環境溫度對瓦斯爆炸壓力及壓力上升速率的影響＊

李潤之，黃子超，司榮軍

（中煤科工集團重慶研究院，重慶400037）

在煤礦生產過程中，隨著開采深度的逐年增大和煤礦井下自燃發火等原因，礦井環境溫度也隨之升高，環境溫度的升高給礦井瓦斯治理工作帶來了嚴峻的考驗。而在煤層氣利用過程中，同樣面臨環境溫度改變所帶來的一系列的安全問題，這也是制約低濃度煤層氣大規模利用的關鍵因素。因此，研究特殊環境條件下的瓦斯爆炸特性、探索各影響因素對瓦斯爆炸的作用機理等，對于有效地防治礦井瓦斯爆炸事故和煤層氣的安全利用均具有十分重要的意義。

通過實驗和事故案例分析，發現環境溫度的改變對瓦斯爆炸特性具有重要影響。目前，就環境條件對瓦斯爆炸特性的影響研究方面，許多學者作了一定程度的研究［1－5］，但由于特殊環境條件下可燃氣體爆炸特性實驗較難進行，該方面的研究依然較少，也未形成系統的理論體系。

本文中首先對環境溫度對爆炸壓力及壓力上升速率的影響進行理論分析，在此基礎上針對不同環境溫度條件對瓦斯爆炸的最大爆炸壓力、爆炸壓力上升速率的影響進行實驗研究，分析隨環境溫度的改變所測得的各參數的變化規律。

1 理論分析

密閉容器中的爆炸發展過程較為復雜，在一般情況下沒有解析解。為此采用等溫模型作近似假設［6］，在簡化模型的基礎上推導出溫度與爆炸表征參數的解析關系式。等溫模型的基本假設是已反應物質（燃燒產物）的溫度Tb和未反應物質（初始反應物）的溫度Tu在爆炸發展過程中始終不變

式中：Tf為燃燒終態產物溫度，由熱化學計算得到；Ti為反應物初始環境溫度，一般為常溫。

初始環境溫度Ti與Tu近似相等，對最大壓力和最大壓力上升速率影響不大，而主要受已反應物質的溫度（火焰溫度）Tb的影響。通過大量熱化學計算，歸納出如下燃燒溫度與初始溫度的關系

最大爆炸壓力表達式可表示為式中：Mu和Mb分別為未燃和已燃燃料的平均分子量，p0為初始環境壓力。從公式（4）中可以看出，pm隨Tu增加而減小。

初始溫度對最大爆炸壓力上升速率的影響可由下述表達式給出

式中：Kr為燃燒速度，α為湍流因子，s為火焰面積，V為爆炸容器容積。該式表明是Tu的二次函數。但從式（5）中可以看出，T2u和Tu的系數項與常數4 1702相比要小得多。

2 實驗設備及環境條件

實驗裝置如圖1所示，包括20L爆炸罐體、配氣系統、點火系統、加溫系統及數據采集系統等。爆炸罐體連接有壓力傳感器、溫度傳感器，并與控制系統相連，控制系統通過時序電路控制加溫系統、配氣系統、點火系統，控制系統通過無線監控傳輸器與高頻數據采集系統相連。實驗過程中，在爆炸罐體中心進行點火，利用壓力傳感器探測容器內的定容爆炸壓力，并進行實時數據采集。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experiment equipment

環境條件的改變對瓦斯爆炸特性具有明顯影響，因此，在實驗時，必須考慮實驗的環境條件。本文中實驗在常壓條件下進行，環境相對濕度在10%～25%RH之間，爆炸前罐體內氣體處于無湍流靜止狀態，采用電火花能量發生器產生的10J電火花作為點火源，環境溫度變化范圍為298～473K。

3 環境溫度對瓦斯爆炸壓力的影響

3.1 常溫常壓條件下的爆炸壓力變化規律

實驗在常溫常壓（298K、0.1MPa）條件下得到瓦斯體積分數為9.8%時的典型爆炸壓力變化曲線，如圖2所示，具有密閉容器爆炸壓力變化特征。為使容器內的氣體混合更均勻、系統更穩定，將瓦斯氣體設置200ms延遲點火起爆。從圖2中可以看出，點火發生后爆炸壓力不是立即上升，而是有一段幾十毫秒的反應感應時間，這段時間就是瓦斯爆炸的點火延遲時間，即爆炸緩慢氧化階段，之后爆炸壓力迅速上升。從壓力開始上升到出現最大爆炸壓力這段時間可以認為是瓦斯爆炸的快速反應階段；隨后容器內壓力逐漸下降，此階段為反應熄滅階段。由于系統并非理想的定容絕熱條件，故在采集時間約1 000ms后，系統壓力下降但仍有一定的超壓值，并隨時間的推移會繼續下降直到接近標準大氣壓。

圖2 瓦斯爆炸壓力時程曲線圖Fig.2 Gas explosion pressure varied with time

3.2 不同環境溫度條件下的爆炸壓力變化規律

圖3所示為體積分數9.8%的瓦斯氣體在不同初始環境溫度條件下爆炸壓力曲線，由上至下溫度分別為298、348、423和473K，均符合典型密閉容器爆炸壓力的變化規律。從圖3中明顯可以看出，隨著初始環境溫度的升高，瓦斯氣體的最大爆炸壓力數值逐漸降低，對應產生的最大爆炸壓力分別為0.795、0.687、0.566和0.502MPa。

圖3 不同環境溫度時瓦斯爆炸壓力曲線對比Fig.3 Comparison of the gas explosion pressures at different environmental temperatures

瓦斯爆炸時，初始環境溫度對達到最大爆炸壓力所需的時間具有一定影響。從圖3可以看出：在298K的環境溫度下，瓦斯完全反應并達到最大爆炸壓力所需時間是134.2ms，而在348、423、473K條件下獲得最大爆炸壓力所需要的時間分別為109.8、95.6、85.8ms，即隨環境溫度的升高，反應獲得最大爆炸壓力需要的時間明顯縮短。根據Arrhenius理論可知，化學反應的基礎是分子之間的碰撞，環境溫度的提高首先增加了分子的內能，另外也使分子運動的速率加快，也就增加了分子之間的碰撞幾率。所以，環境溫度的升高加快了爆炸反應速率，從而使爆炸達到最大壓力所需時間縮短。

3.3 環境溫度對最大爆炸壓力的影響規律

運用式（4）對不同初始環境溫度下瓦斯爆炸最大爆炸壓力進行計算，并將計算結果與實驗數據進行對比分析，如圖4所示。從圖4中可以看出，最大爆炸壓力的理論值和實驗值均隨著環境溫度的增加逐漸減小，即最大爆炸壓力和初始環境溫度的倒數呈近似線性規律變化。實驗值和理論值出現差別的原因在于，實驗系統并非理想的絕熱條件，爆炸容器內部通過容器壁與外界存在熱交換，造成熱量損失。

圖4 定容爆炸壓力與實測最大爆炸壓力的對比圖Fig.4 Comparison of maximum explosion pressures between experiment and theory

4 環境溫度對最大壓力上升速率的影響

最大壓力上升速率是衡量瓦斯爆炸特性的一個重要參數，是描述瓦斯氣體化學反應速率的重要參考。在本實驗條件下，通過實驗測試了體積分數為9.8%的瓦斯氣體在不同環境溫度條件下的爆炸最大壓力上升速率值，如圖5所示。

從圖5中可以看出最大壓力上升速率基本在20.83和23.80MPa／s之間跳躍變化，跳躍過程無明顯規律呈現。考慮到實驗條件的外界因素的影響，可以認為在本實驗條件下（環境溫度在常溫至473K之間）獲得的最大壓力上升速率隨環境溫度變化基本保持不變。圖6為環境溫度在298和473K時的瓦斯爆炸壓力變化曲線圖，比較298和473K環境溫度條件下最大壓力上升速率（壓力曲線上升時刻的最大斜率），可以看出，雖然壓力曲線不同，但其最大壓力上升速率值相同，均為20.833MPa／s。

圖5 最大壓力上升速率隨環境溫度的變化曲線Fig.5 The maximum pressure rise rate varied with the changes of initial temperature

圖6 不同環境溫度條件下最大壓力上升速率對比Fig.6 Comparison of the maximum pressure rise rates at different initial temperatures

5 結 論

通過爆炸特性實驗裝置測試不同環境溫度條件下體積分數為9.8%的瓦斯爆炸最大爆炸壓力、最大壓力上升速率的參數值，分析不同環境溫度條件下的瓦斯爆炸特性得出如下結論：

（1）將理論計算和實驗測定對比分析，得到了最大爆炸壓力隨環境溫度的變化規律，即隨著環境溫度的增加，最大爆炸壓力逐漸減小，最大爆炸壓力和初始環境溫度的倒數呈近似線性規律變化。

（2）隨著環境溫度的升高，化學反應速率增加，爆炸壓力達到峰值所需的時間減少。在298K環境條件下，爆炸完全反應達到最大爆炸壓力的時間為134.2ms，而在473K環境溫度時，爆炸反應在85.8ms時刻達到最大爆炸壓力。

（3）瓦斯氣體的最大壓力上升速率隨環境溫度的升高呈非線性變化規律，在實驗研究的溫度范圍內（298～473K），最大壓力上升速率基本保持不變。

［1］李潤之，司榮軍.瓦斯濃度對爆炸壓力及壓力上升速率的影響研究［J］.西安科技大學學報，2010，30（1）：29－33.Li Run－zhi，Si Rong－jun.Gas concentration on the explosion pressure and pressure rise rate impact studies［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2010，30（1）：29－33.

［2］Li Run－zhi，Si Rong－jun，Zhang Yan－song.Experimental study on impact of ignition energy on gas explosion limit［C］∥International Conference on Mine Hazards Prevention and Control，2010：275－279.

［3］李艷紅，賈寶山，曾文，等.受限空間初始壓力對瓦斯爆炸反應動力學特性的影響［J］.遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2011，30（5）：697－701.Li Yan－hong，Jia Bao－shan，Zeng Wen，et al.Effect of initial pressure on kinetic characteristics of gas explosion in enclosed space［J］.Journal of Liaoning Technical University：Natural Science，2011，30（5）：697－701.

［4］梁建軍，杜揚，張延松，等.瓦斯爆炸下限的溫變特性試驗研究［J］.煤炭科學技術，2009，37（11）：28－29.Liang Jian－jun，Du Yang，Zhang Yan－song，et al.Experiment research on temperature variation features under lower limit of gas explosion［J］.Coal Science and Technology，2009，37（11）：28－29.

［5］劉向軍，陳昊.初始壓力對礦井瓦斯爆炸過程影響的理論研究［J］.礦冶，2006，15（1）：5－9.Liu Xiang－jun，Chen Hao.Theoretical study on the effects of initial pressure on methane explosion in coal mine［J］.Mining＆Metallurgy，2006，15（1）：5－9.

［6］趙衡陽.氣體和粉塵爆炸原理［M］.北京：北京理工大學出版社，1996：161－185.