC-

50.14B2-62.96C2

經(jīng)計(jì)算，模型“Prob>F”的概率為0.000 9，表示本試驗(yàn)所選用的模型顯著，失擬項(xiàng)誤差平方和0.984 3>0.05，說明利用此方法對(duì)該試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析是合理、可靠的；同時(shí)，該模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為95.34%，說明模型的擬合程度較好。

煤塵質(zhì)量濃度與粒徑對(duì)瓦斯-煤塵混合爆炸火焰波溫度峰值的響應(yīng)面和等高線，見圖13。

圖13 煤塵質(zhì)量濃度與粒徑對(duì)瓦斯-煤塵混合爆炸 火焰波溫度峰值的影響Fig.13 Effect of coal dust mass concentration and particle size on flame wave temperature

由圖13可知：煤塵質(zhì)量濃度響應(yīng)面的坡度大于煤塵粒徑響應(yīng)面的坡度，因此對(duì)于瓦斯-煤塵混合爆炸火焰波溫度峰值的影響，煤塵質(zhì)量濃度強(qiáng)于煤塵粒徑。

綜上可知：管網(wǎng)中對(duì)混合爆炸沖擊波壓力而言，煤塵質(zhì)量濃度的影響程度大于煤塵粒徑；對(duì)于火焰波的傳播速度而言，煤塵粒徑的影響程度大于煤塵質(zhì)量濃度；對(duì)于火焰波溫度而言，煤塵質(zhì)量濃度的影響程度強(qiáng)于煤塵粒徑。另外，各因素等高線之間近乎呈現(xiàn)平行趨勢(shì)，說明煤塵質(zhì)量濃度與粒徑兩個(gè)因素之間無明顯交互作用。

4 結(jié) 論

本文研究了管網(wǎng)中焦煤煤塵粒徑和煤塵質(zhì)量濃度對(duì)瓦斯-煤塵混合爆炸特性的影響，得出以下主要結(jié)論：

(1) 瓦斯-煤塵混合爆炸沖擊波壓力峰值、火焰波傳播速度峰值和火焰波溫度峰值均隨著煤塵質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)煤塵粒徑相同時(shí)，不同質(zhì)量濃度的煤塵參與混合爆炸時(shí)爆炸效果的強(qiáng)弱順序表現(xiàn)為100 g/m3>50 g/m3>150 g/m3。

(2) 隨著煤塵粒徑的增大，混合爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值、火焰波傳播速度峰值和火焰波溫度峰值同樣呈先增大后加減小的趨勢(shì)；當(dāng)煤塵質(zhì)量濃度相同時(shí)，不同粒徑的煤塵參與混合爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值和火焰波溫度峰值的大小順序表現(xiàn)為50 μm>75 μm>25 μm，產(chǎn)生的火焰波傳播速度峰值的大小順序表現(xiàn)為50 μm>25 μm>75 μm。

(3) 對(duì)于混合爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力而言，煤塵質(zhì)量濃度的影響程度大于煤塵粒徑；對(duì)于火焰波的傳播速度而言，煤塵粒徑的影響程度大于煤塵質(zhì)量濃度；對(duì)于火焰波溫度而言，煤塵質(zhì)量濃度的影響程度強(qiáng)于煤塵粒徑。煤塵質(zhì)量濃度與煤塵粒徑兩因素之間無明顯的交互作用。