張迎新， 孫海波

(1.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，哈爾濱150022;2.瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究國(guó)家級(jí)專業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150022;3.雞西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江雞西，158100)

管道內(nèi)置障條件下瓦斯爆炸超壓規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

張迎新1，2， 孫海波3

(1.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，哈爾濱150022;2.瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究國(guó)家級(jí)專業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150022;3.雞西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江雞西，158100)

為探求管道內(nèi)置障條件下瓦斯氣體爆炸超壓規(guī)律，采用中型尺寸瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)裝置，開展瓦斯體積分?jǐn)?shù)為6.0%、9.5%、13.0%條件下無內(nèi)置障礙物、含內(nèi)置障礙物瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)，獲取了不同條件下的瓦斯爆炸超壓值。通過對(duì)不同條件下瓦斯爆炸超壓分析，獲得了有無障礙物條件下瓦斯爆炸超壓變化規(guī)律。結(jié)果表明:無內(nèi)置障條件下各測(cè)點(diǎn)瓦斯爆炸超壓遵循特定的規(guī)律，爆炸腔體內(nèi)的超壓峰值均不超過1 MPa。不同瓦斯體積分?jǐn)?shù)的爆炸超壓峰值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)2處。在支路1中加設(shè)障礙物后，各測(cè)點(diǎn)超壓值相對(duì)于無障礙物時(shí)的爆炸超壓值均有增大現(xiàn)象。

瓦斯;爆炸;障礙物;爆炸超壓

0 引言

礦井瓦斯是威脅煤礦井下安全生產(chǎn)的有害氣體，一旦發(fā)生爆炸，產(chǎn)生破壞性極強(qiáng)的沖擊波和高熱火焰。產(chǎn)生大量的CO、CO2等有毒有害氣體，消耗大量O2，不僅造成嚴(yán)重的人員傷亡，還可能破壞巷道及巷道內(nèi)通風(fēng)構(gòu)筑物，引發(fā)風(fēng)流紊亂導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)的破壞。衡量瓦斯爆炸破壞性程度的關(guān)鍵指標(biāo)就是爆炸所產(chǎn)生的超壓。因此，研究有、無內(nèi)置障礙物條件下瓦斯爆炸所產(chǎn)生超壓的傳播衰減規(guī)律具有重大的理論和實(shí)踐意義。

徐景德教授等［1－3］研究了瓦斯爆炸過程的激勵(lì)效應(yīng)，當(dāng)爆炸沖擊波經(jīng)過障礙物時(shí)，障礙物附近的氣體壓力明顯上升，且變化顯著。林柏泉教授［4］分析了瓦斯爆炸過程中的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)及影響作用，指出障礙物作用下瓦斯爆炸沖擊波和火焰的傳播表現(xiàn)出加速特征。王海賓等［5］研究了障礙物阻塞率和障礙物設(shè)置間距對(duì)氣體爆炸壓力和爆炸持續(xù)時(shí)間的影響，其結(jié)果表明，隨著障礙物的阻塞率增大，氣體爆炸壓力增加而爆炸持續(xù)時(shí)間變短。藺照東等［6］研究得出障礙物改變了爆炸沖擊波的傳播規(guī)律，增大了最大峰值超壓，同時(shí)，障礙物數(shù)量越多、尺寸越大，影響越顯著。文獻(xiàn)［7］研究了瓦斯爆炸壓力隨著障礙物間距的變化而變化的規(guī)律關(guān)系。王凱等［8］建立了利用弱面玻璃板模擬通風(fēng)設(shè)施的管路實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究了瓦斯爆炸超壓波遇不同位置弱面板的超壓峰值變化?guī)律，并分析了弱面板破壞前后超壓峰值的變化規(guī)律及分布特征，為風(fēng)網(wǎng)模型中通風(fēng)設(shè)施的防爆配置提供指導(dǎo)。

目前，瓦斯爆炸研究都是理論或通過大型巷道與管道來進(jìn)行的，主要探討瓦斯爆炸的諸多影響因素，并基于瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)，討論爆炸的壓力變化規(guī)律、火焰?zhèn)鞑プ饔靡?guī)律以及障礙物對(duì)其影響等，對(duì)于瓦斯爆炸后影響通風(fēng)設(shè)施的研究較少。本研究以探索煤礦巷道復(fù)雜結(jié)構(gòu)及多種復(fù)雜條件下瓦斯爆炸的特征為基點(diǎn)，研究瓦斯爆炸規(guī)律及對(duì)通風(fēng)設(shè)施的影響，為科學(xué)合理設(shè)置通風(fēng)構(gòu)筑物、減小瓦斯爆炸對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)造成的損害提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

瓦斯爆炸模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由燃爆腔體、擴(kuò)散管路等組成的瓦斯爆炸模擬裝置主體部件、抽真空裝置、配氣裝置、點(diǎn)火裝置以及數(shù)據(jù)采集分析裝置構(gòu)成。其中，燃爆腔體參數(shù): DN300 mm×1 500 mm，容積109 L。單個(gè)擴(kuò)散管參數(shù):DN125 mm×2 200 mm。燃爆腔體及擴(kuò)散管路是可燃?xì)怏w燃爆發(fā)生和傳播的場(chǎng)所，由于容納爆炸介質(zhì)溫度壓力以及導(dǎo)引燃爆氣體擴(kuò)散。為滿足燃爆腔體內(nèi)配氣、抽真空的需要，用爆破壓力小于90 kPa的塑料薄膜將燃爆腔體與擴(kuò)散管隔開并實(shí)現(xiàn)密封，爆炸管為開口容器。圖2進(jìn)一步標(biāo)注出本實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)管路中瓦斯爆炸超壓傳感器及障礙物安裝位置。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic of experimental system

圖2 實(shí)驗(yàn)管路中傳感器及障礙物安裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experiment system of sensor and failities fix in pipeline

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)利用壓縮空氣吹掃管道，吸塵器吸塵，達(dá)到清理爆炸管的目的。

(2)挑選表面光潔無損傷的聚四氟乙烯塑料膜，安裝在夾持器上，并整體安裝在燃爆腔體右盲板與伸縮節(jié)之間。

(3)將高能點(diǎn)火頭安裝在燃爆腔體左盲板的安裝孔內(nèi)，并檢查點(diǎn)火電極間隙，確保點(diǎn)火成功。

(4)連接好各配氣管線后，觀察點(diǎn)火控制屏上動(dòng)態(tài)壓力顯示框內(nèi)數(shù)值，按要求完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)配制工作。

(5)打開計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)采集程序，使程序進(jìn)入“數(shù)據(jù)采集等待狀態(tài)”。

(6)按實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置參數(shù)，點(diǎn)火壓力0 kPa，閥門遲滯時(shí)間1 s，靜電點(diǎn)火延時(shí)固定為60 ms，續(xù)弧電壓200 V。

(7)檢查管路聯(lián)接是否正常，管道上閥門是否按要求打開或關(guān)閉，高速數(shù)據(jù)采集軟件是否處于等待觸發(fā)狀態(tài)，甲烷鋼瓶是否處于安全位置，所有實(shí)驗(yàn)人員是否處于安全位置。

(8)插上高壓點(diǎn)火線。

(9)續(xù)弧充電，直到續(xù)弧電壓穩(wěn)定在設(shè)定電壓附近;觸發(fā)充電，確保充電滿5 s后啟動(dòng)點(diǎn)火按鈕。

(10)泄放剩余電壓，檢查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，依次關(guān)閉電源。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)中所用塑料薄膜材料為聚四氟乙烯材質(zhì)，實(shí)際厚度為0.3 mm，最高耐壓小于90 kPa;內(nèi)置障礙物為膠合板，厚度為0.005 m，極限破壞強(qiáng)度0.045 MPa。瓦斯氣體由純甲烷氣體按實(shí)驗(yàn)所需濃度配比，CH4氣體體積分?jǐn)?shù)為99.99%，氣體購(gòu)置于哈爾濱通達(dá)特種氣體有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 無內(nèi)置障礙條件下瓦斯爆炸超壓規(guī)律分析

圖3為實(shí)驗(yàn)管路中置障前后不同濃度甲烷爆炸各測(cè)點(diǎn)超壓曲線。由圖3可知，三種瓦斯?jié)舛缺ǔ瑝壕裱囟ǖ囊?guī)律。爆炸腔體內(nèi)的超壓值并不是整個(gè)爆炸反應(yīng)過程的超壓峰值。隨著擴(kuò)散管路的變化。超壓值相應(yīng)改變，直管路傳播中，從燃爆腔體到擴(kuò)散管路，變徑后各瓦斯?jié)舛鹊谋ǔ瑝悍逯党霈F(xiàn)在測(cè)點(diǎn)2處(距爆源3.75 m)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得體積分?jǐn)?shù)為9.5%的瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)，各傳感器爆炸超壓值均大于其他各個(gè)濃度瓦斯氣體相應(yīng)各測(cè)點(diǎn)的爆炸超壓值，且爆炸實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象強(qiáng)烈。

各實(shí)驗(yàn)濃度氣樣在燃爆腔體、主管道、支路管道及拐彎管道內(nèi)的超壓值變化規(guī)律曲線分析顯示，不同濃度瓦斯氣體的超壓峰值變化趨勢(shì)呈波動(dòng)性，爆炸超壓峰值均出現(xiàn)在距離點(diǎn)火源3.75 m處。當(dāng)瓦斯空氣預(yù)混氣體被點(diǎn)燃后，在管道內(nèi)形成兩波三區(qū)流場(chǎng)區(qū)域。各波形陣面受到封閉點(diǎn)火段反射波的疊加作用和管道內(nèi)壁摩擦產(chǎn)生的湍流作用，隨爆炸反應(yīng)的持續(xù)燃燒面積增大，爆炸的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，爆炸超壓亦逐漸增大。隨著傳播距離的增加，反應(yīng)過程中能量受擴(kuò)散管道內(nèi)壁的摩擦作用的消耗和散熱作用，燃爆氣體爆炸超壓逐漸減小。瓦斯氣體在燃爆腔體內(nèi)發(fā)生爆炸后，沖擊波由截面積大的腔體向截面積小的管道傳播。管道連接處產(chǎn)生的局部能量損失使沖擊波能量降低，但2#測(cè)點(diǎn)壓力傳感器曲線壓力數(shù)值升高，因沖擊波傳播斷面的變化產(chǎn)生了壓縮波形，在傳播過程中產(chǎn)生再次整流沖擊，形成一個(gè)擾動(dòng)源，誘導(dǎo)產(chǎn)生附加湍流。此時(shí)，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，于是在傳播至2#測(cè)點(diǎn)壓力傳感器處時(shí)壓力值升高，但隨著管路的延長(zhǎng)，沖擊波因管壁摩擦及能量消耗而使壓力數(shù)值降低，在直管路分叉前的5#測(cè)點(diǎn)處傳感器達(dá)到低點(diǎn)。到達(dá)支路管道之后由于受到支路管道(相當(dāng)于傳播路徑斷面擴(kuò)大)的泄壓作用，爆炸超壓有一定程度的降低(如測(cè)點(diǎn)6處傳感器所測(cè)超壓值降低)。無論在直管路還是支路管道，爆炸反應(yīng)受能量損失及熱量擴(kuò)散的影響，沖擊波超壓衰減，爆炸超壓逐漸減小，沖擊破壞能力降低。尤其遇到分叉管路，在支管1和支管2處產(chǎn)生泄壓效應(yīng)，沖擊波能量損失明顯。

2.2 含內(nèi)置障礙條件下瓦斯爆炸超壓分布規(guī)律

管路中置障后各測(cè)點(diǎn)瓦斯爆炸超壓曲線，見圖3。各氣樣爆炸從2#傳感器到5#傳感器瓦斯爆炸超壓為降低的趨勢(shì)，到達(dá)有分岔管道之后主管道上測(cè)點(diǎn)6處的超壓有一定的降低。支路管道1中測(cè)點(diǎn)7#傳感器的超壓要小于主管道測(cè)點(diǎn)5處的爆炸超壓，這是因?yàn)榧釉O(shè)施后沖擊波能量衰減的結(jié)果。支路2中超壓小于主管路中的超壓值，拐彎支路中在測(cè)點(diǎn)9處的超壓要大于主管道測(cè)點(diǎn)6處超壓，并且測(cè)點(diǎn)9處超壓大于測(cè)點(diǎn)8處。支路管道中，拐彎支路爆炸超壓值最大，因?yàn)闆_擊波經(jīng)過測(cè)點(diǎn)6處后，遇到支路2叉口，叉口處斷面增大，沖擊波在此分叉點(diǎn)處產(chǎn)生流態(tài)變化，經(jīng)過分叉口后能量在一定距離內(nèi)是衰減趨勢(shì)，此沖擊波在傳播過程中遇到拐彎支路，拐彎處管道壁面會(huì)對(duì)沖擊波壓力造成彈射，湍流效應(yīng)增強(qiáng)，波陣面會(huì)發(fā)生氣流漩渦。氣流受壓縮后轉(zhuǎn)入拐彎支路中，沖擊波壓力疊加，沖擊波波陣面速度提高，使測(cè)點(diǎn)9處壓力值升高，且較測(cè)點(diǎn)6處壓力高。

圖3 置障前后不同濃度瓦斯爆炸超壓分布規(guī)律Fig.3 Distribution regularities of overpressure of different concentrationgas sample before and after obstruction

對(duì)比圖3數(shù)據(jù)可知，在支路1中加設(shè)障礙物后，各濃度瓦斯爆炸時(shí)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)超壓值相對(duì)于無設(shè)施時(shí)的爆炸超壓值均有增大現(xiàn)象。從測(cè)點(diǎn)6、7和8處超壓值對(duì)比可以看出，在支路1中超壓要小于主管道測(cè)點(diǎn)5處超壓，即爆炸沖擊波在傳播過程中遇到分叉管路時(shí)，沖擊波能量會(huì)產(chǎn)生損失，超壓值降低。這是由于爆炸壓力波傳播到支路1處時(shí)相當(dāng)于遇到了斷面擴(kuò)大區(qū)域，引起沖擊波傳播激變。斷面的擴(kuò)大使流體動(dòng)能發(fā)生變化，沖擊波會(huì)產(chǎn)生渦漩。渦漩通過分叉點(diǎn)后，沖擊波超壓較分叉前降低，引起測(cè)點(diǎn)6處超壓減小。測(cè)點(diǎn)7處前有設(shè)施，在設(shè)施受到破壞前，在設(shè)施前方產(chǎn)生了波前峰的反射。反射波與后續(xù)波面相遇部分抵消后，能量降低，在瓦斯體積分?jǐn)?shù)為9.5%時(shí)，引起設(shè)施破壞后測(cè)點(diǎn)7處超壓數(shù)值下降幅度較大。瓦斯體積分?jǐn)?shù)為6.0%時(shí)，因?yàn)榭扇細(xì)怏w瓦斯體積分?jǐn)?shù)不足以形成快速的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程，產(chǎn)生的爆炸能量較小，沖擊波傳至測(cè)點(diǎn)7處時(shí)，能量不能破壞設(shè)施;瓦斯體積分?jǐn)?shù)為13.0%時(shí)，因可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)過高，從而導(dǎo)致氧氣體積分?jǐn)?shù)不足以支持爆炸反應(yīng)的持續(xù)發(fā)生，生成的能量較少，設(shè)施亦未受到破壞，這兩種體積分?jǐn)?shù)條件下瓦斯爆炸沖擊波傳播時(shí)，測(cè)點(diǎn)7處壓力為零。

在管路系統(tǒng)支路1中加入設(shè)施后，爆炸腔體內(nèi)超壓在各體積分?jǐn)?shù)瓦斯燃爆后均有不同程度的增加。在設(shè)施未被破壞情況下，相當(dāng)于兩個(gè)出口，相比無設(shè)施時(shí)減少一條管路出口，所以在相同積分?jǐn)?shù)、相同瓦斯量爆炸時(shí)，在各測(cè)點(diǎn)處沖擊波能量有上升現(xiàn)象，但從沖擊波傳播規(guī)律角度分析，總體趨勢(shì)與空白實(shí)驗(yàn)(未加設(shè)施時(shí)的實(shí)驗(yàn))時(shí)相同。

3 結(jié)論

(1)無內(nèi)置障礙條件下各測(cè)點(diǎn)瓦斯爆炸超壓遵循特定的規(guī)律，爆炸腔體內(nèi)的超壓峰值均不超過1 MPa。各瓦斯體積分?jǐn)?shù)的爆炸超壓峰值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)2處。

(2)在支路1中加設(shè)障礙物后，各體積分?jǐn)?shù)瓦斯爆炸時(shí)，各測(cè)點(diǎn)超壓值相對(duì)于無設(shè)施時(shí)的爆炸超壓值均有增大現(xiàn)象。加設(shè)障礙物后，體積分?jǐn)?shù)6%和13%的瓦斯爆炸產(chǎn)生的沖擊波均未破壞分叉管路中的設(shè)施。

(3)實(shí)驗(yàn)中，分叉支路對(duì)沖擊波有泄壓效應(yīng)，使得沖擊波能量衰減。直角拐彎支路(距拐角0.1 m)對(duì)原直線管路沖擊波能量有暫時(shí)增強(qiáng)作用。

［1］ 徐景德.置障條件下的礦井瓦斯爆炸傳播過程數(shù)值模擬研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2004，29(1):53－56.

［2］ 徐景德.礦井瓦斯爆炸沖擊波傳播規(guī)律及影響因素研究［D］.北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2003.

［3］ 徐景德，楊庚宇.瓦斯爆炸傳播過程中障礙物激勵(lì)效應(yīng)的數(shù)值模擬［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，13(11):34－44.

［4］ 林伯泉.瓦斯爆炸動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)的測(cè)定及其分析［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2002，27(2):164－167.

［5］ 王海賓，尉存娟，譚迎新.水平管道內(nèi)障礙物對(duì)氣體爆炸壓力影響的研究［J］.廣州化工，2011，39(4):43－46.

［6］ 藺照東，李如江，劉恩良，等.障礙物對(duì)瓦斯爆炸沖擊波影響研究［J］.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014(2):28－32.

［7］ 尉存娟，譚迎新，張建忠，等.不同間距障礙物下瓦斯爆炸特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中北大學(xué)學(xué)報(bào)，2015(2):88－190.

［8］ 王 凱，蔣曙光，馬小平，等.瓦斯爆炸致災(zāi)通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)急救援方法［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015(4):617－622.

(編輯 晁曉筠 校對(duì) 李德根)

Experimental study on effect of obstacles on gas explosion overpressure in duct

Zhang Yingxin1，2， Sun Haibo3
(1.School of Safety Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China; 2.National Central Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation Pipeline Safety，Harbin 150022，China; 3.Jixi Mining Group Co.Ltd.，Jixi 158100，China)

This paper aims to explore the gas explosion overpressure law in the condition of pipeline with obstacle.The research using medium-sized gas explosion test device is focused on the gas explosion experiments with the gas concentration of 6.0%，9.5%，and 13.0%under the conditions of no internal obstacle and internal obstacle to derive the overpressure value of gas explosion under different conditions.The work involves analyzing the overpressure of gas explosion under different conditions，and comparing the gas explosion overpressure law under the condition of obstacleor no obstacle.The results show that without any obstacle conditions，each point of gas explosion overpressure follows a specific rule and the overpressure peak in the explosion chamber does not exceed 1 MPa.The burst overpressure peaks of the gas concentration occur at point 2.The experiment further confirms that when the gas concentration is 9.5%，the explosion pressure is the largest，and the explosion effect is the strongest.Adding the obstruction to the branch 1 yields an increases in the overpressure value of each measuring point relative to the explosion overpressure value without any obstacle.

gas;explosion;obstacles;explosion overpressure

10.3969/j.issn.2095－7262.2017.04.006

TD712.71

2095－7262(2017)04－0350－04

:A

2017－05－14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51404102;51274267)

張迎新(1978－)，男，黑龍江省海倫人，副教授，博士研究生，研究方向:礦井通風(fēng)，瓦斯災(zāi)害防治，E-mail:zhangyingxin01@ 126.com。