薛少謙，黃子超，杜宇婷，司榮軍

(1.中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司，重慶 400037; 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源和主體能源，受地質(zhì)條件限制，在開(kāi)采過(guò)程中存在多種安全隱患，而瓦斯煤塵爆炸是對(duì)煤礦生產(chǎn)影響最大、破壞最嚴(yán)重的災(zāi)害。近幾來(lái)，煤礦重特大事故仍頻頻發(fā)生，2019年全國(guó)煤礦發(fā)生瓦斯事故27起，造成118人死亡，占煤礦事故總死亡人數(shù)的37.3%。瓦斯煤塵爆炸等熱動(dòng)力災(zāi)害是當(dāng)前煤礦安全領(lǐng)域的難點(diǎn)，也是亟需系統(tǒng)研究和解決的問(wèn)題之一[1]。

瓦斯煤塵爆炸事故具有突發(fā)性、破壞性等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)瓦斯煤塵爆炸的特征參量和致災(zāi)機(jī)制做了大量工作。司榮軍等[2-4]利用爆炸實(shí)驗(yàn)管道、密閉容器等裝置研究了溫度、壓力、點(diǎn)火能以及多因素耦合條件對(duì)瓦斯煤塵爆炸參量的變化特性。段玉龍等[5]通過(guò)建立空間溫度衰減模型，對(duì)瓦斯爆炸后熱危害區(qū)域分布進(jìn)行了探索。劉丹等[6]應(yīng)用連續(xù)相、顆粒相計(jì)算方法，分析了瓦斯爆炸誘導(dǎo)沉積煤塵參與爆炸2種作用模式。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者通過(guò)構(gòu)建不同尺度、不同形狀(圓形、方形、球形等)的管道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了瓦斯(煤塵)爆炸壓力、火焰?zhèn)鞑ヌ匦?。LOHRER C等[7]利用直徑分別為0.159,0.200 m，長(zhǎng)23 m管道研究了不同堵塞比條件下爆炸特性參量的變化規(guī)律，得出湍流誘導(dǎo)元素增強(qiáng)了反應(yīng)流的傳熱和傳質(zhì)。MANJU Mittal[8]研究了容積為0.02 m3球形、0.027 m3、0.8 m3矩形和25.6 m3球形等不同尺度條件下甲烷-空氣混合物在密閉容器爆燃實(shí)驗(yàn)，量化了爆炸嚴(yán)重性參數(shù)對(duì)甲烷體積分?jǐn)?shù)和容器容積的依賴(lài)性，爆燃指數(shù)隨著試驗(yàn)容器尺寸的增大而增大。景國(guó)勛等[9]采用150 mm×150 mm×500 mm豎直有機(jī)玻璃管道，研究了煤塵質(zhì)量濃度對(duì)瓦斯煤塵耦合爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響。

抑爆材料的性能是影響瓦斯爆炸災(zāi)害防治的重要因素之一，各種不同的介質(zhì)材料得到越來(lái)越多的研究和關(guān)注。CHELLIAH、文虎等[10-11]對(duì)不同質(zhì)量濃度、不同粒徑的NH4H2PO4,NaHCO3化學(xué)活性粉體材料對(duì)甲烷-空氣火焰的抑制變化趨勢(shì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。CAO等[12]發(fā)現(xiàn)超細(xì)水霧能夠影響瓦斯爆炸火焰的狀態(tài)，隨水霧噴射量增加火焰“TULIPS”結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)具有延遲作用。YU 等[13-14]研究了細(xì)水霧以及添加NaCl 和感應(yīng)電荷的條件下對(duì)甲烷爆炸超壓或火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Ч?。路長(zhǎng)等[15]認(rèn)為氮?dú)庠颇荒軌蜃钄喙艿劳咚贡ǖ膫鞑ィ鴩姎鈮毫?duì)氮?dú)饽坏淖璞Ч饹Q定作用。

受實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件的限制，目前爆炸實(shí)驗(yàn)多采用小尺度的管道或爆炸容器進(jìn)行，且多采用先噴射抑爆材料、后點(diǎn)爆瓦斯等易燃物的方式，這與實(shí)際煤礦井下巷道內(nèi)瓦斯煤塵爆炸致災(zāi)特性存在較大差異，并不能可靠地指導(dǎo)實(shí)際的礦井爆炸災(zāi)害防治。筆者采用工程尺度條件的爆炸實(shí)驗(yàn)巷道，研究瓦斯煤塵爆炸的災(zāi)害演化過(guò)程，并以此為基礎(chǔ)，采用“爆炸探測(cè)-控制分析-執(zhí)行”的方式研究巷道隔爆系統(tǒng)的防控效果。研究的巷道隔爆方法和系統(tǒng)能有效控制爆炸傳播，降低事故災(zāi)害，為煤礦生產(chǎn)提供安全保障。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法

1.1 大尺度巷道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為大尺度巷道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意，由主巷、副巷、保護(hù)段組成，其中主巷分為平巷段和斜巷段。巷道全長(zhǎng)896 m，斷面為7.2 m2的半圓拱形，在保護(hù)段設(shè)置有雙重防爆門(mén)，實(shí)驗(yàn)時(shí)防爆門(mén)關(guān)閉，形成一端封閉、一端敞開(kāi)的傳播方式。

主巷為爆炸實(shí)驗(yàn)段，0 m起點(diǎn)為封閉端，由封閉端起，可以在特定設(shè)置封閉巷道斷面，形成30，50，100，200 m3容量的空間。該空間通過(guò)充氣循環(huán)管路形成瓦斯-空氣混合氣體。巷道沿走向設(shè)置有壁龕，每隔10 m或20 m布置1個(gè)，壁龕面板上安設(shè)有測(cè)試爆炸壓力、火焰等參量的傳感探測(cè)器。

1.2 巷道主動(dòng)隔爆系統(tǒng)

主動(dòng)隔爆系統(tǒng)主要由直流穩(wěn)壓電源、巷道隔爆器、火焰?zhèn)鞲衅鳌⒈_擊波傳感器、控制器等組成，如圖2所示?；鹧?zhèn)鞲衅鞑捎秒p紫外原理，光譜響應(yīng)位置在185～260 nm[16]，靈敏度高，能夠在爆炸初始時(shí)刻探測(cè)的火焰信息;沖擊波探測(cè)器高頻實(shí)時(shí)采集爆炸壓力信息，可以根據(jù)安裝使用位置的不同設(shè)置不同的觸發(fā)閾值;控制器是主動(dòng)隔爆系統(tǒng)的信號(hào)和功能中樞;巷道隔爆器儲(chǔ)存大容量的隔爆粉體介質(zhì)，直流穩(wěn)壓電源為系統(tǒng)整體正常工作和觸發(fā)過(guò)程提供動(dòng)力源。主動(dòng)隔爆系統(tǒng)的整體響應(yīng)時(shí)間小于16 ms。

當(dāng)發(fā)生爆炸事故時(shí)，傳感器探測(cè)到爆炸火焰或壓力信號(hào)并傳輸至控制器，控制器分析后輸出控制信號(hào)，觸發(fā)巷道隔爆器迅速?lài)娚涑龈舯垠w介質(zhì)，在前端形成隔爆屏障，達(dá)到撲滅爆炸火焰、衰減沖擊波的作用，阻斷爆炸的傳播。

巷道隔爆使用ABC超細(xì)干粉滅火劑作為隔爆粉體介質(zhì)，主要成分為NH4H2PO4，配有少量的SiO2,CaCO3等，質(zhì)量比90%的粒徑<15.49 μm。超細(xì)粉體貯存在隔爆器罐體內(nèi)，觸發(fā)后在儲(chǔ)存的高壓干燥氮?dú)怛?qū)動(dòng)下快速?lài)娚?，在巷道受限空間內(nèi)形成氣-粉混合隔爆屏障。NH4H2PO4在高溫下能發(fā)生多步分解反應(yīng)，與可燃物質(zhì)作用，具有冷卻降溫和隔絕窒息等方面的抑制作用[17]。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

瓦斯(煤塵)爆炸傳播實(shí)驗(yàn)與隔爆實(shí)驗(yàn)中爆源物質(zhì)與爆炸信息采集布置方式相同，實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要由瓦斯充氣循環(huán)裝置、點(diǎn)火裝置、采集裝置、測(cè)試軟件等組成，實(shí)驗(yàn)布置如圖3所示。

圖3 巷道瓦斯煤塵爆炸實(shí)驗(yàn)布置Fig.3 Layout diagram of explosion experiment of gas and coal dust

首先在不安裝主動(dòng)隔爆系統(tǒng)的條件下進(jìn)行瓦斯(煤塵)爆炸實(shí)驗(yàn)，分析爆炸參量的傳播特性。在主巷的起始段封閉形成100 m3的瓦斯室，通過(guò)管路充氣并循環(huán)形成甲烷體積分?jǐn)?shù)9%～10%的混合均勻的瓦斯氣。瓦斯煤塵爆炸實(shí)驗(yàn)預(yù)先在14～70 m通過(guò)煤塵架鋪設(shè)細(xì)煤粉(85%粒徑小于75 μm，揮發(fā)分大于40%)，細(xì)煤粉的用量按照空間質(zhì)量濃度150 g/m3布置[18]。實(shí)驗(yàn)用2根8號(hào)工業(yè)電雷管引火頭作為觸發(fā)源，引爆瓦斯混合氣體，瓦斯爆炸沖擊波卷?yè)P(yáng)煤塵，形成瓦斯煤塵爆炸。

在主巷0～120 m內(nèi)壁龕布置爆炸信號(hào)傳感器，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別安設(shè)壓力、火焰?zhèn)鞲衅?，火焰?zhèn)鞲衅饕?CU24光敏二極管為核心，能夠探測(cè)爆炸火焰的到達(dá)時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。壓力傳感器采用高頻響壓阻式原理，直接顯示可存儲(chǔ)的壓力信號(hào)。爆炸數(shù)據(jù)采集采用基于PXIe硬件平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)64路通道的瞬態(tài)信號(hào)高速采集，實(shí)驗(yàn)中采樣率為每秒106個(gè)采樣點(diǎn)，在引爆的同時(shí)觸發(fā)系統(tǒng)的各采集通道，采集各測(cè)點(diǎn)爆炸壓力、火焰信息隨時(shí)間的變化規(guī)律。爆炸實(shí)驗(yàn)流程為“封閉瓦斯室-配氣-循環(huán)混合-點(diǎn)火采集-巷道通風(fēng)”，實(shí)驗(yàn)完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。

隔爆實(shí)驗(yàn)中，瓦斯(煤塵)爆炸強(qiáng)度、可燃物布置位置、點(diǎn)火方式與爆炸傳播實(shí)驗(yàn)相同，根據(jù)主動(dòng)隔爆系統(tǒng)的工作原理在巷道內(nèi)安裝布置各組成部分。根據(jù)爆炸火焰、壓力等信息的發(fā)展演化規(guī)律，在爆炸初始段分別布置火焰?zhèn)鞲衅骱蛪毫鞲衅鳎诒▊鞑ネ緩桨惭b巷道隔爆器。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)爆炸能量和強(qiáng)度的不同，逐漸遞增隔爆粉體介質(zhì)，隔爆器罐體內(nèi)粉體的驅(qū)動(dòng)氣壓力均為(8±0.5)MPa。

2 隔爆屏障的形成及動(dòng)態(tài)特征

隔爆粉體介質(zhì)噴射后在空間內(nèi)的動(dòng)態(tài)分布特征及屏障效果是影響隔爆系統(tǒng)性能的重要因素之一。通過(guò)高速攝像機(jī)在地面敞開(kāi)空間對(duì)巷道隔爆器的粉體噴撒過(guò)程進(jìn)行了記錄，拍攝幀率為1 000 fps。粉體隔爆屏障在空間內(nèi)的形成過(guò)程和動(dòng)態(tài)特征如圖4所示。

圖4 粉體介質(zhì)噴撒動(dòng)態(tài)分布狀態(tài)Fig.4 Distribution of cloud curtain of powders at different times

噴撒實(shí)驗(yàn)中，罐體內(nèi)超細(xì)粉體介質(zhì)的充裝質(zhì)量為30 kg，驅(qū)動(dòng)壓力為8.0 MPa。由圖4(a)可知，隔爆器觸發(fā)后，粉體介質(zhì)快速向前噴射，以觸發(fā)時(shí)刻為起點(diǎn)，在120 ms時(shí)刻形成直徑約3.2 m的近圓形云幕，面積8.04 m2，能夠覆蓋大尺度巷道的全斷面。由圖4(b)～(e)可知，粉體介質(zhì)繼續(xù)快速向前噴射，并向四周擴(kuò)散，粉體云幕可以在空間形成大范圍的有效隔爆屏障。實(shí)驗(yàn)中隔爆器為傾斜放置，根據(jù)介質(zhì)物理狀態(tài)，粉體位于罐體下部，驅(qū)動(dòng)氣位于上部，實(shí)驗(yàn)中粉體介質(zhì)率先快速?lài)姵?，然后在氮?dú)怛?qū)動(dòng)力作用下繼續(xù)向前噴射，在1 200 ms時(shí)刻覆蓋范圍距噴粉口20 m左右，隨后向前擴(kuò)散速度減緩。因此，氣體壓力是影響粉體介質(zhì)動(dòng)態(tài)分布和覆蓋距離的直接因素。

在驅(qū)動(dòng)氣壓力下，粉體向四周擴(kuò)散的速度小于軸向的噴射速度。當(dāng)在巷道內(nèi)有限空間約束條件下，粉體向前的噴射速度會(huì)更快。由于超細(xì)干粉的能保持良好的懸浮狀態(tài)，在空間內(nèi)的持續(xù)作用時(shí)間大于5 000 ms，可以在巷道隔爆實(shí)驗(yàn)中起到有效的抑制滅火作用。

定義粉體質(zhì)量濃度為隔爆器噴撒粉體介質(zhì)形成有效隔爆屏障后，超細(xì)粉體顆粒分布在單位空間內(nèi)的質(zhì)量。粉體質(zhì)量濃度為

(1)

式中，c為噴撒后空間內(nèi)的粉體質(zhì)量濃度，g/m3;m0為粉體的充裝質(zhì)量，kg;m1為噴撒完成后粉體的剩余質(zhì)量，kg;S為粉體云幕的橫截面面積，m2;L為粉體介質(zhì)的噴撒距離，m。

在巷道隔爆實(shí)驗(yàn)中，受巷道壁面約束，橫截面積為7.2 m2，不考慮爆炸沖擊波對(duì)隔爆屏障的后續(xù)影響，覆蓋距離按照地面噴撒實(shí)驗(yàn)中20 m計(jì)算。

3 巷道瓦斯(煤塵)爆炸傳播特性

3.1 瓦斯爆炸傳播特性

進(jìn)行了CH4體積分?jǐn)?shù)9.5%的100 m3瓦斯爆炸傳播試驗(yàn)，不同位置爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣热鐖D5所示?；鹧?zhèn)鞑ニ俣葹橄噜弮蓽y(cè)點(diǎn)火焰到達(dá)的時(shí)間間隔與距離的比值，即v=(t2-t1)/l。其中，v為火焰?zhèn)鞑ニ俣龋琺/s;t1,t2分別為前后兩測(cè)點(diǎn)的火焰到達(dá)時(shí)刻，s;l為兩測(cè)點(diǎn)的距離,m。

圖5 瓦斯爆炸壓力及火焰?zhèn)鞑プ兓?guī)律Fig.5 Variation of pressure and flame velocity in gas explosion experiment

由圖5可知，在瓦斯爆炸過(guò)程中，各測(cè)點(diǎn)最大爆炸壓力不是單調(diào)的下降，而是有所起伏。由于爆炸源附近可燃?xì)獗稽c(diǎn)燃后，氣體高速向外壓縮膨脹，未被點(diǎn)燃的瓦斯氣在壓縮波作用下向前運(yùn)動(dòng)，壓力達(dá)到某一峰值后有所下降。又因巷道空間的約束作用以及壓力波的回傳等原因，更多瓦斯氣被點(diǎn)燃，使得壓力又重新出現(xiàn)回升。隨著爆炸反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，在沒(méi)有更多瓦斯氣體支持下，且無(wú)其他條件影響，后續(xù)各測(cè)點(diǎn)爆炸壓力又逐漸回落。本次試驗(yàn)，100 m3瓦斯爆炸過(guò)程中，最大爆炸壓力出現(xiàn)在40 m測(cè)點(diǎn)位置，最大爆炸壓力為103 kPa。

在爆炸初期火焰速度大于壓力波傳播速度，隨著爆炸發(fā)展，壓力波超越火焰波陣面，形成典型的“2波3區(qū)”結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中，爆炸火焰最遠(yuǎn)傳播至封閉端60 m位置，這也符合爆炸火焰區(qū)長(zhǎng)度為初始瓦斯積聚區(qū)3～5倍的關(guān)系[19]。最大火焰?zhèn)鞑ニ俣然九c爆炸最大壓力在同一區(qū)域，最大火焰速度為30～40 m的285.7 m/s，火焰速度達(dá)到極值后開(kāi)始下降，60 m之后未測(cè)到爆炸火焰。

3.2 瓦斯煤塵爆炸傳播特性

圖6為CH4體積分?jǐn)?shù)9.5%時(shí)的100 m3瓦斯誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸實(shí)驗(yàn)中，不同測(cè)點(diǎn)位置爆炸最大壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊葏⒘孔兓?/p>

圖6 瓦斯煤塵爆炸壓力及火焰?zhèn)鞑プ兓?guī)律Fig.6 Variation of pressure and flame velocity in gas and coal dust explosion experiment

由圖6可知，在瓦斯煤塵爆炸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各測(cè)點(diǎn)位置的爆炸最大壓力明顯增大。初始段的瓦斯氣體爆炸在爆源處達(dá)到極大值，而爆炸沖擊波在卷?yè)P(yáng)鋪設(shè)煤塵的過(guò)程中消耗能量，爆炸壓力降低。隨后，煤塵參與爆炸，爆炸壓力逐漸升高，在60 m達(dá)到最大值140 kPa。同樣，在傳播過(guò)程中，卷?yè)P(yáng)煤塵云和壓縮氣體共同向前推進(jìn)，受空間約束，在壓縮波疊加、膨脹波作用、傳播做功及壁面能量耗散等因素共同作用下，爆炸壓力在傳播過(guò)程中出現(xiàn)振蕩，在120 m內(nèi)整體下降幅度較小。

爆炸火焰區(qū)長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于煤塵鋪設(shè)區(qū)，火焰能傳播至120 m之后?；鹧?zhèn)鞑ニ俣入S距離呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在14～60 m瓦斯煤塵持續(xù)參加化學(xué)反應(yīng)，火焰速度急劇增加，最大火焰速度在40～60 m，最大速度為313 m/s，之后隨著可燃物質(zhì)減少火焰速度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，在100 m之后由于沒(méi)有更多的能量維持，火焰速度降至76 m/s。在煤塵質(zhì)量濃度150 g/m3、鋪設(shè)區(qū)14～70 m條件下，瓦斯煤塵復(fù)合爆炸過(guò)程中的火焰區(qū)長(zhǎng)度為煤塵區(qū)的2.1倍。相對(duì)于瓦斯爆炸，煤塵參與反應(yīng)后，爆炸能量增加，燃燒反應(yīng)得以延續(xù)和發(fā)展，爆炸強(qiáng)度增加，火焰區(qū)長(zhǎng)度增加。

4 巷道隔爆實(shí)驗(yàn)效果及分析

4.1 主動(dòng)隔爆系統(tǒng)的布置

根據(jù)瓦斯(煤塵)爆炸傳播特性，隔爆系統(tǒng)采用先火焰探測(cè)后壓力探測(cè)的方式，火焰?zhèn)鞲衅靼惭b在最前端，距離點(diǎn)火源5 m左右，爆炸沖擊波探測(cè)器安裝在距離封閉端20 m處。隔爆系統(tǒng)根據(jù)探測(cè)到火焰、壓力信號(hào)的不同，判別分析爆炸發(fā)生傳播的不同階段，從而觸發(fā)不同數(shù)量的巷道隔爆器。為檢驗(yàn)隔爆系統(tǒng)的性能和效果，巷道隔爆器安裝在爆炸最大壓力和最大火焰速度出現(xiàn)位置的前端，從而與傳播實(shí)驗(yàn)中爆炸參量傳播特性進(jìn)行對(duì)比分析。瓦斯隔爆實(shí)驗(yàn)中，巷道隔爆器安裝在主巷內(nèi)距封閉端20 m處，瓦斯煤塵隔爆實(shí)驗(yàn)中，巷道隔爆器安裝在主巷內(nèi)距封閉端40 m左右位置。

根據(jù)隔爆屏障的噴撒動(dòng)態(tài)特征，驅(qū)動(dòng)氣壓力是影響粉體在空間分布范圍的決定因素，貯粉質(zhì)量是影響隔爆屏障粉體質(zhì)量濃度的決定因素。隔爆實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變隔爆器貯粉質(zhì)量，從而改變隔爆屏障的粉體質(zhì)量濃度。隔爆實(shí)驗(yàn)中隔爆器的安裝方式和驅(qū)動(dòng)壓力與噴撒測(cè)試中相同，粉體介質(zhì)的用量是20～90 kg，根據(jù)式(1)計(jì)算得出在爆炸火焰前端形成的隔爆屏障的粉體質(zhì)量濃度。實(shí)驗(yàn)采用爆炸壓力、火焰?zhèn)鞑サ葏⒘孔兓治霾煌|(zhì)量濃度粉體的主動(dòng)隔爆效果。

4.2 粉體質(zhì)量濃度對(duì)隔爆效果的影響

4.2.1粉體抑制作用分析

ABC粉體分解溫度低，可以在燃燒反應(yīng)的預(yù)熱區(qū)分解，而且其多步分解反應(yīng)均是高度吸熱過(guò)程，起到有效冷卻降溫的作用。分解產(chǎn)生的NH3、水蒸氣以及惰性分子和顆粒能夠隔離可燃物質(zhì)與氧氣接觸。隨著粉體質(zhì)量濃度的增加，超細(xì)粉體的冷卻、隔絕效應(yīng)逐漸增加，活性自由基與惰性分子的碰撞幾率增加，從而消耗活性自由基的鏈終止反應(yīng)速率增加，燃燒爆炸反應(yīng)速率降低。而且，隔爆器內(nèi)高壓驅(qū)動(dòng)氣體氮?dú)獬掷m(xù)噴出，氮?dú)獾膰娚浞较蚺c沖擊波壓力的傳播方向相反，起到對(duì)沖效果，減緩了爆炸波的傳播，氮?dú)庾鳛榉€(wěn)定的第3體同樣起到了抑制作用[20]，稀釋了甲烷和氧氣體積分?jǐn)?shù)，隔爆效果更加明顯。

在瓦斯煤塵爆炸隔爆實(shí)驗(yàn)中，惰性顆粒一方面阻擋了煤粒子與氧的接觸，另一方面可以吸附在煤粉顆粒表面產(chǎn)生結(jié)焦，阻礙熱傳導(dǎo)和火焰輻射，起到了有效的隔爆效果。

4.2.2爆炸超壓變化

爆炸超壓是衡量爆炸反應(yīng)過(guò)程和破壞程度的重要參量。圖7為瓦斯隔爆、瓦斯煤塵隔爆實(shí)驗(yàn)添加不同質(zhì)量粉體介質(zhì)時(shí)，爆炸最大壓力隨傳播距離的變化規(guī)律。

圖7 不同粉體質(zhì)量濃度對(duì)爆炸壓力的影響Fig.7 Effects on explosion pressure under different mass concentrations of powders

當(dāng)燃燒爆炸反應(yīng)熱效應(yīng)放出的能量大于向前傳播和熱交換損失的能量時(shí)，爆炸超壓上升;反之，爆炸超壓下降。由圖7可知，在隔爆實(shí)驗(yàn)中，由于隔爆器超前噴撒粉體介質(zhì)形成有效的隔爆屏障，起到了良好的消焰阻火作用，而粉體質(zhì)量濃度是影響隔爆效果的直接因素。瓦斯隔爆實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)粉體質(zhì)量濃度為138.9 g/m3時(shí)，爆炸壓力經(jīng)過(guò)短暫的低壓區(qū)后又快速上升，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)有效的隔爆效果。隨著粉體質(zhì)量濃度的增加，隔爆系統(tǒng)消減沖擊波的作用逐漸增加。當(dāng)粉體質(zhì)量濃度為208.3,277.8 g/m3時(shí)，爆炸最大壓力在隔爆系統(tǒng)后端分別降低至40.5,36.4 kPa，相對(duì)于瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)同一位置的最大壓力下降了60.2%,64.2%。

主動(dòng)隔爆系統(tǒng)不能消除爆炸壓力波，但可以大幅減弱爆炸壓力的強(qiáng)度和破壞性。瓦斯煤塵爆炸隔爆實(shí)驗(yàn)中，在40 m之前無(wú)粉體介質(zhì)的阻隔作用，壓力上升與爆炸傳播實(shí)驗(yàn)規(guī)律一致。在40 m之后，爆炸超壓出現(xiàn)拐點(diǎn)，進(jìn)入衰減區(qū)。當(dāng)隔爆屏障的粉體濃度為416.7 g/m3時(shí)，爆炸超壓在70 m位置下降至75 kPa，爆炸最大壓力相對(duì)于傳播實(shí)驗(yàn)明顯降低。當(dāng)粉體濃度增加到625.0 g/m3時(shí)，70 m位置爆炸最大壓力降低至54 kPa，相對(duì)于瓦斯煤塵爆炸實(shí)驗(yàn)的最大壓力下降了60.3%。

4.2.3爆炸火焰?zhèn)鞑プ兓?/p>

爆炸火焰是爆炸反應(yīng)釋放能量的外在直觀表現(xiàn)，在釋放能量支持下，爆炸猛烈程度增強(qiáng)、破壞性增加。在爆炸傳播實(shí)驗(yàn)中，隨瓦斯和煤粉可燃物質(zhì)用量的增加，在化學(xué)反應(yīng)支持下，爆炸火焰?zhèn)鞑サ木嚯x更遠(yuǎn)，火焰速度增加。實(shí)驗(yàn)中，單一甲烷體積分?jǐn)?shù)9.5%、體積100 m3瓦斯爆炸火焰區(qū)長(zhǎng)度為60 m，同等瓦斯與質(zhì)量濃度150 g/m3,14～70 m煤塵區(qū)發(fā)生復(fù)合爆炸的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x至120 m之后。實(shí)驗(yàn)條件下，煤塵參與反應(yīng)后，火焰區(qū)長(zhǎng)度呈現(xiàn)翻倍增加。

如圖8所示，當(dāng)布置隔爆系統(tǒng)后，在爆炸壓縮波作用下，爆炸火焰仍會(huì)向前傳播一定距離，但火焰區(qū)長(zhǎng)度大幅度縮短。而且，當(dāng)粉體質(zhì)量濃度較低時(shí)，隔爆屏障不能撲滅火焰，隨著質(zhì)量濃度的增加，粉體消焰滅火區(qū)的長(zhǎng)度遞減。瓦斯隔爆實(shí)驗(yàn)中，粉體質(zhì)量濃度為277.8 g/m3時(shí)，爆炸火焰最遠(yuǎn)傳播至30 m;在瓦斯煤塵隔爆實(shí)驗(yàn)中，粉體質(zhì)量濃度為625.0 g/m3時(shí)，60 m位置未探測(cè)到火焰信號(hào)。煤塵參與反應(yīng)后，氣相與固相爆炸耦合，釋放的熱量大于瓦斯爆炸，爆炸壓力和火焰在接觸區(qū)存在疊加效應(yīng)，熱效應(yīng)與爆炸沖擊效果增加。所以，煤塵的存在對(duì)隔爆系統(tǒng)的安裝布置和粉體用量都有較大影響，達(dá)到同等隔爆效果時(shí)，瓦斯煤塵隔爆實(shí)驗(yàn)中需要的粉體質(zhì)量濃度明顯增大。

圖8 不同質(zhì)量濃度隔爆粉體對(duì)爆炸火焰區(qū)長(zhǎng)度的影響Fig.8 Effect on flame zone length under different mass concentration of powder

圖9為瓦斯隔爆、瓦斯煤塵隔爆實(shí)驗(yàn)中添加不同質(zhì)量粉體條件下，爆炸火焰速度隨距離的傳播變化規(guī)律。在隔爆實(shí)驗(yàn)中，粉體質(zhì)量濃度增加后，最大火焰速度出現(xiàn)位置逐漸前移。瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)中最大火焰速度出現(xiàn)在30～40 m，當(dāng)粉體質(zhì)量濃度為208.3,277.8 g/m3時(shí)，最大速度分別出現(xiàn)在20～30,10～20 m，而且最大速度分別為144.8,92.6 m/s。爆炸火焰最終在隔爆器后20 m被完全撲滅。

在瓦斯煤塵傳播實(shí)驗(yàn)中，最大火焰速度出現(xiàn)在40～60 m，而在隔爆實(shí)驗(yàn)中，最大火焰速度在巷道隔爆器的前端，即20～40 m。隔爆器的安裝位置為爆炸火焰?zhèn)鞑サ摹肮拯c(diǎn)”，在隔爆屏障覆蓋區(qū)，爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆俳档?。?dāng)隔爆屏障的粉體質(zhì)量濃度為416.7 g/m3時(shí)，爆炸火焰的最大傳播速度為226.4 m/s，70 m位置未探測(cè)到火焰信號(hào)，爆炸火焰在隔爆器后30 m范圍內(nèi)被完全撲滅。隨著粉體質(zhì)量濃度的增加，隔爆效果增強(qiáng)，當(dāng)質(zhì)量濃度增加至625.0 g/m3時(shí)，爆炸火焰的最大傳播速度為102.9 m/s，60 m位置未探測(cè)到火焰信號(hào)，爆炸火焰被控制在隔爆器后20 m內(nèi)。

5 結(jié) 論

(1)巷道隔爆器內(nèi)粉體介質(zhì)在觸發(fā)后快速向外噴撒形成隔爆屏障，驅(qū)動(dòng)氣體壓力是影響隔爆屏障動(dòng)態(tài)分布和覆蓋距離的直接因素。粉體在120 ms時(shí)刻形成8.04 m2有效斷面，1 200 ms時(shí)隔爆屏障可覆蓋20 m，粉體能在空間內(nèi)持續(xù)作用5 000 ms以上。

(2)巷道隔爆系統(tǒng)的粉體介質(zhì)和惰性驅(qū)動(dòng)氣體能起到有效的衰減壓力波作用。隨著粉體質(zhì)量濃度的增加，隔爆系統(tǒng)的效果增強(qiáng)。在瓦斯隔爆實(shí)驗(yàn)粉體質(zhì)量濃度為277.8 g/m3時(shí)，40 m位置爆炸超壓為36.4 kPa，相對(duì)于爆炸傳播實(shí)驗(yàn)最大壓力下降了64.2%。瓦斯煤塵爆炸隔爆實(shí)驗(yàn)中，粉體質(zhì)量濃度為625.0 g/m3時(shí)，70 m位置爆炸超壓降低至54 kPa，相對(duì)于同等爆炸傳播實(shí)驗(yàn)的最大壓力下降了60.3%。

(3)在巷道隔爆系統(tǒng)的氮?dú)夂头垠w隔爆屏障作用下，成功實(shí)現(xiàn)隔爆，爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆傧陆?，直至最終消失。瓦斯隔爆實(shí)驗(yàn)中，隨著粉體質(zhì)量濃度的增加，最大火焰速度出現(xiàn)在爆源附近，最大速度為92.6 m/s，爆炸火焰最終控制在在隔爆器后20 m;瓦斯煤塵爆炸隔爆實(shí)驗(yàn)中，爆炸火焰在隔爆器后20 m區(qū)域內(nèi)被完全撲滅。