不同含水率煤塵在瓦斯爆炸誘導下爆炸傳播規律研究*

楊前意，石必明，張雷林，張鴻智，王 超

(安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001)

0 引言

近年來，隨著煤礦開采深度的加深，瓦斯涌出量隨之增加，井下瓦斯積聚的空間增多，更容易引起瓦斯爆炸。由于井下沉積煤塵較多，瓦斯爆炸往往引起沉積煤塵二次爆炸，造成重大事故。研究瓦斯爆炸誘導不同含水率煤塵二次爆炸的傳播規律，可有助于防治煤塵二次爆炸事故。

國內外許多學者對瓦斯爆炸誘導沉積煤塵二次爆炸傳播規律及原因進行了研究。Torrent等[1]、Amyotte等[2-3]研究了瓦斯對煤塵爆炸的影響，增加瓦斯、減小煤塵粒徑和揮發分增加均能夠降低煤塵爆炸的最小點火能量和濃度下限；候萬兵[4]使用平直圓管式氣固混合爆炸實驗裝置，研究得出了瓦斯和煤塵混合物的爆炸傳播規律等；李潤之等[5-7]采用數值模擬方法對不同量沉積煤塵在瓦斯爆炸誘導下二次爆炸傳播規律進行了分析，同時利用大型實驗巷道對瓦斯爆炸誘導沉積煤塵爆炸發育、傳播過程進行了研究，得出了沉積煤塵二次爆炸規律；景國勛等[8]使用自制實驗裝置，研究了煤塵爆炸傳播特性，得出了煤塵量、斷面對氣流衰減的影響規律；王成等[9]利用水平直實驗管道研究了障礙物形狀對爆炸火爆傳播的影響，得出了不同工況下爆炸火焰傳播規律；周西華等[10]利用管道爆炸系統研究隔爆水幕對瓦斯爆炸規律影響，得出了隨著噴水流量的增加，水幕的隔爆效果增強。

以上研究大多針對瓦斯爆炸引起煤塵爆炸的影響條件，傳播規律及爆炸后抑爆措施，尚未單獨研究沉積煤塵本身含水率的影響。由于含水率對煤塵二次爆炸有很大影響，針對不同含水率煤塵二次爆炸傳播規律有待進一步深入研究。為此，采用自建水平直管管道煤塵二次爆炸規律測試系統，對不同含水率煤塵在瓦斯爆炸誘導的爆炸傳播規律進行實驗研究，以期為井下煤塵在瓦斯爆炸誘導下的二次爆炸事故的預防和治理提供依據。

1 實驗系統

1.1 實驗系統組成

本次實驗所采用的直管管道爆炸規律測試系統主要由配氣子系統、管道子系統、點火子系統和數據采集子系統4部分共同組成，如圖1所示。其中，配氣子系統由瓦斯氣瓶、真空泵、空氣壓縮機、循環泵、數字真空壓力表等組成；管道子系統由直圓管和不同角度的拐彎管道拼接組成，管徑為200 mm，厚度為10 mm，長度可為0.5，1.5和2 m不等；點火子系統由電源、導線、電極和熔絲等組成；數據采集子系統由工作機電腦、數據采集器、火焰傳感器、壓力傳感器和變送器，壓力傳感器采用JAS13C2A1高頻動態壓阻式壓力傳感器，精度等級為0.5%FS，量程為0～3 MPa；火焰傳感器采用成都泰斯特公司生產的CKG100型火焰傳感器，數據采集器為TST5206高速數據采集器，精度等級為0.1%FS，采樣率最高為20 Msps。

圖1 管道爆炸規律測試系統Fig.1 Pipeline explosion law test system

1.2 測點布置

管道爆炸試驗系統選取不同的測點對爆炸沖擊波壓力信號和火焰傳播信號進行采集，由于沉積煤塵二次爆炸威力大，傳播速度快，為了更好地獲得爆炸特性參數，共布置8個壓力傳感器(編號分別為a，b，c，d，e，f，g，h)和8個火焰傳感器(編號分別為1，2，3，4，5，6，7，8)。管道全長24 m，開口爆炸，瓦斯填充段長8.5 m，壓力傳感器a，b和火焰傳感器1，2均距離隔絕瓦斯的膜片1.5 m，以后每2個相鄰壓力傳感器之間距離為1.5 m，每2個相鄰火焰傳感器之間的距離為1.5 m。圖2為各測點傳感器布置的示意圖。

圖2 傳感器布置示意Fig.2 Schematic diagram of sensor arrangement

2 實驗方法

2.1 實驗方案

根據前期進行的爆炸實驗和查閱到的相關文獻，確定了實驗的基礎參數，管道內填充瓦斯濃度為9.5%，瓦斯填充管道長度為8.5 m，每次鋪設煤粉總量12 g(保德煤礦中等變質氣煤，煤粉粒徑55目)，點火能為10 J，主要進行以下7組實驗，每組實驗進行5次，實時監測管道內各個位置的沖擊波壓力和火焰相關數據。7組實驗方案如下：

1) 鋪設含水率為0的煤粉；

2) 鋪設含水率為10%的煤粉；

3) 鋪設含水率為20%的煤粉；

4) 鋪設含水率為30%的煤粉；

5) 鋪設含水率為40%的煤粉；

6) 鋪設含水率為50%的煤粉；

7) 無沉積煤塵，單一瓦斯爆炸。

2.2 實驗步驟

采用以下實驗步驟：

1)按照實驗方案要求將管道安裝好，在管道8.5 m處添加膜片，在傳感器a與膜片間的管道內均勻鋪設含水率不同的煤粉，同時檢查每個連接處的氣密性；將每個實驗儀器打開并調試好，使儀器處于正常運行狀態。

2)實驗所用濃度瓦斯氣體采用分壓混合配置。首先抽真空，打開真空機泵，對填充瓦斯段的管道進行抽真空，當真空度達到實驗要求后，關閉真空泵，配送實驗爆炸時需要的高純度瓦斯氣體。

3)進行氣體預混合，打開循環泵，對管道內混合氣體進行30 min混合攪拌，將充入的高純度瓦斯氣體和空氣混合，當實驗儀器報警混合完畢時，關閉循環泵，此時形成均勻濃度9.5%的瓦斯氣體。

4)啟動高速數據采集器，設置好相關參數。關閉各閥門，防止爆炸產生的沖擊波產生傷害，使用點火器進行點火，同時火焰傳感器和壓力傳感器實時采集傳送數據，數據采集器獲得數據信息，并進行處理和圖形顯示。

5)排除廢氣，打開空氣壓縮機，對爆炸管道進行正壓通風，排除爆炸后管道內殘存瓦斯及各種有毒有害的廢氣。

3 實驗結果及分析

3.1 沖擊波峰值超壓分析

不同含水率煤塵在瓦斯爆炸誘導下二次爆炸產生的沖擊波到達各測點峰值超壓曲線如圖3所示，不同含水率沉積煤塵二次爆炸沖擊波超壓最大值曲線如圖4所示。

圖3 各測點峰值超壓曲線Fig.3 Peak overpressure curve of measuring point

圖4 不同含水率時沖擊波超壓最大值Fig.4 Maximum shock wave overpressure at different moisture contents

由圖3分析可知，當含水率小于40%時，瓦斯爆炸產生的沖擊波逐漸增強，到達測點b時，瓦斯爆炸產生沖擊波壓力最大，之后由于管道壁的摩擦和空氣阻力等原因，沖擊波壓力減弱，當到達測點c的時候，這時候由于前驅沖擊波卷揚起沉積煤塵，引起煤塵的二次爆炸，沖擊波壓力疊加，突然升高。當沉積煤塵含水率為10%～30%時，沉積煤塵的二次爆炸在測點c處，爆炸迅速發生，壓力升高。當沉積煤塵含水率小于10%時，由于管道內處于貧氧狀態，二次爆炸較緩慢，沖擊波二次極值出現在測點e，當沉積煤塵二次爆炸后，沖擊波沿管道直線傳播，受到空氣阻力和管道壁的摩擦力，逐漸降低。當含水率大于40%時，此時水分較大，部分煤塵無法揚起，不能達到爆炸需要的能量，二次爆炸沒有發生，沖擊波壓力值不斷減小。

由圖4可知，沖擊波最大超壓峰值與函水率存在二次函數關系：y=-0.112 1x2+ 0.688 7x+0.311 5。當均勻鋪設含水率為20%的煤塵時，沉積煤塵二次爆炸產生的沖擊波峰值超壓最大，1.657 MPa。當鋪設的沉積煤塵含水率在0～20%之間，隨著含水率的增加，產生的沖擊波峰值超壓增大。當含水率大于20%時，沉積煤塵二次爆炸產生的沖擊波峰值超壓隨著含水率的增大而減小。這主要是由于沉積煤塵在瓦斯爆炸產生的作用下，首先要揚起，形成煤塵云，煤塵云達到爆炸條件，才會產生二次爆炸，增大爆炸威力[11]。當含水率較低時，管道內沉積煤塵受瓦斯爆炸作用后全部揚起，形成煤塵云，但是管道由于密閉作用，處于貧氧狀態，煤塵無法全部參與爆炸，同時還會對爆炸波產生冷卻、摩擦等作用，進而使爆炸壓力下降[12]。當含水率升高，部分煤塵揚起，管道內氧氣剛好供給煤塵云二次爆，氧氣和煤塵反應較完全，爆炸產生的沖擊波威力增大；含水率超過20%，由于部分沉積煤塵無法揚起，不能完全形成二次爆炸，導致二次爆炸的威力減小。當含水率達到40%時，此時沉積煤塵已經全部無法揚起，形成二次爆炸，同時煤塵會在管道內成為障礙物，影響爆炸瓦斯產生的沖擊波傳播，降低峰值超壓[13-14]。

在煤礦井下，可以利用這個原理，給沉積煤塵較多處灑水，當水量合適時，煤塵無法揚起，同時會阻礙瓦斯爆炸傳播。

3.2 火焰傳播速度分析

實驗過程中，火焰傳感器接收的是光信號，監測爆炸火焰到達時間，計算火焰傳播速度時，僅僅能得到火焰傳播在2個測點之間的平均速度，由于傳播速度快，時間短，將該段平均速度視為該段中間點瞬時速度[15]。火焰在7個階段的中間速度分別為vA，vB，vC，vD，vE，vF，vG。以速度vA為例，速度計算公式如式(1)：

vA=L/(T2-T1)

(1)

式中：L為測點1和測點2之間的距離，m；T1為到達測點1的時間，s；T2為到達測點2的時間，s。

經計算，不同含水率條件下瓦斯爆炸誘導沉積煤塵二次爆炸管道內火焰傳播速度如圖5所示。

圖5 不同含水率下火焰傳播速度Fig.5 Flame propagation speed at different water contents

由圖5可知，當煤塵含水率小于30%時，瓦斯爆炸過后，由于管道內殘存瓦斯氣體，火焰不斷燃燒，傳播速度加快，到達10.75 m后，由于氣體消耗殆盡，火焰傳播速度減小；當沉積煤塵發生二次爆炸后，火焰變大。當含水率大于40%，由于含水率過大，導致沉積煤塵無法卷揚，形成煤塵云，進而發生二次爆炸；火焰在10.75 m處，達到最大值后，由于能量損失和煤塵的水分蒸發吸熱，導致火焰不斷減小，火焰傳播速度不斷下降。

由圖5可知，當鋪設的煤塵含水率為20%時，沉積煤塵二次爆炸火焰傳播速度峰值最大，為468.060 m/s；當鋪設的沉積煤塵含水率為0～20%時，隨著含水率的增加，火焰傳播速度峰值不斷增大；當煤塵含水率大于20%時，火焰傳播速度峰值隨著含水率的增大而減小。分析可知，當含水率較低時，沉積煤塵全部揚起，由于揚起的煤塵量較多，這些煤塵吸收了大量的火焰熱量，部分沒有達到爆炸燃點，同時管道內氧氣量一定，無法全部參與二次爆炸，火焰速度較小[16-18]；隨著含水率增加，部分煤塵無法揚起，此時煤塵云全部爆炸，威力最大，火焰速度增加最大；當含水率大于20%時，由于水分過多，煤塵揚起量很低，同時水分蒸發會吸收爆炸火焰面的能量，導致爆炸威力降低，火焰速度減小；當含水率大于40%，煤塵不揚起進行二次爆炸，水分蒸發吸熱，此時，火焰傳播速度衰減比無煤塵下爆炸更快，煤塵阻礙瓦斯爆炸產生的火焰傳播，起到抑爆的作用。

4 結論

1)鋪設煤塵的含水率為20%時，沉積煤塵二次爆炸產生的沖擊波峰值超壓和爆炸火焰傳播速度峰值最大，峰值超壓最大值為1.657 MPa；爆炸火焰傳播速度峰值最大值為468.060 m/s。

2)煤塵含水率在0～20%時，沖擊波峰值超壓隨著含水率的增加而增大；煤塵含水率大于20%時，沖擊波峰值超壓隨著含水率的增大而減小；煤塵含水率超過40%后，沉積煤塵不參與二次爆炸，起到抑爆作用。

3)煤塵含水率在0～20%時，隨著含水率的增加，火焰傳播速度峰值增大；含水率大于20%時，火焰傳播速度峰值隨含水率的增大而減小；含水率超過40%后，水分蒸發吸熱，火焰傳播速度衰減較無煤塵的單一瓦斯爆炸更快，阻礙瓦斯爆炸產生的火焰傳播，從而起到抑爆作用。