景國勛，朱斯佳，賀 祥

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.安陽工學(xué)院，河南 安陽 455000)

0 引言

煤炭資源是我國能源領(lǐng)域重要的組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)中占有極為重要的戰(zhàn)略地位，2019年原煤生產(chǎn)總量272 342.00萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，同比增長了4.06%，且煤炭消費(fèi)總量占我國能源消耗總量的57.7%。隨著煤礦開采，瓦斯涌出量增多，進(jìn)而導(dǎo)致瓦斯爆炸事故發(fā)生，造成大量人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失。目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)分岔巷道瓦斯爆炸進(jìn)行了大量的研究，賈智偉等[1-2]和付元[3]利用瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)，研究一般空氣區(qū)內(nèi)瓦斯爆炸在單向分岔管道、拐彎管道中的壓力衰減規(guī)律。Lin等[4]和張家山等[5]對(duì)3種分岔結(jié)構(gòu)的分岔角進(jìn)行研究，得出超壓峰值、火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c分岔形式之間的關(guān)系。耿進(jìn)軍等[6]對(duì)非燃燒區(qū)的瓦斯爆炸沖擊波在分岔管道中的傳播規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。解北京等[7-8]在自制45°和T型透明分岔管道內(nèi)，研究管道內(nèi)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑サ淖兓?guī)律。余明高等[9]運(yùn)用自制的瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了不同開口阻塞比下瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)研究，研究泄壓強(qiáng)度與泄壓口位置對(duì)封閉管道內(nèi)甲烷-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ挠绊懸?guī)律。陳鵬等[10]通過在方形管道內(nèi)放置不同厚度的泄壓膜并改變泄壓口位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究泄壓強(qiáng)度與泄壓口位置對(duì)封閉管道內(nèi)甲烷-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ挠绊懸?guī)律。林柏泉等[11]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定了瓦斯爆炸在分岔管道中傳播的爆炸波超壓值和火焰?zhèn)鞑ニ俣?，并?duì)瓦斯爆炸在分岔管道中的傳播進(jìn)行了理論分析。朱傳杰等[12]采用數(shù)值模擬的方法研究了爆炸波在封閉型系統(tǒng)的沖擊和振蕩特征及其特征參數(shù)變化規(guī)律。白岳松[13]對(duì)密閉直管道和密閉分岔管道中的瓦斯爆炸過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究了爆炸過程中火焰和沖擊波的傳播過程。嚴(yán)灼等[14]探索了體積不變條件下空腔尺寸特征對(duì)瓦斯爆炸傳播抑制性能的影響。王磊等[15]為了研究不同形狀障礙物對(duì)瓦斯爆炸傳播的影響機(jī)理，對(duì)直徑0.2 m、長6.5 m的密閉直管道內(nèi)的瓦斯爆炸過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

從前人的研究可以看出，瓦斯爆炸的研究多集中在直管道和分岔管道，而在分岔管道中的研究，主要集中在非火焰區(qū)和開口管道，對(duì)火焰區(qū)以及不同封閉情況的管道的研究相對(duì)較少。鑒于此，本文采用分岔管道和管道封閉情況結(jié)合，以期找到不同封閉情況下分岔巷道中瓦斯爆炸傳播規(guī)律，擬進(jìn)一步揭示封閉情況對(duì)分岔管道中瓦斯爆炸結(jié)果的影響，進(jìn)而對(duì)瓦斯爆炸災(zāi)害防治及降低事故強(qiáng)度提供一定的指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由玻璃管道、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、測(cè)試與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝像圖像采集系統(tǒng)等組成。爆炸截面尺寸為80 mm×80 mm，直管道長度1 500 mm，支管道長度750 mm，管道壁厚20 mm，耐壓強(qiáng)度為2.0 MPa。管道左端是進(jìn)氣口和點(diǎn)火電極，管道末端用PVC薄膜或者亞克力板進(jìn)行密封，管道一側(cè)開有小孔來安置壓力傳感器。點(diǎn)火系統(tǒng)由高能點(diǎn)火器、點(diǎn)火電極組成，點(diǎn)火電壓為6 kV。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由檢測(cè)區(qū)間為-0.1～0.1 MPa，采集頻率為20 k/s的壓力傳感器，USE-1608FS數(shù)據(jù)采集卡和同步控制器組成；圖像采集系統(tǒng)由High Speed Star 4G高速攝像機(jī)、控制器和計(jì)算機(jī)組成。實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.2 實(shí)驗(yàn)工況與方法

實(shí)驗(yàn)所用的瓦斯?jié)舛葹?%、9.5%和11%，將質(zhì)量流量計(jì)配制好的甲烷-空氣預(yù)混氣體通過管道左側(cè)進(jìn)氣口通入，從管道末端排氣口流出，并向玻璃管道中通入不少于管道5倍體積的預(yù)混氣體來保證整個(gè)玻璃管道中的氣體排干凈，通氣結(jié)束后，關(guān)閉進(jìn)氣閥和排氣閥，進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)。每組實(shí)驗(yàn)至少進(jìn)行3次。

實(shí)驗(yàn)在90°分岔管道中進(jìn)行，且各測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示，測(cè)點(diǎn)1設(shè)置在分岔角前100 mm處，測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)4設(shè)置在分岔角后100 mm處，測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)5設(shè)置在距出口100 mm處；并對(duì)每個(gè)角度進(jìn)行不同程度的封口，弱封閉采用PVC薄膜進(jìn)行封口，強(qiáng)封閉采用亞克力板進(jìn)行封口，具體封口方式如表1所示。

圖2 管道測(cè)點(diǎn)布置

表1 封口情況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 壓力分析

瓦斯?jié)舛葘?duì)管道中瓦斯最大爆炸壓力的影響如圖3所示，隨著瓦斯?jié)舛鹊脑龃?，在管道相同位置處，管道中的瓦斯爆炸壓力先減小后增大，在瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)，整個(gè)管道中瓦斯最大爆炸壓力達(dá)到最大，11%次之，8%最小。從圖3(a)可以看出，在雙PVC薄膜弱封閉管道中，單一濃度下，直管道和支管道中的瓦斯最大爆炸壓力呈減小趨勢(shì)。這是因?yàn)?，?dāng)瓦斯爆炸發(fā)生后，管道中的沖擊波將一部分預(yù)混氣體沖出管道，使得管道中瓦斯?jié)舛扔兴陆担瑢?dǎo)致后續(xù)反應(yīng)強(qiáng)度下降，火焰鋒面速度減小，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，不斷有瓦斯被沖出管道，參與燃燒反應(yīng)的瓦斯?jié)舛炔粩嘟档?，爆炸?qiáng)度持續(xù)減弱，如此反復(fù)，管道中瓦斯最大爆炸壓力不斷減小。圖3(b)和3(c)可以看出，在支管封閉和直管封閉管道中，瓦斯最大爆炸壓力在強(qiáng)封閉端一側(cè)不斷增大，在弱封閉端一側(cè)壓力減小，主要是在直管和支管封閉管道中，由于封閉端屬于強(qiáng)封閉，瓦斯爆炸沖擊波到達(dá)閉端形成反射波，當(dāng)反射波與燃燒反應(yīng)區(qū)相遇，在反射波和后驅(qū)沖擊波的作用下，使預(yù)混氣體在封閉端反應(yīng)時(shí)間加長，燃燒更加充分，壓力峰值也更大，而弱封閉端一側(cè)，受到爆炸源方向以及封閉端管道的高壓的影響，使得未封閉端的瓦斯氣體被排出管內(nèi)，管道中瓦斯最大爆炸壓力減小。

圖3 瓦斯?jié)舛葘?duì)管道中瓦斯最大爆炸壓力的影響

不同封閉情況對(duì)管道中瓦斯最大爆炸壓力的影響如圖4所示，同濃度下，其中直管封閉管道中各測(cè)點(diǎn)的瓦斯最大爆炸壓力最大，雙PVC薄膜弱封閉管道次之，支管封閉管道最小。這是因?yàn)樵谥惫芊忾]管道中，由于爆炸源與管道封閉端在同一水平管道，當(dāng)瓦斯爆炸后，前驅(qū)沖擊波在直管末端產(chǎn)生的反射波向爆炸源處傳播，同時(shí)后續(xù)燃燒反應(yīng)產(chǎn)生后驅(qū)沖擊波向管道末端傳播，兩股沖擊波碰撞導(dǎo)致管道中瓦斯氣體紊流增大，燃燒反應(yīng)劇烈，進(jìn)而使得管道內(nèi)瓦斯最大爆炸壓力增大。同時(shí)由于直管道內(nèi)反射波和后驅(qū)沖擊波的碰撞，能量損耗，直管中的氣體受到高壓影響較小，管道排出的瓦斯氣體較少，所以直管道中各測(cè)點(diǎn)瓦斯最大爆炸最大壓力大于雙PVC薄膜弱封閉管道。而支管封閉管道中，由于管道封閉端與爆炸源不處于同一直管中，當(dāng)封閉端的反射波傳播到直管中，反射波碰撞分岔角壁面出現(xiàn)較大的能量損失，對(duì)分岔角前造成的紊流較小，瓦斯爆炸壓力增幅不大，同時(shí)由于支管和爆源處的高壓差的影響，分岔角后直管中的瓦斯氣體以更快的速度排出管道，使得瓦斯爆炸壓力減小，所以支管封閉管道中各測(cè)點(diǎn)的瓦斯最大爆炸壓力略小于雙PVC薄膜弱封閉管道。

圖4 不同封閉情況對(duì)管道中瓦斯最大爆炸壓力的影響

2.2 火焰分析

火焰?zhèn)鞑ニ俣仁歉鶕?jù)火焰前沿位置隨時(shí)間變化而獲得，其計(jì)算公式如式(1)所示：

V=(Lt2-Lt1/t2-t1)

(1)

式中：t1和t2為時(shí)間，單位為s；Lt1和Lt2分別為t1時(shí)刻和t2時(shí)刻的火焰前沿位置，單位為mm。

2.2.1 弱封閉管道中火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律

雙PVC薄膜弱封閉管道中直管和支管的火焰?zhèn)鞑ニ俣?位置曲線與速度-時(shí)間曲線如圖5所示。由圖5可知，9.5%濃度的瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?，火焰鋒面?zhèn)鞒龉艿佬枰?9 s左右，11%的次之，需要40 s左右，而濃度8%的瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸盥?，火焰鋒面?zhèn)鞒龉艿佬枰?3 s左右。這是因?yàn)楫?dāng)瓦斯?jié)舛葹?%時(shí)，瓦斯爆炸初始?jí)毫Σ淮?，?dāng)沖擊波到達(dá)分岔角處時(shí)，產(chǎn)生的能量損耗相比于爆炸總能量占比較大，所以火焰?zhèn)鞑ニ俣茸冃。鹧驿h面較緩移動(dòng)，使得管道中燃燒反應(yīng)時(shí)間加長。

圖5～6可以看出，單一濃度下，隨著時(shí)間的增大，火焰鋒面的位置和速度發(fā)生變化，管道中火焰?zhèn)鞑ニ俣认染徛龃蠛舐晕p小，隨后又快速增大。這是由于瓦斯爆炸初期，此時(shí)爆炸強(qiáng)度較小，燃燒反應(yīng)不充分，再加上管道壁面的摩擦、散熱等因素的影響，使得火焰加速度較小，隨著反應(yīng)的進(jìn)行到管道分岔點(diǎn)處，火焰鋒面在分岔角處向兩支管擴(kuò)散，導(dǎo)致能量發(fā)生分流，火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?，在分岔角后，受到?jīng)_擊波在分岔角處的形成的紊流，使得火焰鋒面在分岔處受到強(qiáng)烈的擾動(dòng)，加劇火焰湍流的程度，火焰速度以較大的加速度增大。

圖5 雙PVC薄膜弱封閉管道中火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

圖6 雙PVC薄膜弱封閉管道中瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑ミ^程

2.2.2 強(qiáng)封閉管道火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律

同樣在圖7中可以看出，隨著管道中瓦斯?jié)舛鹊纳?，管道中火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃蠛鬁p小，9.5%瓦斯?jié)舛缺ǖ幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣茸畲?，用時(shí)最短，8%瓦斯?jié)舛缺ɑ鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣茸钚?，傳播時(shí)間最長。和雙PVC薄膜弱封閉管道一樣，同樣由于8%的瓦斯?jié)舛容^低，使得初始爆炸強(qiáng)度小于9.5%和11%的瓦斯?jié)舛缺◤?qiáng)度，同時(shí)由于管道中的能量損失和預(yù)混氣體流失較大，使得8%濃度的瓦斯爆炸火焰速度低于9.5%和11%的瓦斯?jié)舛缺ɑ鹧嫠俣?，反?yīng)時(shí)間也加長。

其中直管封閉管道火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€如圖7(a)～(d)所示，支管封閉管道火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€如圖7(e)～(h)所示。由圖7可知，同一瓦斯?jié)舛认?，分岔角前，火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俣茸兓c雙PVC膜相似，先緩慢增大后短暫下降。但在分岔角后，強(qiáng)封閉端火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俣茸兓c雙PVC薄膜弱封閉管道不同，結(jié)合圖8和圖9，直管封閉直管道中，在時(shí)間31～33 ms期間，火焰鋒面向著點(diǎn)火端移動(dòng)，而支管封閉支管道出現(xiàn)火焰鋒面向分岔角處回流?；鹧驿h面速度呈現(xiàn)先增大后減小，隨后開始向點(diǎn)火端方向增大，如此反復(fù)，在分岔角和分岔角后一段距離內(nèi)出現(xiàn)火焰振蕩現(xiàn)象。這是因?yàn)楫?dāng)沖擊波通過分岔角到達(dá)封閉端處，由于強(qiáng)封閉的阻擋導(dǎo)致管道內(nèi)局部壓力快速上升，產(chǎn)生反射波，將端口的預(yù)混氣體向分岔口推去，并在封閉端口短暫形成高壓區(qū)，在高壓區(qū)的影響下，火焰鋒面?zhèn)鞑サ椒植砜诤笏俣冉档?，直至高壓區(qū)的壓力大于爆炸壓力，使得火焰鋒面向分岔口處移動(dòng)，如此反復(fù)，出現(xiàn)火焰振蕩現(xiàn)象。而在弱封閉端，即火焰鋒面?zhèn)鞑ブ惫芊忾]支管道中，火焰鋒面在約31 ms時(shí)就快沖出管道，火焰鋒面比雙PVC薄膜弱封閉管道沖出管道提前了約8 ms，而支管封閉直管道中火焰鋒面約41 ms沖出管道，火焰鋒面沖出管道比雙PVC薄膜弱封閉管道落后約2 ms，這是由于弱封閉端受到爆源和管道封閉端處高壓的影響，推動(dòng)管道內(nèi)瓦斯氣體向弱封閉管處移動(dòng)，使得管道內(nèi)燃燒反應(yīng)加快，導(dǎo)致火焰鋒面以極快的速度傳播。

圖7 封閉管道中火焰?zhèn)鞑ニ俣?位置和時(shí)間曲線

圖8 直管封閉管道中瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑ミ^程

圖9 支管封閉管道中瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑ミ^程

3 結(jié)論

1)在瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)，T型管道中各點(diǎn)處的瓦斯最大爆炸壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧驿h面振蕩幅度最大，11%次之，8%最小。

2)T型管道中，弱封閉端的瓦斯最大爆炸壓力不斷減小，火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃蠛鬁p小，隨后快速增大；強(qiáng)封閉端的瓦斯最大爆炸壓力增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃蠛鬁p小，隨后再略微增大后快速減小，并出現(xiàn)火焰振蕩現(xiàn)象。

3)封閉情況不同的管道中各測(cè)點(diǎn)的瓦斯最大爆炸壓力和管道中火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俣却笮”容^：直管封閉管道>雙PVC薄膜弱封閉管道>支管封閉管道。