周西華，王　原，李　昂，陳　猛

(1 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)工與程學(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 阜新 123000;3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心，遼寧 阜新 123000)

0　引言

煤礦井下火災(zāi)事故發(fā)生時(shí)，若無法直接滅火，則封閉火區(qū)，封閉過程中常引發(fā)瓦斯爆炸事故[1-2],而瓦斯爆炸是煤礦重大災(zāi)害之一，會(huì)造成大量的人員傷亡和生產(chǎn)系統(tǒng)的破壞，合理的阻隔爆技術(shù)及裝備，能夠有效地減弱破壞能力，減少人員傷亡[3-5]。針對(duì)傳統(tǒng)的隔爆技術(shù)如隔爆水槽棚、巖粉棚等對(duì)于一次性瓦斯爆炸往往達(dá)不到預(yù)想的隔爆效果，更無法對(duì)瓦斯多次爆炸起到連續(xù)阻隔爆作用，且不具有重復(fù)使用性的問題[6-9]。因此，有必要設(shè)計(jì)出一種簡單、可靠、環(huán)保可重復(fù)使用的隔爆水幕裝置。為此，余明高[10]、樊小濤[11]等建立了瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了水幕抑制瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了水幕對(duì)瓦斯爆炸的傳播速度和火焰溫度具有抑制作用。張鵬鵬[12]采用超聲波霧化方法研究密閉管道內(nèi)超細(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸抑制作用，得到其抑制效果主要原因是由于湍流擾動(dòng)作用和霧滴粒徑大小2個(gè)方面。李潤之[13]等研制一種新的水幕抑爆系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)煤礦發(fā)生的二次爆炸或多次爆炸具有更好的抑制效果。唐建軍[14]運(yùn)用Fluent數(shù)值模擬對(duì)比密閉容器內(nèi)的瓦斯爆炸數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出細(xì)水霧抑爆實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬偏差較大，對(duì)數(shù)值模型提出了修正意見。劉晅亞[15]等利用火焰加速管系統(tǒng)和細(xì)水霧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出水霧對(duì)氣體爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Чc水霧通量、霧區(qū)濃度、水霧區(qū)長度以及火焰到達(dá)水霧區(qū)的火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嘘P(guān)。

上述文獻(xiàn)主要是在小尺寸密閉爆炸管道中進(jìn)行試驗(yàn)，而大直徑的爆炸試驗(yàn)管道進(jìn)行研究的較少。為此，筆者自行研發(fā)大直徑瓦斯爆炸試驗(yàn)管道系統(tǒng)，在這基礎(chǔ)上布置隔爆水幕，通過試驗(yàn)系統(tǒng)研究在不同工況條件下隔爆水幕裝置對(duì)瓦斯爆炸的阻隔效果，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量瓦斯爆炸特性參數(shù)并對(duì)其變化規(guī)律及隔爆效果進(jìn)行分析。

1　瓦斯爆炸隔爆水幕試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由4部分組成，第1部分是大直徑爆炸試驗(yàn)管道，用于模擬煤礦井下平直巷道的環(huán)境；第2部分是隔爆水幕；第3部分是控制系統(tǒng)，包括點(diǎn)火控制系統(tǒng)和抑爆控制系統(tǒng)；第4部分是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于采集壓力、溫度以及火焰速度相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.1　爆炸試驗(yàn)管道

試驗(yàn)管道裝置包括1 m3的爆炸罐和5段試驗(yàn)管道，如圖1所示。管道尺寸為外徑為630 mm，總長為17.5 m，厚度為10 mm的不銹鋼圓形管道，為了使爆炸管道在運(yùn)輸和組裝上更加方便，整個(gè)17.5 m長的爆炸管道平均分成5段，每段3.5 m，管道連接處用圓形法蘭盤連接，隔爆水幕噴頭位于第2段管路上，試驗(yàn)管道安裝于715 mm的滑輪托架上。為了模擬井下平直巷道封閉火區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸，第5段管道末尾設(shè)置為開口與大氣相連接。

圖1　爆炸試驗(yàn)管道Fig.1　Explosion experimental pipeline

1.2　隔爆水幕

隔爆水幕系統(tǒng)由9個(gè)扇形噴頭、壓力表、流量表、調(diào)壓閥以及相應(yīng)供水管路組成。其中9個(gè)扇形噴頭每3個(gè)組成一道水幕環(huán)，一共3道，布置方式如圖2(a)所示。水幕噴頭為50°角扇形噴頭，材質(zhì)為不銹鋼，等效孔徑4.4 mm，隔爆水幕裝置如圖2(b)所示。9個(gè)扇形噴頭以及一組(火焰速度、爆炸壓力、溫度)傳感器均布置在一段試驗(yàn)管道上，水泵與水箱之間采用一寸水管連接，水泵型號(hào)為ZDH-250A，最高揚(yáng)程32 m。

圖2　隔爆水幕裝置及噴頭布置Fig.2　Water curtain of explosion suppression equipment and nozzle design

主供水管路上分別布置調(diào)壓閥、水壓表、水表，主供水管路經(jīng)過四通結(jié)構(gòu)分成3條支路，支路水管為4分管(內(nèi)徑15 mm)，每條管路上布置1個(gè)球閥以及3個(gè)水霧噴頭，每個(gè)水霧噴頭噴出1條扇形水帶，3條交叉形成1道水幕。

1.3　控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括點(diǎn)火控制系統(tǒng)和抑爆控制系統(tǒng)。

點(diǎn)火控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)安全連鎖監(jiān)控和點(diǎn)燃瓦斯，面板上設(shè)置了ZN48智能雙顯計(jì)測器，用于設(shè)置“點(diǎn)火引爆”按鈕按下后開始點(diǎn)火的延遲時(shí)間，同時(shí)用于倒計(jì)時(shí)顯示。

抑爆控制系統(tǒng)本體主要由1 m3的爆炸罐構(gòu)成，爆炸罐可以獨(dú)立作封閉爆炸性試驗(yàn)，以模擬井下巷道發(fā)生爆炸的情況。為了方便試驗(yàn)操作，爆炸罐開口采用螺旋卡箍式快開結(jié)構(gòu)，采用Y型迷宮式專用密封結(jié)構(gòu)，罐體為不銹鋼雙層夾套球形結(jié)構(gòu)，既可以保證正壓密封，又可以實(shí)現(xiàn)負(fù)壓密封。有效容積1 m3，設(shè)計(jì)壓力為2.2 MPa，操作壓力為2.0 MPa。為了保證操作安全，罐體上設(shè)置了安全閥和安全聯(lián)動(dòng)監(jiān)控裝置。

1.4　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為3個(gè)獨(dú)立的部分，這3部分?jǐn)?shù)據(jù)由相應(yīng)采集卡采集并由軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終由一臺(tái)工控機(jī)記錄和顯示。

1)爆炸壓力采集系統(tǒng)

采用轉(zhuǎn)換頻率1 MHz，采樣精度12位，精度為0.2‰的PCI-1712L數(shù)據(jù)采集器和美國Dytran公司制造的2200V1型壓電式高靈敏度傳感器，量程0～100 psi，即0～0.685 MPa。

2)爆炸火焰溫度采集系統(tǒng)

選用C2-7-K型熱電偶和美國生產(chǎn)的DT9805高性能數(shù)據(jù)采集模塊；C2-7-K型熱電偶技術(shù)參數(shù)為沸水測試響應(yīng)時(shí)為18 ms；壓力最高69 MPa，溫度最高2 033 K；熱電偶套管/探頭材料是金屬、塑料或陶瓷。

3)火焰?zhèn)鞑ニ俣炔杉到y(tǒng)

采用英國D749高速系列型紅外光電管和美國AD620系列運(yùn)算放大器。紅外光電管響應(yīng)速度高達(dá)0.5 μs，通過智能降噪，將電路的本底噪聲和環(huán)境的光噪擬制到-30 dB以下。

試驗(yàn)系統(tǒng)選取不同的測點(diǎn)進(jìn)行爆炸溫度信號(hào)、爆炸壓力信號(hào)和火焰?zhèn)鞑ニ俣刃盘?hào)采集，由于瓦斯爆炸傳播速度過快，為使傳感器能夠捕捉到瓦斯爆炸特性參數(shù)，在每節(jié)管道的中心布置傳感器，但由于第2段管道安裝3組水幕噴頭，為使傳感器不受水幕的影響在距離第3段管道0.3 m處設(shè)置傳感器，使前4段管道采取4組壓力傳感器和溫度傳感器，整個(gè)管道采取5組紅外火焰?zhèn)鞲衅鳎瑘D3為各測點(diǎn)傳感器布置的示意圖。

圖3　測點(diǎn)位置Fig.3　Measuring point position

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1　試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

1)瓦斯?jié)舛?.5%，不開啟水幕。

2)瓦斯?jié)舛?.5%，水幕數(shù)量3組，噴水時(shí)間60.6 s，水壓1.5 MPa，平均每個(gè)噴頭水壓為0.5 MPa。

3)改變瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行噴水試驗(yàn)。瓦斯?jié)舛确謩e為5.5%，7.5%，9.5%，11.5%，水幕數(shù)量3組，噴水時(shí)間60.6 s，水壓1.5 MPa，平均每個(gè)噴頭水壓為0.5 MPa。

4)瓦斯?jié)舛?.5%，水幕數(shù)量1組，噴水時(shí)間60.6 s，水壓0.3，0.9，1.5，2.1，2.4 MPa，平均每個(gè)噴頭壓力0.1，0.3，0.5，0.7，0.8 MPa，平均每個(gè)噴頭流量3.8，11.8，16.4，18.5，19.1 L/min。

2.2　試驗(yàn)步驟

1)準(zhǔn)備試驗(yàn)用高純度甲烷和引爆源。

2)根據(jù)試驗(yàn)工況，準(zhǔn)備好試驗(yàn)用的壓力傳感器、火焰速度傳感器和溫度傳感器,并且安裝在管道上的傳感器輸出線和數(shù)據(jù)采集卡的通道一一對(duì)應(yīng)。

3)按道爾頓分壓定律進(jìn)行配氣，分別用空壓機(jī)將爆炸罐抽為-9.5，-5.5，-7.5，-9.5，-11.5 kPa真空，打開瓦斯氣體鋼瓶，打開閥門直到真空數(shù)顯表接近大氣壓力。

4)將壓力、溫度、火焰速度采集軟件設(shè)置在“等待外部觸發(fā)狀態(tài)”。

5)開啟隔爆水幕水泵開關(guān)，打開水管的球閥，通過調(diào)壓閥將水壓調(diào)節(jié)為0.3,0.9,1.5,2.1,2.4 MPa。

6)打開爆炸壓力、溫度、火焰速度響應(yīng)的采集軟件，并把軟件調(diào)整到等待觸發(fā)模式，按下“點(diǎn)火引爆”按鈕。

7)記錄數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)采集裝置會(huì)在點(diǎn)火前100 ms開始記錄數(shù)據(jù))。

以上過程完成了一次爆炸測試試驗(yàn)。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過研發(fā)的大直徑試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行不同工況的水幕隔爆試驗(yàn)，分別得到不同瓦斯?jié)舛群筒煌涣髁織l件下爆炸壓力、火焰溫度和火焰?zhèn)鞑ニ俣龋肙rigin軟件得出壓力、溫度和速度與時(shí)間之間的變化規(guī)律并進(jìn)行分析。由于隔爆水幕位于第2段管道即測點(diǎn)1，2之間，根據(jù)壓力和溫度采集系統(tǒng)得到測點(diǎn)2，3，4數(shù)據(jù)基本相近，只是時(shí)間滯后和輕微衰減，為對(duì)比清晰，以測點(diǎn)2為例進(jìn)行分析，由于火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，測得結(jié)果是每個(gè)測速區(qū)間的平均值，并分為4個(gè)測速區(qū)間：區(qū)間1(2.65～7.6 m)，區(qū)間2(7.6～9.65 m)，區(qū)間3(9.65～13.15 m)，區(qū)間4(13.15～16.65 m)。

3.1　不同瓦斯?jié)舛认赂舯蛔饔眯Ч治?/h3>

圖4為不同瓦斯?jié)舛葪l件下壓力、溫度和速度變化曲線。

圖4　不同瓦斯?jié)舛葪l件下壓力、溫度和速度變化曲線Fig.4　Change curve of stress and temperature and velocity under different gas concentration conditions

由圖4(a)可知，瓦斯?jié)舛?.5%情況下，無隔爆水幕作用時(shí)，在42 ms時(shí)壓力達(dá)到峰值為64 kPa，隨后在200，280，70 ms時(shí)出現(xiàn)3次波峰壓力分別為19，6，3 kPa，450 ms時(shí)壓力開始均勻下降直到趨于0；在整個(gè)瓦斯爆炸過程中，壓力很快到達(dá)最大正壓值后開始下降直至最大負(fù)壓值后壓力重新上升，壓力曲線不斷震蕩，震蕩幅度不斷變小直至歸零。有隔爆水幕作用時(shí)，在80 ms時(shí)壓力達(dá)到峰值為39 kPa，最大峰值衰減了39%，并且第1個(gè)波峰出現(xiàn)時(shí)間滯后38 ms，正負(fù)壓之間震蕩幅度更小，壓力傳播更慢，爆炸壓力更快接近于0；由于水幕噴淋出水霧迅速蒸發(fā)成汽態(tài)，體積膨脹，從而對(duì)壓力的傳播有所阻隔，并且由于溫度的降低減少了爆炸氣體的膨脹，從而降低了瓦斯爆炸所產(chǎn)生的壓力，進(jìn)而證明了隔爆水幕可以有效地減少瓦斯爆炸沖擊波所產(chǎn)生的超壓破壞。

由圖4(b)可知，瓦斯?jié)舛仍?.5%情況下，無隔爆水幕作用時(shí)，在200 ms時(shí)火焰最高溫度達(dá)到969 K，而在隔爆水幕的作用下最高溫度僅為498 K，最高溫度衰減了49%，極大地降低了瓦斯爆炸的溫度，并且更早的使試驗(yàn)管道內(nèi)溫度達(dá)到室溫，從而證明隔爆水幕可以高效的減少瓦斯爆炸傳播所造成的高溫傷害。

由圖4(c)可知，瓦斯?jié)舛仍?.5%情況下，無隔爆水幕作用時(shí)，傳播速度從爆炸源點(diǎn)開始逐漸加速，在區(qū)間2出現(xiàn)最大值為136 m/s，由于管道直徑較大，持續(xù)與管壁大面積接觸摩擦，并且壁面不斷散熱，導(dǎo)致加速能量的損失，最終區(qū)間4的速度降低到115 m/s。有隔爆水幕的作用時(shí)，爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲笾禐?3 m/s，最大速度衰減了15%，經(jīng)過隔爆水幕后區(qū)間3，4的傳播速度明顯低于無水幕作用情況，最終區(qū)間4的速度降低到35 m/s，這是由于隔爆水幕降低了溫度，降低了氣體膨脹的速度，減慢了化學(xué)反應(yīng)速度，從而使火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆怠?/p>

在隔爆水幕的作用下瓦斯?jié)舛葹?.5%，7.5%，9.5%，11.5%的爆炸壓力峰值分別為23，32，39，36 kPa；瓦斯爆炸的溫度峰值分別為418，467，498，473 K；瓦斯爆炸速度峰值分別為65，68，76.15，73.15 m/s，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于無水幕情況下瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)的壓力、速度、溫度峰值。

總體來說，瓦斯?jié)舛仍浇咏?.5%，瓦斯爆炸越劇烈，其產(chǎn)生的爆炸壓力、火焰溫度和火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱?；瓦斯?jié)舛葹?1.5%的特征變化曲線與9.5%較為接近，由于氧氣不足，瓦斯活性降低，特征值開始下降，而瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)的爆炸效果明顯低于瓦斯?jié)舛葹?.5%，是由于瓦斯含量不足，化學(xué)反應(yīng)能量供給不足所導(dǎo)致；隔爆水幕雖然對(duì)瓦斯爆炸有良好的阻隔效果，大幅度降低了瓦斯爆炸所產(chǎn)生的壓力、溫度以及火焰速度，但隔爆之后的爆炸效果依然受到起爆時(shí)瓦斯?jié)舛人绊憽?/p>

3.2　不同流量下隔爆水幕效果試驗(yàn)分析

圖5為隔爆水幕噴頭的壓力流量曲線，從圖中可以看出在0～0.5 MPa時(shí)隨著水壓的升高，噴頭流量上升速度很快，在水壓0.6～1.0 MPa的范圍內(nèi)流量上升速度明顯變慢，流量峰值在水壓為1.0 MPa的情況下接近20 L/min，這說明在0.6 MPa之后已逐漸接近噴頭的流量上限。

圖5　壓力與流量變化曲線Fig.5　Change curve of flow with pressure

圖6為不同流量條件下壓力、溫度和速度變化規(guī)律曲線。

圖6　不同流量條件下壓力、溫度和速度變化規(guī)律Fig.6　Change curve of pressure and temperature and velocity under different flow rates conditions

由圖6(a)可知，壓力曲線的總體變化趨勢基于坐標(biāo)軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)并且逐漸衰減最后減小為零，整體來看正壓峰值明顯大于負(fù)壓峰值，其中流量為3.8 L/min時(shí)隔爆效果最差，壓力峰值為49 kPa，比流量為19.1 L/min時(shí)高29 kPa左右。流量為16.4，18.5，19.1 L/min時(shí)對(duì)爆炸壓力的控制效果比較接近。

由圖6(b)可知，溫度曲線的總體變化趨勢為先上升后下降，其中噴頭流量為3.8 L/min時(shí)隔爆效果最差，溫度峰值為700 K，比流量為19.1 L/min時(shí)高100 K，溫度下降為室溫時(shí)間慢100 ms，說明此時(shí)供水壓力不足，噴頭扇面未完全形成。流量為11.8 L/min時(shí)對(duì)溫度的控制效果介于流量為3.8 L/min及流量為19.1 L/min之間。流量為16.4，18.5，19.1 L/min時(shí)，溫度曲線比較接近，說明當(dāng)流量達(dá)到16.4 L/min已比較接近噴頭的最佳工作狀態(tài)，噴水扇面幅度接近最佳狀態(tài)，所以在流量超過16.4 L/min之后流量的上升對(duì)于溫度的限制作用不明顯。

由圖6(c)可知，各測點(diǎn)在不同水壓條件下對(duì)速度的控制效果隨著水壓的升高而增強(qiáng)，且均在第1測點(diǎn)達(dá)到峰值，隨后下降。流量為3.8 L/min和19.1 L/min下火焰最大速度差為32 m/s，可以看出流量的增加對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣犬a(chǎn)生較大影響，但流量上升至16.4 L/min后火焰速度下降幅度明顯減小，16.4 L/min和19.1 L/min下火焰速度峰值差不足10 m/s，在這種情況下，按照降低經(jīng)濟(jì)成本原則流量為16.4 L/min為最優(yōu)選。

綜合考慮隔爆水幕噴頭最佳的工作流量為16.4 L/min，此時(shí)支路總流量為49.2 L/min，支路的水壓為1.5 MPa。

4　結(jié)論

1)瓦斯?jié)舛?.5%情況下，在隔爆水幕的作用下瓦斯爆炸壓力峰值由64 kPa下降到39 kPa，衰減了39%；瓦斯爆炸產(chǎn)生的溫度峰值由969 K下降到498 K衰減了49%；瓦斯爆炸火焰速度最大值由136 m/s下降到73 m/s衰減了15%。

2)隔爆水幕對(duì)不同濃度的瓦斯爆炸產(chǎn)生良好的抑制效果，大幅度降低了瓦斯爆炸所產(chǎn)生的壓力、溫度以及火焰速度，但隔爆之后的爆炸效果依然受到瓦斯?jié)舛扔绊憽?/p>

3)隔爆水幕對(duì)瓦斯爆炸的抑制效果取決于噴頭流量的高低，隨著流量的增加，水幕的抑制效果增強(qiáng)，噴頭最佳的工作流量為16.4 L/min。

4)當(dāng)煤礦井下布置隔爆水幕時(shí)，可以綜合參考不同瓦斯?jié)舛群退涣髁繒r(shí)的瓦斯爆炸特性參數(shù)與時(shí)間的變化關(guān)系，但不同組數(shù)和不同布置角度的水幕隔爆效果及瓦斯爆炸特性參數(shù)變化規(guī)律還需進(jìn)一步研究。

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