溫度壓力耦合對瓦斯爆炸危險度的影響研究

朱丕凱 司榮軍

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區，400037)

瓦斯爆炸是煤礦事故中后果極其嚴重的一種自然災害。了解不同環境條件下低濃度瓦斯爆炸特性規律，對預防煤礦井下瓦斯爆炸、瓦斯爆炸事故調查以及煤層氣利用各工藝環節提供了理論依據。目前，國內外研究機構和學者主要通過試驗及數值模擬方法對不同環境工況下的瓦斯爆炸極限濃度進行測定分析。對不同環境條件下的爆炸危險性尚未進行定量分析。李潤之對不同點火能量與初始壓力情況下的瓦斯爆炸特性進行了試驗及模擬研究；孟祥豹對不同點火能量與溫度條件下的瓦斯爆炸特性進行了試驗模擬研究；司榮軍、高娜等對溫度壓力對瓦斯爆炸極限的影響進行了試驗研究，研究表明：隨著溫度壓力的升高，爆炸上限呈逐漸上升趨勢，爆炸下限呈逐漸下降趨勢，爆炸極限范圍擴大。筆者運用Origin軟件處理試驗數據，繪制回歸曲線得出擬合函數，獲得溫度壓力耦合對瓦斯爆炸極限影響的統計關系。同時，運用爆炸危險度的概念對溫度壓力耦合條件下的爆炸危險性進行量化。

1 試驗系統及條件

1.1 試驗系統

試驗在特殊環境條件20 L爆炸特性測試系統中進行，系統主要由爆炸罐體、點火系統、數據采集系統、配氣系統、加溫系統以及加濕系統等組成，結構原理如圖1所示。通過點火系統中的高能電火花能量發生器發出點火能量，用來點爆爆炸罐體內的混合氣體，爆炸后可燃性氣體的各參數數據(爆炸極限、爆炸壓力等)的采集通過數據采集系統完成。

圖1 測試系統結構原理圖

1.2 試驗條件

爆炸極限試驗點火能量均為10 J，爆炸上限試驗與下限試驗分開進行，先對環境溫度與壓力耦合情況下爆炸上限的規律進行試驗，之后，研究瓦斯爆炸下限的變化規律。爆炸上限、爆炸下限采取相同的試驗方法。

環境溫度變化范圍為50℃～200℃，采用的環境溫度測試點為50℃、100℃、150℃、200℃。環境壓力變化范圍為0.2～1 MPa，采用的環境壓力測試點為0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

運用10 J的點火能量，在不同環境溫度和壓力條件下，試驗測定瓦斯爆炸上、下極限，試驗結果見表1。

表1 溫度和壓力耦合瓦斯爆炸上限、下限試驗結果

相對于環境壓力0.2 MPa、環境溫度50℃時18.3%的瓦斯爆炸上限、4.98%的瓦斯爆炸下限，環境壓力為1.0 MPa、環境溫度200℃時，爆炸上限升高至25.5%，升高了7.2%，上升率達39.34%；爆炸下限降低至4.05%，降低了0.93%，下降率達18.67%。可以看出溫度壓力耦合對瓦斯爆炸極限的影響大于單因素對瓦斯爆炸極限的影響。

2.2 溫度壓力耦合對瓦斯爆炸上限影響分析

將環境壓力和環境溫度分別作為x軸和y軸，瓦斯爆炸上限作為z軸，得到如圖2所示的曲面。

圖2 爆炸上限隨環境溫度和環境壓力的變化曲面

由圖2可以更直觀地看出瓦斯爆炸上限隨環境溫度升高和環境壓力增大時的變化規律，而且隨著環境溫度及壓力的增大，爆炸上限的上升速率逐漸變緩。同時，根據圖2所示曲面可以擬合得到爆炸上限隨環境溫度和環境壓力變化的高斯方程式，如式(1)所示，高斯曲面如圖3所示。

圖3 爆炸上限高斯擬合曲面圖

式中：Z——爆炸上限，%；

P——環境壓力，MPa；

T——環境溫度，℃；

Z0、A、P0、T0、w1、w2——相應的高斯方程常參數。

式(1)中擬合函數各參數取值分別為：Z0=12.693，A=14.207，P0=1.479，w1=1.11，w2=278.593，T0=251.276，R2=0.998。

同時，根據圖2所示曲面可以擬合得到瓦斯爆炸上限隨環境溫度和環境壓力變化的指數函數方程式，如式(2)所示，指數函數曲面如圖4所示。

(2)

(50℃≤T≤200℃,0.2 MPa≤P≤1.0 MPa)

式(2)中擬合函數各參數分別為：Z0=-23.7466，A=40.2345，P0=-7.23421，T0=-3113.66，R2=0.9828。

圖4 爆炸上限指數擬合曲面圖

對比圖3、圖4以及擬合參數的相關系數，在試驗研究的范圍內高斯曲面的擬合度更高，因此選用高斯擬合方程式。

在試驗所研究的特殊環境(溫度為50℃～200℃，壓力為0.2～1.0 MPa)范圍內，隨著環境溫度的升高和環境壓力的增加，瓦斯爆炸的上限也增加。但爆炸上限值不會無限增加，當甲烷濃度增大到某一值時，因為沒有足夠的氧氣維持反應繼續進行，反應環境處于負氧狀態，無論如何改變環境條件以加強瓦斯的爆炸強度，爆炸都不會發生。

2.3 溫度壓力耦合對瓦斯爆炸下限的影響分析

將環境壓力和環境溫度分別作為x軸和y軸，瓦斯爆炸下限作為z軸，得到如圖5所示的曲面。

圖5 爆炸下限隨環境溫度和環境壓力的變化曲面

由圖5可以直觀地看出瓦斯爆炸下限隨環境溫度升高和環境壓力增大時的變化規律。隨著環境溫度、壓力的增大爆炸下限下降速率逐漸變緩。同時，根據圖5所示曲面可以擬合得到爆炸下限隨環境溫度和環境壓力變化的高斯方程式，如式(3)所示，高斯曲面如圖6所示。

式(3)中擬合函數各參數分別為：Z0=1063.404，A=-1059.713，P0=1.704，w1=40.02，w2=11224.461，T0=403.392，R2=0.997。

圖6 爆炸下限高斯擬合曲面圖

同時，根據圖5所示曲面可以擬合得到甲烷爆炸上限隨環境溫度和環境壓力變化的指數函數方程式，如式(4)所示，指數函數曲面如圖7所示。

(4)

(50℃≤T≤200℃,0.2 MPa≤P≤1.0 MPa)

式(4)中擬合函數各參數分別為：Z0=2.9372，A=2.4308，w1=2.0723，w2=653.1417，R2=0.9952。

圖7 爆炸下限指數擬合曲面圖

對比圖6、圖7以及擬合參數的相關系數，在試驗研究的范圍內高斯曲面的擬合度稍高，因此選用高斯擬合方程式。

在試驗所研究的特殊環境(溫度為50℃～200℃；壓力為0.2～1. 0 MPa)范圍內，隨著環境溫度的升高和環境壓力的增加，瓦斯的爆炸下限呈下降的趨勢。但下限值不會無限下降，當瓦斯濃度減小到某一值時，無論如何改變環境條件以激勵氣體分子的活躍性，都不會發生爆炸。

2.4 溫度壓力耦合對爆炸危險度的影響

爆炸極限作為衡量氣體爆炸危險性的主要指標，在烷烴系碳氫化合物之間的數值變化較大，直接用爆炸極限來判斷甲烷的爆炸危險性并不容易。日本學者近藤重雄、巖阪雅二等在北川爆炸危險度的基礎上進行改進，提出了新的爆炸危險度，其定義如式(5)所示：

(5)

式中：U——瓦斯爆炸上限， %；

L——爆炸下限， %。

環境溫度與壓力耦合時的爆炸危險度根據式(5)計算如表2所示。

表2 溫度壓力耦合爆炸危險度分布

從表2可以看出，爆炸危險度隨著環境溫度與環境壓力的增加而上升。相對于環境壓力0.2 MPa、環境溫度50℃時0.478的爆炸危險度，環境壓力為1.0 MPa、環境溫度50℃時，爆炸危險度上升到0.561，上升率為17.36%；環境壓力為0.2 MPa、環境溫度200℃時，爆炸危險度上升到0.519，上升率為8.58%；可以看出，單因素影響環境壓力大于環境溫度。環境壓力為1.0 MPa、環境溫度200℃時，爆炸危險度上升到0.601，上升率為25.73%。相比較單因素環境壓力為2.0 MPa時的爆炸危險度0.579還要高。可以看出溫度壓力耦合對瓦斯爆炸極限影響比單因素作用時更大。

為了綜合分析環境溫度和環境壓力對爆炸危險度的影響，將環境壓力和環境溫度分別作為x軸和y軸，爆炸危險度作為z軸，得到爆炸危險度隨溫度、壓力變化的曲面。該曲面可以擬合得到瓦斯爆炸危險度隨環境溫度和環境壓力變化的擬合曲面如圖8所示。圖8更直觀地反映了爆炸危險度隨環境溫度和環境壓耦合影響作用。

圖8 爆炸危險度指數擬合

由圖8可以看出，爆炸危險度隨環境溫度升高和環境壓力增大時的變化規律。而且隨著環境溫度及壓力的增大，爆炸危險度的上升速率逐漸變緩。同時，根據圖8所示曲面可以擬合得到爆炸危險度隨環境溫度和環境壓力變化的指數函數方程式，如式(6)所示。

(6)

(50℃≤T≤200℃,0.2 MPa≤P≤1.0 MPa)

式(6)中擬合函數各參數為：Z0=0.7608，A=-0.3313，w1=2.0718，w2=805.7457，R2=0.9894。

3 小結

(1)環境溫度的升高和環境壓力的增大，使瓦斯的爆炸范圍變寬，增加了瓦斯爆炸的危險性。溫度壓力耦合對瓦斯爆炸極限的影響大于單因素對瓦斯爆炸極限的影響。

(2)環境溫度和環境壓力耦合時，瓦斯爆炸極限滿足高斯方程函數關系式。

(3)隨環境溫度升高和環境壓力增大，爆炸危險度逐漸增大。而且隨著環境溫度及壓力的增大，爆炸危險度的上升速率逐漸變緩。環境溫度和環境壓力耦合時，瓦斯爆炸危險度的函數關系式滿足指數函數形式。