張迎新, 王佳偉, 唐 露

(黑龍江科技大學 安全工程學院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

煤炭是我國主要的能源和工業(yè)原料[1],地下開采是我國煤炭開采的主要方式,這種開采方式容易引起各種災害,如礦井瓦斯爆炸、礦井水災、礦井火災等[2]。煤礦井下瓦斯爆炸在煤礦開采過程中造成了大量的人員傷亡和財產損失,對煤礦安全生產造成巨大威脅[3-4]。已經有許多學者對瓦斯爆炸的傳播規(guī)律進行了理論和實驗研究[5-11],這些研究的主要內容是壓力波在直管和不同結構的管道中的傳播特性,而煤礦井下瓦斯爆炸傳播特性受瓦斯?jié)舛取⑾锏澜Y構、障礙物的存在以及點火強度和點火位置等諸多因素的影響[12],關聯(lián)巷道結構、瓦斯?jié)舛纫约罢系K物的瓦斯爆炸研究更全面一些。因此,筆者將礦井的“通風設施”當作障礙物、利用自行研制的爆炸組合式管網實驗系統(tǒng),研究了不同甲烷體積分數(6%、8%、9.5%、11%、13%)爆炸對管網不同路段超壓變化幅度的影響。

1 實 驗

爆炸實驗系統(tǒng)由爆炸腔體、開口的傳播管路、抽真空系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)以及數據采集系統(tǒng)組成,如圖1所示。

圖1 實驗裝置原理

爆炸腔體的尺寸為DN300 mm×1 500 mm,容積109 L。整個傳播管路由單個傳播管路拼接而成,單個傳播管路尺寸為DN 125mm×2 200 mm。爆炸腔體和傳播管路的安全系數均為6。爆炸腔體與傳播管路用裝在夾持器上的聚四氟乙烯薄膜分隔,以形成密閉的爆炸腔體。通常情況下聚四氟乙烯薄膜能夠承受90 kPa的負壓,在正壓大于90 kPa時破裂。通過控制柜控制真空泵實現(xiàn)抽真空過程,這樣能夠在配氣之前在爆炸腔體內形成一定數值的負壓。配氣過程在爆炸腔體內進行,采用道爾頓分壓法分別配置6%、8%、9.5%、11%和13%濃度的甲烷-空氣預混氣體。點火過程主要由控制柜控制的點火電極來實現(xiàn),點火電極的間距為2～3 mm,每次點火能量均為440 J,點火延遲均為60 ms,點火持續(xù)時間為10 ms。數據采集過程由壓力傳感器及動態(tài)數據采集系統(tǒng)協(xié)同完成,壓力傳感器采樣頻率為50 kHz,動態(tài)數據采集系統(tǒng)可以記錄從點火開始時刻到爆炸結束時刻的壓力數值,并將不同時刻的數值在數據采集結束后上傳到控制計算機。

圖1中同樣也顯示了測點位置和通風設施的布置信息。測點1位于燃爆腔體內,測點2～9位于傳播管路中,測點7位于支路一中、測點8位于支路二中,測點9位于轉彎支路中,圖1中的M點為分叉點或轉彎點。黃色虛線代表著通風設施、黃色實線代表著強化通風設施。分別進行如下5種工況的爆炸實驗。工況1:支路中不加設通風設施;工況2:支路一中加設通風設施;工況3:支路一中加設強化通風設施;工況4:支路二中加設通風設施;工況5:支路二中加設強化通風設施。

實驗選用厚度為0.005 m膠合板模擬實際煤礦中的風門(圖2),選用鋁膜包膠合板模擬強化后的風門(圖3)。每個實驗均重復3次。

圖2 瓦斯爆炸沖破試件實驗前后對比

圖3 沖擊波作用強化設施前后對比

2 實驗結果分析

2.1 截面突變段傳播

在爆炸腔體內點燃甲烷-空氣預混氣體,沖擊波沖破聚四氟乙烯薄膜后進入擴散管路。爆炸沖擊波從爆炸腔體傳播到擴散管路首先經歷了截面突變過程。沖擊波經過截面突變段前后的強度大小分別用測點1和測點2的超壓數值p1和p2表示。假設經過截面突變段的爆炸超壓衰減幅度為α21,則α21=(p1-p2)/p1。圖4為甲烷體積分數與超壓衰減幅度關系曲線。

圖4 甲烷體積分數與α21的關系曲線

從圖4中可以看出,α21值均大于0,這是因為沖擊波傳播斷面的變化產生了壓縮波形,在傳播過程中產生再次整流沖擊形成一個擾動源誘導產生附加湍流,此時氣流湍流度增大,使瓦斯爆炸過程中沖擊波傳播速度迅速提高以至于測點2數值增高。

不同增設情況下,α21的最大值均出現(xiàn)在甲烷濃度為6%爆炸實驗中,α21的最小值均出現(xiàn)在甲烷濃度為9.5%爆炸實驗中。α21數值的大小可能與爆炸的猛烈程度有關,即爆炸越劇烈,α21的數值越小。在進行空管爆炸實驗時發(fā)現(xiàn),濃度為8%的瓦斯氣體較6%的瓦斯氣體爆炸反應強烈,在爆炸管路拐彎支路端口末端可見外焰略帶淡藍色火焰產生(圖5a)。濃度為9.5%的瓦斯氣體,發(fā)生爆炸時其現(xiàn)象非常明顯,與其他濃度的瓦斯氣體爆炸相比,點火延遲期最短,即刻發(fā)生爆炸,而且發(fā)生爆炸時有強烈刺耳的轟隆聲(圖5b)。增加瓦斯氣體濃度到11%進行實驗,爆炸反應發(fā)生時,爆炸現(xiàn)象較濃度為9.5%瓦斯氣體的現(xiàn)象減弱,在爆炸端口末端可見外焰略帶淡藍色的橙黃色火焰。濃度為13%的瓦斯氣體,爆炸反應發(fā)生時爆炸現(xiàn)象不明顯,在爆炸管路末端端口未看到有火焰產生。由此可見,隨著甲烷濃度的增加,爆炸劇烈程度先由弱變強,至濃度為9.5%時達到最強點,后續(xù)爆炸實驗的現(xiàn)象隨著甲烷濃度的增加而減弱。

圖5 不同濃度甲烷爆炸效果

2.2 直管路段傳播

測點2～5所在的管路構成了直管路段。眾所周知,沖擊波經過直管路段沿程的超壓數值必然是降低的,這是因為沖擊波進入直管路段后隨著管路的延長,沖擊波與管壁摩擦產生了能量消耗。分別用測點2～5的數值α2～α5來表征直管路段不同位置的超壓強度。假設從測點2到測點5爆炸超壓的降低幅度為α25,則α25=(α2-α5)/α2。

甲烷體積分數與α25的關系曲線,如圖6所示。由圖6可知,直管路段降低幅度隨甲烷濃度的增加具有明顯的“分組效應”,即在同一支路中加設不同強度的通風設施隨著甲烷濃度的升高對α25數值具有相同的影響規(guī)律。隨著甲烷濃度的升高,支路一中加設施,α25數值要大于支路二,支路中不增設設施α25數值最大。

圖6 甲烷體積分數與α25的關系曲線

假設經過分叉點前后主管路段超壓衰減幅度α56=(α5-α6)/α5。α56與甲烷濃度相應的關系如圖7所示。圖7與圖6有相似的分組規(guī)律,不同的是,圖7中α56數值最小值均出現(xiàn)在φCH4=9.5%時,α56數值可能受到巷道結構與甲烷濃度(即爆炸猛烈程度)的共同作用。

圖7 甲烷體積分數與α56的關系曲線

2.3 分叉路段及拐彎路段傳播

設支路一沖擊波傳播經過分叉點前后衰減幅度α57=(α5-α7)/α5,支路二沖擊波傳播經過分叉點前后衰減幅度α68=(α6-α8)/α6。

圖8顯示出了在支路二中不同增設情況下支路一的超壓衰減趨勢。支路二中增設通風設施會降低支路一中的超壓衰減幅度,增加支路二中通風設施強度會進一步降低支路一中的超壓衰減。造成這種衰減的原因可能有三個:(1)p5變小;(2)p7變大;(3)p5變小與p7變大的共同作用。然而,結合實驗數據發(fā)現(xiàn)真正的原因是p5和p7均增大,造成α57變小的原因是p7增加幅度大于p5增加幅度(假設p7在數值上增加了y,p5在數值上增加了x,那么y/p7>x/p5)。而通風設施強度的增加會使p7增加的幅度更高于p5增加的幅度。由此可見,支路二增設通風設施導致沖擊波的回傳對支路一壓力的提升比率比主管路段壓力的提升比率要大,增加通風設施強度會加大支路一壓力提升比率與主管路壓力提升比率的差距。

圖8 甲烷體積分數與α57的關系曲線

圖9顯示了在支路一中不同增設情況下支路二的超壓衰減。支路一中增設通風設施會增加支路二的超壓衰減,增加通風設施強度會降低超壓衰減。結合實驗結果分析發(fā)現(xiàn)支路一增設通風設施會使測點6和測點8超壓數值增大,造成α68增加的原因是p6增加的幅度大于p8增加的幅度,這也能說明支路一中增設通風設施對主管路段的超壓提升幅度要高于支路二的超壓提升幅度。然而,與圖8不同的是,增加通風設施強度會減小提升幅度,原因是增加通風設施強度縮小了p6與p8的差距。

圖9 甲烷體積分數與α68的關系曲線

圖10顯示出了在不同增設情況下測點9的超壓數值(取三次實驗的平均值)。支路中增設通風設施會增加拐彎支路超壓,支路二中增設通風設施在拐彎支路的超壓數值要高于支路一中增設通風設施,增加通風設施強度也會增加拐彎支路超壓。

圖10 不同增設條件下拐彎支路測點9超壓數值

3 結 論

在給定管道尺寸、爆炸腔體體積和爆源位置的情況下,探討了不同甲烷濃度以及支路中不同增設情況對不同路段超壓強度以及超壓衰減幅度的影響,得出的主要結論如下。

(1)截面突變段超壓衰減幅度與瓦斯爆炸猛烈程度有關,爆炸越劇烈衰減幅度越小,以空管爆炸為例,6%,8%,9.5%,11%及13%濃度甲烷爆炸超壓在截面突變段的超壓衰減幅度分別為4.44%,1.85%,0.64%,1.31%及1.32%。

(2)測點2到測點5以及測點5到測點6的直管路段超壓衰減,隨著甲烷濃度的升高,支路中增設不同強度通風設施超壓衰減幅度變化趨勢相同。

(3)瓦斯爆炸沖擊波經過第一個分岔口的支路稱為支路一,經過第二個分岔口的支路稱為支路二。支路二增設通風設施會降低支路一中的超壓衰減,五種濃度甲烷爆炸平均超壓衰減幅度由29.47%降至27.63%,支路二增設通風設施強度的提升會進一步降低支路一中的超壓衰減,平均衰減幅度由27.63%降至26.46%;支路一中增設通風設施會增加支路二的超壓衰減,平均衰減幅度由25.84%增加至35.46%,增加通風設施強度會降低支路二的超壓衰減,平均衰減幅度由35.46%降至31.80%。

(4)通風設施強度的提升會增加拐彎支路附近超壓數值,五種濃度下超壓數值平均增加0.02 MPa。