賈泉升，司榮軍，李潤(rùn)之，王 磊

(1.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；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

瓦斯爆炸過(guò)程中，能量的瞬間大量釋放會(huì)產(chǎn)生高溫環(huán)境。煤礦井下瓦斯爆炸位置一般發(fā)生在掘進(jìn)巷道、回采工作面[1]，爆炸能量不易消散，在巷道中產(chǎn)生持續(xù)性高溫，給井下人員、設(shè)備造成一定損害。受初始瓦斯?jié)舛扔绊?，爆炸產(chǎn)生的高溫不同。因此,研究不同初始瓦斯?jié)舛葘?duì)爆炸過(guò)程中溫度特性的影響，可降低煤礦瓦斯爆炸事故給人員、設(shè)備帶來(lái)的危害，為煤礦瓦斯爆炸事故溫度研究提供重要依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)瓦斯爆炸過(guò)程中溫度變化展開(kāi)研究:Olsen[2]通過(guò)建立數(shù)學(xué)物理方程計(jì)算瓦斯爆炸溫度;文獻(xiàn)[3-9]通過(guò)利用FLACS、FLUENT、AutoReaGas、CHEMKIN等數(shù)值模擬軟件，研究爆炸在定容或管道傳播條件下的溫度變化規(guī)律，認(rèn)為瓦斯爆炸過(guò)程中的溫度最高達(dá)2 400 K以上，爆炸過(guò)程中的溫度變化具有振蕩特征，且初始瓦斯?jié)舛仍?.5%時(shí)溫度上升速率最高；部分學(xué)者通過(guò)模擬瓦斯室內(nèi)爆炸溫度變化規(guī)律，認(rèn)為爆炸過(guò)程中同一時(shí)刻室內(nèi)超壓分布基本均勻，空間差異較小，最高溫度可達(dá)2 226 K[10]。數(shù)值模擬研究一般在等溫、絕熱條件下進(jìn)行，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定誤差，不能準(zhǔn)確模擬實(shí)際瓦斯爆炸過(guò)程中溫度變化。因此，部分學(xué)者在實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)爆炸過(guò)程中的溫度變化進(jìn)行研究：王從銀等[11]通過(guò)電壓信號(hào)表示瓦斯爆炸在管道中傳播時(shí)的溫度變化發(fā)現(xiàn)，瓦斯爆炸過(guò)程中管道中上部釋放的熱量大于下部；文獻(xiàn)[12-13]通過(guò)研究爆炸在管道中傳播時(shí)不同位置處的溫度變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，管道上部火焰溫度高于管道下部火焰溫度；崔建霞等[14]利用R型微細(xì)熱電偶測(cè)試小型管道瓦斯爆炸溫度最高為1 920 K；文獻(xiàn)[15-16]利用C2-7-K、C2-1-K型熱電偶研究爆炸傳播過(guò)程中的溫度變化規(guī)律，測(cè)試溫度最高達(dá)1 292.27 K；劉貞堂等[17]通過(guò)分析管道爆炸傳播火焰與溫度關(guān)系發(fā)現(xiàn)，溫度升高能夠促進(jìn)火焰的傳播；Nie等[18]利用二維溫度場(chǎng)的輻射測(cè)溫法研究爆炸火焰周?chē)鷾囟茸兓?guī)律。

目前，針對(duì)瓦斯爆炸溫度的研究方法主要以數(shù)值模擬為主，實(shí)驗(yàn)條件下的研究也主要以不同測(cè)點(diǎn)處的溫度變化為主，針對(duì)不同初始瓦斯?jié)舛葪l件下爆炸溫度特性及溫度、壓力之間的相互作用關(guān)系的研究相對(duì)較少。因此，本文基于爆炸實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同初始瓦斯?jié)舛葪l件下爆炸過(guò)程中的溫度變化以及溫度、壓力之間的相互作用關(guān)系進(jìn)行研究，研究結(jié)果可為完善瓦斯爆炸溫度變化機(jī)理及災(zāi)害防控提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖1所示。實(shí)驗(yàn)配氣系統(tǒng)主要由電磁閥、配氣壓力傳感器及激光CH4濃度傳感器組成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中借助激光CH4濃度傳感器對(duì)罐體中的CH4濃度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試，通過(guò)微調(diào)使罐體中的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到設(shè)定值，精度為0.1%。

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

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由測(cè)試傳感器和瞬態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)組成(采樣頻率為100 kHz)，測(cè)試傳感器包括溫度、壓力和火焰?zhèn)鞲衅?如圖1中6所示，從上至下依次是壓力、溫度、火焰?zhèn)鞲衅?；溫度傳感器采用C型熱電偶，探測(cè)端距離罐體壁103 mm，傳感器精度0.1 K，量程273～2 373 K，響應(yīng)時(shí)間為ms級(jí)，可準(zhǔn)確測(cè)試爆炸過(guò)程中的溫度；壓力傳感器采用CYG400系列的高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器(固有頻率200 kHz)，可以對(duì)爆炸過(guò)程中的壓力信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定，能夠測(cè)試罐體壁面的壓力；火焰?zhèn)鞲衅鳛镃KG100型，響應(yīng)時(shí)間≤10 μs，可對(duì)爆炸罐體中的火焰進(jìn)行采集，并以火焰信號(hào)采集通道為內(nèi)觸發(fā)通道，傳感器接收到火焰信號(hào)時(shí)，經(jīng)瞬態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)處理后，同時(shí)觸發(fā)溫度、壓力傳感器對(duì)爆炸罐體中的溫度、壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和存儲(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)首先抽真空，并借助壓力配比法將爆炸罐體中的瓦斯-空氣混合氣配制到0.15 MPa，靜置15 min后將罐體的排氣孔通過(guò)氣體流量計(jì)和激光CH4濃度傳感器連接，調(diào)節(jié)氣體的流量使其穩(wěn)定在200～300 mL/min，2 min后讀取CH4濃度。通過(guò)向罐體中加入空氣進(jìn)行微調(diào)，直至罐體中瓦斯氣體濃度達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需值，然后將罐體中多余的混合氣體排出，最后借助20 L球形實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)火，并采集爆炸罐中的溫度、壓力數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)罐體中的氣體置換2～3次，待罐體中的溫度恢復(fù)常溫后進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步長(zhǎng)為0.5%，點(diǎn)火能量10 J，環(huán)境溫度293 K。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 瓦斯爆炸過(guò)程中溫度變化規(guī)律

瓦斯爆炸過(guò)程中產(chǎn)生的高溫傷害性極大，當(dāng)初始瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)，爆炸過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 初始瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)爆炸過(guò)程中溫度變化Fig.2 Curve of temperature change during 9.5% gas explosion

溫度延遲時(shí)間指火焰出現(xiàn)至溫度開(kāi)始上升的時(shí)間。由圖2可知，爆炸過(guò)程出現(xiàn)二次升溫現(xiàn)象，即火焰出現(xiàn)后經(jīng)歷41 ms溫度延遲后急劇上升，在爆炸時(shí)間t1即331 ms時(shí)，出現(xiàn)第1個(gè)溫度峰值T1為909.22 K，在爆炸時(shí)間t2即450 ms時(shí)降至894.35 K，然后溫度逐漸升高，在爆炸時(shí)間t2為在570 ms時(shí)，達(dá)到第2個(gè)溫度峰值T2為937.66 K，隨后溫度逐漸降低，主要原因是爆炸溫度測(cè)試點(diǎn)位于距離罐體中心103 mm處，受爆炸罐體約束作用及爆炸壓力等因素影響，火焰在20 L罐體中出現(xiàn)一定振蕩、疊加，火焰燃燒波的疊加在一定程度上促進(jìn)溫度的二次升高。

2.2 爆炸最高溫隨初始瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律

爆炸最高溫指在某初始瓦斯?jié)舛戎禃r(shí)，所測(cè)爆炸過(guò)程中溫度的最大值。爆炸極限范圍內(nèi)爆炸最高溫隨初始瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律如圖3所示。

圖3 爆炸最高溫隨初始瓦斯?jié)舛茸兓疐ig.3 Change of maximum explosion temperature with gas concentration

由圖3可知，爆炸最高溫與初始瓦斯?jié)舛瘸收袷幾兓?guī)律。隨初始瓦斯?jié)舛壬?，爆炸最高溫呈升?降低-升高-降低-升高-降低的現(xiàn)象。初始瓦斯?jié)舛仍?.5%、9.5%、12%時(shí)，爆炸最高溫出現(xiàn)極大值EV1、EV2、EV3分別為995,932,1 153 K，其中當(dāng)初始濃度為12%時(shí)，爆炸最高溫相對(duì)最大。原因是瓦斯爆炸過(guò)程中的能量主要以氣體膨脹和熱能等形式釋放[19]，實(shí)驗(yàn)中能量主要存在于高壓膨脹氣體、高溫環(huán)境、反應(yīng)產(chǎn)物以及熱傳導(dǎo)中，初始瓦斯?jié)舛炔煌?，?duì)應(yīng)爆炸前反應(yīng)能量不同。爆炸過(guò)程中產(chǎn)生的高溫環(huán)境是能量釋放形式之一，爆炸最大壓力隨瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)，產(chǎn)生的爆炸壓力相對(duì)最高，爆炸以高壓膨脹氣體形成釋放的能量大于瓦斯?jié)舛葹?.5%、12%時(shí)釋放的能量，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)溫度相對(duì)最低；初始瓦斯?jié)舛葹?2%時(shí)，由于參與反應(yīng)的CH4較多，爆炸釋放的總能量高于初始瓦斯?jié)鉃?.5%釋放的總能量，導(dǎo)致初始瓦斯?jié)舛葹?2%時(shí)的爆炸最高溫高于初始瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)的爆炸最高溫。不同初始瓦斯?jié)舛缺ㄟ^(guò)程中的火焰持續(xù)時(shí)間不同，使爆炸最高溫隨初始瓦斯?jié)舛瘸收袷幾兓?/p>

圖4 爆炸最大壓力隨瓦斯?jié)舛茸兓€Fig.4 Change of maximum explosion pressure with gas concentration

2.3 溫度延遲、升溫時(shí)間隨初始瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律

點(diǎn)火源位于球形爆炸罐中心，受溫度傳感器安裝位置影響，當(dāng)點(diǎn)火源引爆周?chē)咚箽怏w后,溫度傳感器沒(méi)有即刻探測(cè)到溫度的變化，出現(xiàn)時(shí)間延遲。初始瓦斯?jié)舛炔煌?，從火焰出現(xiàn)至溫度上升時(shí)間長(zhǎng)短不同。溫度延遲時(shí)間隨初始瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律如圖5所示。升溫時(shí)間即升溫開(kāi)始至達(dá)到最高溫所用時(shí)間，一定程度可反映爆炸溫度變化快慢。

圖5 溫度延遲時(shí)間隨初始瓦斯?jié)舛茸兓€Fig.5 Change of temperature delay time with initial gas concentration

由圖5可知，溫度延遲時(shí)間與初始瓦斯?jié)舛茸兓€近似呈U型。初始瓦斯?jié)舛仍诒ㄉ?、下限附近范圍?nèi)溫度延遲時(shí)間較長(zhǎng)；當(dāng)初始瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)，溫度延遲時(shí)間相對(duì)較短，為46 ms；當(dāng)初始瓦斯?jié)舛葹?.5%～6.0%時(shí)，溫度延遲時(shí)間出現(xiàn)斷崖式縮短；當(dāng)初始瓦斯?jié)舛葹?1.5%～14%時(shí)，溫度延遲時(shí)間快速增長(zhǎng)，最大值達(dá)到550 ms。從鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(著火的電理論)角度分析，瓦斯?jié)舛仍诒ㄉ?、下限附近變化時(shí)，能夠較大程度改變爆炸反應(yīng)的化學(xué)活性，從而進(jìn)一步影響爆炸強(qiáng)度和溫度延遲時(shí)間；初始瓦斯?jié)舛仍?.5%附近時(shí)，爆炸強(qiáng)度較大，爆炸熱傳遞速度相對(duì)最快，爆炸過(guò)程中的溫度延遲時(shí)間受瓦斯?jié)舛扔绊懴鄬?duì)較小。

升溫時(shí)間隨初始瓦斯?jié)舛茸兓鐖D6所示。由圖6可知，初始瓦斯?jié)舛仍诒ㄉ稀⑾孪薷浇鼤r(shí)，升溫時(shí)間較長(zhǎng)，為1 200 ms；當(dāng)初始瓦斯?jié)舛仍?%～12%時(shí)，升溫時(shí)間介于475～625 ms，主要原因是初始瓦斯?jié)舛容^低，CH4分子間的距離相對(duì)較大，當(dāng)點(diǎn)火發(fā)生時(shí)，參與反應(yīng)的CH4分子較少，致使爆炸反應(yīng)的鏈引發(fā)、傳遞較為緩慢，溫度開(kāi)始上升時(shí)間較晚；當(dāng)初始瓦斯?jié)舛戎饾u升高時(shí)，點(diǎn)火源周?chē)鶦H4分子量增加，爆炸反應(yīng)敏感性迅速增強(qiáng)，極易形成爆炸反應(yīng)鏈，溫度快速升高，導(dǎo)致升溫時(shí)間在爆炸下限出現(xiàn)斷崖式縮短。當(dāng)瓦斯?jié)舛仍?%～12%時(shí)，點(diǎn)火源周?chē)腃H4分子運(yùn)動(dòng)相對(duì)活躍，受瓦斯?jié)舛扔绊懀郎貢r(shí)間變化不明顯；當(dāng)初始瓦斯?jié)舛葹楸ㄉ舷迺r(shí)，隨瓦斯?jié)舛壬?，氧濃度降低，不足以提供CH4反應(yīng)需要的氧化物，成為限制爆炸發(fā)生的主要因素之一，且對(duì)爆炸影響較大，因此升溫時(shí)間在爆炸上限也存在斷崖式變化。

圖6 升溫時(shí)間隨初始瓦斯?jié)舛茸兓€Fig.6 Change of heating time with initial gas concentration

2.4 溫升速率隨初始瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律

溫升速率是描述瓦斯爆炸過(guò)程中溫度變化快慢的物理量。對(duì)爆炸過(guò)程中溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出，低濃度(6.5%)、當(dāng)量濃度(9.5%)和高濃度(12%)瓦斯爆炸時(shí)溫升速率變化規(guī)律，如圖7所示。由圖7可知，初始瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)，瓦斯爆炸過(guò)程中溫升速率最高為2.7 K/ms；初始瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)，在97 ms時(shí)溫升速率達(dá)到最大值5.41 K/ms，后逐漸降為0 K/ms，然后出現(xiàn)小幅度升高，再緩慢降低至-0.5 K/ms，并最終穩(wěn)定在0 K/ms附近。爆炸溫升速率初始階段急劇上升，說(shuō)明初始瓦斯?jié)舛葹?.5%附近爆炸劇烈，溫度上升較快；當(dāng)初始瓦斯?jié)舛葹?2%時(shí)，溫升速率最高達(dá)2.8 K/ms，小于瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)的溫升速率。

圖7 不同初始瓦斯?jié)舛葪l件下溫升速率與溫度的關(guān)系Fig.7 Relationship between temperature rise rate and temperature under different gas concentration conditions

不同瓦斯?jié)舛葪l件下溫升速率對(duì)比如圖7(d)所示。由圖7(d)可知，初始瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)爆炸最先開(kāi)始升溫，說(shuō)明爆炸過(guò)程中溫度上升延遲時(shí)間較短，且爆炸過(guò)程中溫升速率相對(duì)最高；低濃度(6.5%)和高濃度(12%)瓦斯爆炸過(guò)程中溫升速率和溫度延遲時(shí)間小于當(dāng)量瓦斯?jié)舛龋f(shuō)明初始瓦斯?jié)舛仍诋?dāng)量濃度時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)最為活躍，且各反應(yīng)物相對(duì)充足，爆炸極易發(fā)生且爆炸強(qiáng)度相對(duì)最大。

2.5 爆炸溫度與壓力關(guān)系

以初始瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)的溫度和壓力數(shù)據(jù)為例，研究溫度與壓力間的關(guān)系，如圖8所示。由圖8可知，壓力在115 ms達(dá)到峰值0.899 MPa；溫度在331 ms時(shí)第1次達(dá)到峰值為909.22 K，與壓力峰值時(shí)間間隔t1為216 ms；溫度在570 ms第2次達(dá)到峰值936.34 K，與壓力峰值時(shí)間間隔t2為455 ms。說(shuō)明瓦斯在爆炸過(guò)程中，壓力波的傳播比火焰?zhèn)鞑サ目?，因此溫度達(dá)到第1個(gè)峰值的時(shí)間較壓力波達(dá)到峰值的時(shí)間晚，爆炸壓力波傳至爆炸罐體壁后，受罐體壁反向力作用，使爆炸壓力波反向傳播，同時(shí)與相對(duì)的火焰波匯合，促使火焰波反向傳播，正向火焰波與反向火焰波疊加，使火焰溫度進(jìn)一步升高。因此，在爆炸強(qiáng)度較大時(shí)，瓦斯爆炸溫度會(huì)出現(xiàn)二次升溫現(xiàn)象。

圖8 初始瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)爆炸壓力與溫度關(guān)系Fig.8 Relationship between gas explosion pressure and temperature under 9.5% concentration

以初始瓦斯?jié)舛葹?.5%，12%為例，爆炸過(guò)程中溫度隨時(shí)間變化規(guī)律如圖9所示。由圖9可知，在爆炸過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)二次升溫現(xiàn)象，主要原因是受初始瓦斯?jié)舛扔绊?，在爆炸上、下限附近時(shí)爆炸強(qiáng)度降低，爆炸過(guò)程中壓力上升速率減慢，壓力達(dá)到峰值的時(shí)間較長(zhǎng)，壓力波到達(dá)爆炸罐體后反向傳播能力減弱。壓力、溫度峰值的時(shí)間間隔t3、t4較t2明顯縮短，爆炸過(guò)程中溫度峰值和壓力峰值的時(shí)間間隔較小，不能促進(jìn)火焰波的反向傳播，導(dǎo)致溫度上升過(guò)程中的二次升溫現(xiàn)象減弱，甚至無(wú)二次升溫現(xiàn)象。

圖9 初始瓦斯?jié)舛仍?.5%和12%條件下爆炸壓力與溫度關(guān)系Fig.9 Relationship between explosion pressure and temperature under different gas concentration conditions

3 結(jié)論

1)爆炸溫度隨初始瓦斯?jié)舛壬叱收袷幮妥兓?，?2%、6.5%時(shí)出現(xiàn)極大值，分別為1 153，995 K，初始濃度為9.5%時(shí)，爆炸最高溫為932 K。

2)不同初始瓦斯?jié)舛缺ㄟ^(guò)程中，溫度延遲時(shí)間、升溫時(shí)間隨初始瓦斯?jié)舛瘸蔝型變化，在濃度為6.5%時(shí)最高分別達(dá)到550，900 ms，然后呈斷崖式降低；在當(dāng)量濃度附近分別縮短至46，475 ms，在濃度為12.5%時(shí)又快速升高。

3)當(dāng)量(9.5%)濃度瓦斯爆炸過(guò)程中，壓力波傳播速度大于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，壓力波?huì)促進(jìn)火焰燃燒波的反向傳播，出現(xiàn)2個(gè)溫度峰值；在爆炸上、下限附近時(shí)，爆炸強(qiáng)度降低，壓力波促進(jìn)火焰燃燒波的反向傳播能力減弱，爆炸過(guò)程中僅出現(xiàn)1個(gè)峰值。