瓦斯爆炸在抽放管路中傳播特征的研究

張建國

(西山煤電集團公司 鎮城底礦，山西 太原 030200)

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·試驗研究·

瓦斯爆炸在抽放管路中傳播特征的研究

張建國

(西山煤電集團公司 鎮城底礦，山西 太原 030200)

為了更好地研究抽放管路中瓦斯爆炸特征及火焰傳播規律，通過搭建試驗平臺的方法模擬直管、分叉管路中低濃度瓦斯爆炸特征及燃燒規律，實驗結果表明：在直管道爆炸實驗過程中，其出口附近顯現最大壓力峰值，且傳播的距離越長，火焰傳播速度越快；在分叉管道爆炸實驗過程中，每一個分叉點即為一處擾動源，該擾動源主要增大了氣流湍流度，螺旋環對管內氣流產生較大擾動，氣流流動的湍流程度增大，爆炸波強度隨之快速增大。

抽放管路；瓦斯爆炸；瓦斯燃燒；螺旋環；火焰傳播規律

現階段煤礦開采深度及強度逐漸增大，隨之也增大了瓦斯的涌出量以及煤與瓦斯突出的危險性。瓦斯抽放成為高瓦斯和突出礦井不可缺少的一個重要生產環節，同時也是開發利用瓦斯能源、保護大氣環境的重要手段。為了提高煤礦抽采瓦斯的利用率和抽采系統的安全性，對抽放管路中瓦斯爆炸特征及其火焰傳播規律進行研究尤為重要。本文通過搭建試驗平臺對瓦斯在不同類型抽放管路中的爆炸特征以及火焰傳播規律進行試驗模擬分析，實驗結果對提高瓦斯抽放管路的安全性具有重要的意義。

1 實驗平臺的搭建

為了達到實驗預期的目標，本實驗系統主要由5個部分組成：進行爆炸試驗的管道、采集分析動態數據的系統、測量火焰速度的系統、測量爆炸壓力的系統以及點火爆炸的裝置。搭建的試驗臺考慮了現場管道布置，可以模擬直管結構、異常管道結構(Z型管道、T型管道、U型管道、Y型管道)等對低濃度瓦斯爆炸特性的影響，獲得經歷異常管道結構后瓦斯爆炸宏觀參數(火焰傳播速度、爆炸壓力峰值)發生突變的機理，為提出合適的抑爆措施提供理論基礎依據。

為了測量低濃度瓦斯爆炸火焰的傳播速度與壓力，在直管段上開設了測量孔，其中每節管道上開設兩個火焰傳感器測孔，一個壓力傳感器測孔。

2 抽放管路瓦斯爆炸特征實驗分析

為了研究瓦斯爆炸過程中火焰與爆炸波的傳播規律，在實驗平臺上進行低濃度瓦斯爆炸試驗，測量爆炸火焰傳播速度、各壓力測點處的瓦斯爆炸壓力峰值和火焰到達各測點處的時間。

實驗過程中，將各類傳感器安設在進行爆炸實驗的瓦斯抽放管道中，同時往實驗腔體中充入一定濃度的瓦斯。進行實驗的前期，首先將新鮮的空氣利用換氣裝置裝入瓦斯抽放管道中，通過計算該管道中所需要的瓦斯濃度，充入一定量的瓦斯以達到實驗所需的瓦斯濃度。其次安設并調試采集動態數據的系統，確保其能夠具備實驗所需的采樣率及能夠采集相關的參數。以上步驟調試完成后，通過點火裝置起爆，爆炸過程中的相關參數也同時被采集分析器記錄下來。

3 抽放管路瓦斯爆炸特征分析

Lavision高速之星攝像機拍攝的低濃度瓦斯爆炸火焰圖像見圖1. 拍攝速度取1 000幅/s，即每 1 ms拍攝一幅圖像；圖像分辨率取1 024×768像素。

圖1 9%濃度管道瓦斯爆炸高速攝影照片

由圖1可知：瓦斯抽放管道中發生爆炸后其火焰傳播過程中顯現出兩種特性：火焰結構與傳播速度。4 ms時視窗處出現火焰前鋒，但亮度很暗；5 ms時火焰亮度開始逐漸增加，顯現出淡藍色；8 ms時火焰開始變明亮，且其中下部顯現出微黃色。10 ms時火焰繼續向右向傳播，視窗右上角火焰部分出現反向膨脹態勢，13 ms時火焰整體反向傳播，火焰亮度也明顯增強，呈亮黃色。

火焰在繼續傳遞過程中出現多次震蕩，并且在70 ms顯現出團狀分散火焰，繼而亮度逐漸減弱。實驗視窗的長度(0.25 m)除以火焰穿過其所用的時間便可以得出實驗的視窗處火焰平均的傳播速度是100 m/s，由此表明：此條件下的爆炸屬于爆燃。爆炸壓力峰值曲線圖見圖2.

圖2 爆炸壓力峰值曲線圖

由圖2可知：壓力最大值在管道的出口處顯現，且其峰值主要在0.2～1.4 MPa. 主要原因是出口處限制了爆炸沖擊波傳播路線，造成壓力峰值的瞬間增大。爆炸壓力增大的幅度與薄膜厚度以及承壓能力有關。進行爆炸實驗過程中，瓦斯抽放管道中壓力峰值一般從爆炸源開始逐步下降，隨著傳播距離的增加，會出現拐點后開始逐漸上升。管道的拐點出現在60 D處左右。

不同測點處的瓦斯火焰傳播速度見圖3. 在實驗條件范圍以內，瓦斯爆炸最大火焰傳播速度可達1 000 m/s左右，在長徑比L/D=80之前，火焰傳播速度較小，在500 m/s以下，此后火焰傳播速度增加很快。爆炸火焰由起爆源開始沿管道傳播，隨著傳播路線的增加，壓力曲線逐漸平緩，由此可見，爆炸火焰的傳播速度隨著傳播路線的增加而加快，在管道出口處傳播速度達到峰值。

圖3 爆炸火焰傳播速度曲線圖

瓦斯爆炸火焰到達各測點時的時間見圖4. 火焰達到時間在500 ms以內，在長徑比L/D=80之前，火焰達到時間在400 ms以內，因此抑爆措施必須具有高速響應的特點。

圖4 火焰到達各測點時的曲線圖

4 瓦斯爆炸傳播規律分析

煤礦井下巷道多數存在交叉點以及方向變化的情況。當發生瓦斯爆炸時，其爆炸火焰在分叉巷道或方向變化的巷道中傳播時，其傳播的特性與普通的直巷道存在較大的差異。為了更好地研究井下阻隔爆系統性能設計以及減少瓦斯爆炸造成的損失，掌握分叉巷道對爆炸火焰傳播規律的影響至關重要。本文主要是在實驗室模擬井下分叉巷道的條件，對瓦斯爆炸過程中火焰傳播規律進行模擬研究。

為了模擬井下巷道的結構，本次實驗室主要在方管中進行模擬，封閉住管道末端，將火焰傳感器安設在各分叉點以及各直管的對應點(長徑比相同)。實驗主要分為兩種條件：點火端設置螺旋環與點火端未設置螺旋環，該螺旋環能夠瞬間增大火焰的傳播速度十倍以上。分叉管道中各測點的布置位置見圖5，主要是研究分叉點對不同的爆炸火焰傳播速度的影響程度。

圖5 分叉管路測點布置示意圖

無螺旋環狀火焰傳播速度影響曲線圖見圖6，有螺旋環狀火焰傳播速度影響曲線圖見圖7. 由圖6，圖7可知：瓦斯爆炸火焰的傳播速度在通過抽放管道的分叉點后急速升高，直管中傳播速度為18.6 m/s，通過分叉點后，直管中傳播速度增加至41.6 m/s，支管中傳播速度增加至73.4 m/s，由此可見，通過分叉點后，支管中火焰傳播速度比直管中速度大。若分叉管路的點火端安設有螺旋環，火焰傳播速度變化也存在同樣的規律：初期直管中的傳播速度為112.3 m/s，在分叉點后，直管中傳播速度163.5 m/s、支管中的為195.6 m/s.

圖6 無螺旋環狀火焰傳播速度影響曲線圖

圖7 有螺旋環狀火焰傳播速度影響曲線圖

分析分叉點處火焰傳播速度變化的原因可知：抽放管路中的分叉點可看做是一個擾動源，誘導了火焰傳播速度的變化。當管路存在分叉點時，爆炸波在該位置的流線發生改變破壞了原有管道中的邊界層，從而產生湍流脈動。受實驗條件限制，各分叉管路均較短，火焰傳播受管道末端封閉口影響較大，從而造成通過分叉點后，火焰傳播速度變化規律在直管與支管

中不相同，支管中火焰前端逐漸增大，在增大至峰值28倍后開始急劇降低；直管中末端口封閉對火焰傳播速度影響不大，但整體上說火焰在直管中是不斷加速的。

5 結 論

通過實驗過程中對直管、分叉管道瓦斯燃燒和爆炸實驗的研究，得出以下結論：

1) 在直管實驗中，爆炸最大壓力峰值出現在出口附近，從爆炸源頭開始，壓力逐漸下降，傳播一定長度后出現拐點，壓力變為逐漸上升。

2) 在直管中進行實驗，從起爆點開始，火焰逐漸沿管道傳播，其傳播速度與傳播距離呈正比關系，傳播速度的峰值出現在直管的出口處。

3) 在分叉管道中進行實驗，每一分叉點可看做為一處擾動源，加速通過此處火焰的傳播速度。

4) 螺旋環能夠擾動管道內的氣流，增大了管道內氣流流動的湍流程度，及瓦斯爆炸實驗中火焰的傳播速度以及釋熱速率，爆炸波的強度也急劇增大。

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Study on Spreading of Gas Explosion in Drainage Pipeline

ZHANG Jianguo

In order to study the characteristics of gas explosion and the law of flame spread in the pipeline, the low pressure gas explosion characteristics and combustion rules in the straight pipe and in the branch pipelines are simulated by setting the test platform. The experimental results show that during the test, the maximum pressure peak appears near the exit of the straight pipeline, and the longer the spreading distance is the faster for the flame spread. For the test in branch pipelines, each joint point is becoming a turbulent source. The turbulence increases together with the increase of the airflow, and the turbulence of the spiral flow also increases with the turbulence of the airflow, so does the intensity of the explosive wave.

Drainage pipeline; Gas explosion; Gas combustion; Spiral ring; Flame spreading law

2017-04-05

張建國(1980—)，男，山西運城人，2015年畢業于中國礦業大學，碩士，工程師，主要從事通風技術管理工作

(E-mail)zhangjianguoguo1@126.com

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1672-0652(2017)05-0028-03