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第 37 卷 第 1 期 2020 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 37 No. 1  Mar. 2020 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2020. 01. 020 100置障与浓度梯度耦合作用 甲烷爆炸激励效应实验研究* 徐景德， 冯若尘， 田思雨， 秦汉圣， 张延炜 （华北科技学院 安全工程学院， 北京 101601） 摘 要 以阻塞率 100柔性障碍物及浓度梯度为影响因素， 构建甲烷空气预混爆炸实验模型， 设立了 6 个实验工况， 以爆炸压力峰值、 火焰传播速度为表征参数， 研究置障及浓度梯度耦合作用下爆炸激励效应。 结果表明 障碍物数量与浓度梯度叠加造成的激励效应， 非常猛烈， 实验中出现最大火焰传播速度超过3 Ma， 最大压力达到 0. 27 MPa。同时发现， 置障及浓度梯度耦合作用下爆炸火焰波传播区域， 较之于均匀浓度条 件下， 增加 1 倍。本文有助于矿井巷道内设置风帘等设施下甲烷气体爆炸传播过程特殊现象的研究， 为甲烷 爆炸事故调查、 事故防治、 应急救援等提供理论依据。 关键词 甲烷爆炸；激励效应；浓度梯度；柔性障碍物 中图分类号 X932 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2020） 01 -0134 -07 Excitation Effect of Methane Explosion Propagation under Condition of Coupling of 100 Blocking Probability and Concentration Gradient XU Jing-de， EENG Ruo-chen， TIAN Si-yu， QIN Han-sheng， ZHANG Yan-wei （ School of Safety Engineering， North China Institute of Science and Technology， Beijing 101601， China） Abstract A methane-air premix explosion experiment model was constructed with the influence factors of 100 flexible blocking rate and concentration gradient. To study the explosion excitation effect under the coupling effect of obstacles and concentration gradient， the peak pressure of the explosion and flame propagation velocity were used as the characteristic parameters in six experiment conditions. The results showed that the excitation effect caused by the superposition of the number of obstacles and the concentration gradient is very strong. The maximum flame propaga- tion velocity exceeded 3 Ma and the maximum pressure reached 0. 27 MPa. At the same time， it was found that the explosion flame wave propagation area increased twice compared with the uni concentration condition. This paper is helpful to study special phenomena of methane gas explosion propagation process under the installation of air cur- tains and other facilities in a mine tunnel， and provides theoretical basis for methane explosion accident investigation， accident prevention and emergency rescue. Key words methane explosion；excitation effect；concentration gradient；membrane obstacle 收稿日期 2019 -10 -28 作者简介 徐景德 （1965 - ） ， 男， 教授、 博士， 从事矿井瓦斯灾害防 治， 安全生产监管与应急救援研究，（E-mail） xujd1430 126. com。 通讯作者 田思雨 （1994 - ） ， 女， 硕士研究生， 从事矿井瓦斯灾害防 治研究，（E-mail） 552109785 qq. com。 基金项目 国家自然科学基金面上项目 （51874134、 51374108） ； 国家 重点研发计划 “十三五” 科技部专项 （2016YFC0801502） ； 中央高校基本科研业务费资助 （3142018017、 3142019032） 由于气体的扩散作用， 矿井巷道内甲烷与空气 形成混合气体， 浓度沿巷道封闭部分向出口方向形 成浓度梯度分布 ［1， 2］。在这种情况下， 气体发生爆 炸的传播过程与均匀分布时相比是不同的。同时， 井下风门、 风帘等通风设施将巷道内分隔成多个区 域， 这种柔性障碍物不同于矿车等刚性障碍物， 其阻 塞率为 100， 抗冲击抗剪切力较差， 破膜过程中会 万方数据 消耗一部分能量， 膜破裂之后湍流加剧 ［3］。在浓度 梯度分布条件下， 柔性障碍物对甲烷气体爆炸产生 的激励效应更加复杂。甲烷气体的爆炸极限为 5 16， 浓度小于 5时， 爆炸火焰通过时， 甲烷 气体能否参与爆炸问题未得到解决， 为此展开了一 系列研究 ［4］。刘振乾已在相同实验台即华北科技 学院爆炸实验室的激波管道实验系统进行了一部分 实验， 研究发现在甲烷浓度均匀分布的条件下， 阻塞 率为 100但能发生破裂的薄膜障碍物数量对火焰 传播速度和爆炸超压具有明显的激励作用 ［5］。李 祥春、 聂百胜等人利用定容反应器模型对不同甲烷 浓度的甲烷爆炸反应进行了模拟研究， 表明随着初 始甲烷浓度的增加， 甲烷爆炸的最终温度先升后降， 压力逐渐升高。M Kuznetsov 等人通过在可燃气体 浓度梯度分布条件下的实验研究得出一些结论， 具 有浓度梯度的混合物意外点火可能导致火焰加速和 爆燃至爆轰 （DDT） 转变 ［6， 7］。Vollmer 等人研究发 现与均匀混合物相比， 浓度梯度可导致明显更强烈 的火焰加速 ［8-10］。 以浓度梯度、 柔性薄膜两者耦合作用条件下， 甲 烷爆炸传播过程中的火焰传播速度、 爆炸压力峰值 的变化规律进行研究， 得出激励效应对甲烷爆炸传 播特性的影响。研究结果对矿井不同甲烷浓度梯度 环境下气体爆炸传播过程的特殊现象提供一定的解 释， 为预防和控制甲烷爆炸事故提供理论依据， 为甲 烷爆炸事故调查、 事故防治、 应急救援等提供参考。 1 实验方案设计 实验装置系统由爆炸激波管、 点火系统、 数据采 集系统、 延时同步控制系统、 充配气及真空系统等子 系统组成， 见图 1 （实验装置系统图） 。爆炸激波管 管体采用材料为 A20 号碳钢、 冷拔无缝钢管， 内截 面为方形截面200 mm 200 mm， 壁厚为10 mm。为 了便于实验管道长度调节， 将管体分割为 13 段， 每 段长 2. 5 m。各段管体由法兰首尾连接成一体。装 配过程中不仅需要考虑各连接处的密封问题， 还要 重视整个管体的同轴度， 以保证整个管体前后可以 灵活移动。 图 1 实验装置系统图 Fig. 1 System diagram of experimental device 点火系统由高压直流电源给电容器充电， 达到 所需电压后通过触发使尖端击穿空气形成高压电火 花， 从而形成放电。本实验利用 220 V 低电压击穿 部分空气形成部分电弧诱导 5 kV 高压放电， 其中电 容器电容测得为 0. 225 μF， 实验采用的放电电压 5 kV， 故点火能量为 2. 81 J。 数据采集系统包括压力、 火焰测量系统， 实验配 备 16 通道数据采集卡和 DHDAS 动态信号采集分 析系统， 故实验工况 1、 2、 3 在爆炸激波管分别安装 7 个 PCB 压力传感器和 6 个火焰传感器。实验采用 的 M113B24 压力传感器是 ICP 压电传感器， 量程为 0 68. 95 MPa， 灵敏度为 0. 725 MV/ kPa， 谐振频率 高于 500 kHz。火焰的测量是利用光线收集光信 号， 将光信号转化为电信号， 后通过 DH8302 数采系 统得到数据。将两个火焰传感器之间的距离除以光 信号所经过的时间得到火焰传播的平均速度。压力 531第 37 卷 第 1 期 徐景德， 冯若尘， 田思雨， 等 100置障与浓度梯度耦合作用甲烷爆炸激励效应实验研究 万方数据 传感器和火焰传感器的位置尽可能位于同一轴向位 置， 以便比较冲击波和火焰到达同一轴向位置的时 间差。为着重探究膜状障碍物附近表征参数的变 化， 在薄膜附近压力传感器布置数量较多， 火焰传感 器进行均匀布置， 在进行一层和两层夹膜两种环境 下传感器具体安装位置示意图， 如图 2 （一层薄膜传 感器布置） 图 3 （两层薄膜传感器布置） 所示， 管道上 方为火焰传感器 （E1\E2\E3\E4\E5\E6） ， 管道下方 为压力传感器 （P1\P2\P3\P4\P5\P6\P7） 。 图 2 一层薄膜传感器布置图 Fig. 2 Layout of sensor in a thin film 图 3 两层薄膜传感器布置图 Fig. 3 Sensor layout in two layers of thin Films 实验在阻塞率 100的柔性障碍物与非均匀甲 烷浓度分布耦合条件下， 通过改变甲烷的浓度与薄 膜数量来营造不同浓度梯度的甲烷爆炸环境， 研究 甲烷爆炸时的火焰传播速度、 压力的传播变化规律。 以柔性障碍物数量和甲烷浓度梯度分布为实验因 子， 用正交法设计试验工况， 依照所需要解决的问 题， 实验中选择的甲烷浓度分别为 9. 5、 6、 3、 0。分别在管道7. 8 m， 10. 3 m 两处放置阻塞率为 100的柔性障碍物 BOPP 薄膜， 将整个实验管道分 成 2 或 3 个区域。实验工况通过正交设计， 3 种浓 度和2 个薄膜设计6 组实验工况 （0， 3， 6； Ⅰ， Ⅱ） ， 每种浓度下分别进行三次重复实验， 以减少实 验误差的产生。具体实验工况如下表 1。 表 1 1 道膜实验工况 Table 1 The one membrane experimental conditions 工况 序号 工况/ 第一 区域/ 夹膜 1 处 第二 区域/ 夹膜 2 处 第三 区域/ 夹膜 数量 19. 5/09. 5√00Ⅰ 29.5/39.5√03Ⅰ 39.5/69.5√06Ⅰ 注“√” 表示此处放置 BOPP 薄膜，“ ” 表示此处没有放置 BOPP 薄膜。 表 2 2 道膜实验工况 Table 2 The two membranes experimental conditions 工况 序号 工况/ 第一 区域/ 夹膜 1 处 第二 区域/ 夹膜 2 处 第三 区域/ 夹膜 数量 49. 5/0/09.5√0√0Ⅱ 59.5/0/39.5√0√3Ⅱ 69.5/0/69.5√0√6Ⅱ 2 实验结果分析 为了研究阻塞率 100的柔性障碍物与非均匀 甲烷浓度分布耦合条件对甲烷爆炸激励效应的影 响， 分别对甲烷爆炸压力峰值和火焰速度的沿程分 布进行分析， 总结爆炸压力峰值和火焰速度的变化 规律。 2. 1 火焰传播速度的变化特征 由于整个爆炸过程十分短暂， 相邻两个传感器 之间的平均速度可以反映爆炸传播过程中的火焰传 播速度。通过火焰传播速度曲线与爆炸沿程压力分 布曲线， 分析不同浓度梯度下甲烷爆炸火焰传播速 631爆 破 2020 年 3 月 万方数据 度与爆炸压力的变化规律。如图 4 （工况 1/3/5 甲 烷爆炸火焰传播距离时间曲线） 、 图 5 （工况 2/4/6 甲烷爆炸火焰距离时间传播曲线） 、 表 3 （工况 1/3/ 5 甲烷爆炸火焰传播速度曲线） 、 表 4 （工况 2/4/6 甲烷爆炸火焰传播速度曲线） 。 图 4 工况 1/2/3 甲烷爆炸火焰传播曲线 Fig. 4 Fire propagation curve of methane explosion under working condition 1/2/3 图 5 工况 4/5/6 甲烷爆炸火焰传播曲线 Fig. 5 Fire propagation curve of methane explosion under working condition 4/5/6 表 3 工况 1/2/3 甲烷爆炸火焰传播速度 Table 3 Curve of 1/2/3 methane explosion flame propagation velocity under working conditions 传感器 编号 传感器 距离差/ m 工况 1 速度/ （ms -1） 工况 2 速度/ （ms -1） 工况 3 速度/ （ms -1） E1E22.5416. 7277. 8416.7 E2E32.5833. 3312. 5833.3 E3E41.5500. 0375. 0500.0 E4E53.5875. 0无875.0 E5E62. 5无无无 从表 3 表 4 可以明显的看出， 不同浓度梯度分 布工况下， 甲烷爆炸传播过程中火焰传播速度总体 变化呈上升趋势。图 4 图 5 对比发现火焰传播距离 有所增加。薄膜数量对甲烷爆炸火焰传播激励效应 有以下影响 （1）当甲烷浓度梯度处于 9. 5 0时， 实验 工况 1 与实验工况 4 火焰传播速度明显不同， 一道 膜的甲烷爆炸火焰速度明显比两道膜的甲烷爆炸火 焰速度快， 但是火焰传播距离是两道膜的甲烷爆炸 火焰尾焰更远， 速度也在破膜后得到提升， 产生激励 作用； 随着火焰传播距离的增加， 火焰最高速度在破 膜后基本保持不变。 （2） 当甲烷浓度梯度处于 9. 5 3时， 实验 工况 3 与实验工况 5 中火焰传播距离基本一致， 但 一道膜的甲烷爆炸火焰速度明显比两道膜的甲烷爆 炸火焰速度慢， 推测甲烷爆炸火焰在破膜过程中消 耗能量， 在 3甲烷中燃烧不充分， 造成多余火焰长 度变化不明显， 火焰速度降低， 产生激励作用。 （3） 当甲烷浓度梯度处于 9. 5 6时， 实验 工况 3 与实验工况 6 中火焰传播距离基本一致， 爆 炸火焰初速度一致， 但二道膜的火焰末速度明显比一 道膜的火焰末速度高了一倍， 达到了 1166. 7 m/ s， 说 明在浓度梯度下甲烷爆炸传播至接近爆炸下限范围 内时， 薄膜数量对甲烷爆炸的激励作用显著。 表 4 工况 4/5/6 甲烷爆炸火焰传播速度 Table 4 Curve of 4/5/6 methane explosion flame propagation velocity under working conditions 传感器 编号 传感器 距离差/ m 工况 4 速度/ （ms -1） 工况 5 速度/ （ms -1） 工况 6 速度/ （ms -1） E1E22. 5416. 7416. 7416. 7 E2E32. 5500. 0500. 0500. 0 E3E41. 5500. 0500. 0500. 0 E4E53. 5无无1166. 7 E5E62. 5无无无 通过对比 0、 3、 6浓度下甲烷气体爆炸火 焰传播速度的变化， 发现不同浓度梯度对甲烷爆炸 火焰传播激励效应有以下影响 （1） 当设置 1 道薄膜时， 0浓度梯度的甲烷爆 炸火焰初速度最高； 6浓度梯度的甲烷爆炸火焰末 速度最高； 3 浓度梯度的甲烷爆炸火焰初速度最 低， 在破膜后虽有上升， 但上升不大， 火焰末速度只 达到 373 m/ s； 0浓度梯度的甲烷爆炸火焰尾焰最 短， 3、 6 浓度梯度的甲烷爆炸火焰尾焰有所延 长， 分别延长了 2. 5 m 与 6 m。说明在一个障碍物 的条件下， 不同浓度梯度甲烷爆炸对火焰传播速度 和火焰尾焰长度起到激励作用， 其中 6 浓度梯度 甲烷爆炸火焰传播速度和火焰尾焰长度的激励作用 显著。 （2） 当设置 2 道薄膜时， 0、 3、 6浓度梯度 的甲烷爆炸火焰初速度一致， 但 6浓度梯度的甲 烷爆炸火焰末速度最高， 0、 3浓度梯度甲烷爆炸 731第 37 卷 第 1 期 徐景德， 冯若尘， 田思雨， 等 100置障与浓度梯度耦合作用甲烷爆炸激励效应实验研究 万方数据 火焰速度在破膜后上升速率一致， 最后火焰末速度 都达到 500 m/ s； 0、 3浓度梯度甲烷爆炸火焰尾 焰长度一致为 15. 25 m， 6浓度梯度甲烷爆炸火焰 尾焰长度为 18. 75 m， 说明在多个障碍物数量的条 件下， 不同浓度梯度甲烷爆炸对火焰传播速度起到 激励作用。 文献 ［5］ 中已对同浓度条件下薄膜对甲烷爆炸 传播产生的激励效应作出了研究， 发现在浓度为 9. 5的甲烷预混气体工况下， 随薄膜障碍物数量的 增多火焰初始速度升高， 火焰整体速度也随之进一 步提高； 爆炸超压初始值随之升高， 最大超压峰也相 应增大， 相对于一般的障碍物而言， 更易发生爆燃转 爆轰现象。由以上实验现象及分析可知， 在 0和 6浓度梯度下， 不同数量的阻塞率 100柔性障碍 物 BOPP 薄膜对甲烷爆炸火焰传播起到激励效应， 对火焰长度和火焰传播速度起到激励作用， 浓度为 6时火焰传播速度最快； 在 3浓度梯度下， 多个 阻塞率 100柔性障碍物 BOPP 薄膜对甲烷爆炸火 焰传播速度起到激励作用， 对火焰长度基本没有影 响。在同置障条件下， 不同浓度梯度对甲烷爆炸火 焰传播都起到激励效应， 最大可达到 3 马赫数。爆 炸最低浓度要在 5以上， 柔性障碍物产生的激励 效应影响强烈。 2. 2 爆炸压力峰值的变化特征 根据实验结果分析得出不同工况下甲烷爆炸压 力峰值沿程分布曲线， 即图 6 （工况 1/3/5 爆炸压力 峰值沿程分布曲线） 、 图 7 （工况 2/4/6 爆炸压力峰 值沿程分布曲线） 。从图 6 图 7 可以看出， 6浓度 的甲烷管道内最大爆炸压力峰值比 0与 3浓度 下明显增大。其中， 不同薄膜数量对甲烷爆炸压力 传播激励效应产生以下影响 （1） 当甲烷浓度梯度处于 9. 5 0时， 实验 工况 1 与实验工况 4 爆炸初始压力基本一致， 但破 膜后一道膜的甲烷爆炸压力上升速率明显比两道膜 的甲烷爆炸压力上升速率慢， 但是一道膜的甲烷爆 炸压力在管道末端达到 242. 156 kPa， 二道膜的甲烷 爆炸压力在管道末端达到 161. 187 kPa， 推测一道膜 的甲烷爆炸压力率先达到峰值， 而二道膜的甲烷爆 炸压力还未达到峰值， 延长了爆炸压力达到峰值的 距离。在甲烷浓度梯度处于 0时， 障碍物数量对 甲烷爆炸压力产生激励作用。 （2） 当甲烷浓度梯度处于 9. 5 3时， 实验 工况 2 与实验工况 5 爆炸初始压力基本一致， 但一 道膜的甲烷爆炸压力率先达到了峰值 268. 237 kPa， 而二道膜的甲烷爆炸压力还未达到峰值， 说明增加 障碍物数量延长了爆炸压力达到峰值的距离。在甲 烷浓度梯度处于 3时， 障碍物数量对甲烷爆炸压 力产生激励作用。 （3） 当甲烷浓度梯度处于 9. 5 6时， 实验 工况 3 与实验工况 6 爆炸初始压力基本一致， 一道 膜的甲烷爆炸压力上升速率与二道膜的甲烷爆炸压 力上升速率也基本一致， 但在破膜后实验工况 6 的 爆炸压力比实验工况 5 的爆炸压力高， 说明障碍物 对甲烷爆炸压力有激励作用。 图 6 工况 1/2/3 爆炸沿程压力分布曲线 Fig. 6 Pressure distribution curve of explosion along the way on condition 1/2/3 图 7 工况 4/5/6 爆炸沿程压力分布曲线 Fig. 7 Pressure distribution curve of explosion along the way on condition 4/5/6 通过对比 0、 3、 6浓度下甲烷气体爆炸传 播过程中压力峰值大小的变化， 不同浓度梯度条件 对甲烷爆炸压力峰值产生以下影响 （1） 当设置 1 道薄膜时， 3浓度梯度的甲烷爆 炸压力率在管道前部先达到峰值； 0浓度梯度的甲 烷爆炸压力在管道末端可能达到峰值； 6浓度梯度 的甲烷爆炸压力在全程没有明确一点有达到爆炸压 力峰值。说明在一个障碍物的条件下， 不同浓度梯 度甲烷爆炸对爆炸压力起到激励效应， 当浓度梯度 低于甲烷爆炸下限时， 甲烷爆炸压力会比在其他浓 度梯度条件下先到达压力峰值。 （2） 当设置 2 道薄膜时， 0、 3、 6浓度梯度 甲烷爆炸压力在全程没有达到峰值， 但 6浓度梯 831爆 破 2020 年 3 月 万方数据 度的甲烷爆炸压力全程最高， 0、 3浓度梯度甲烷 爆炸压力在破第二道膜前爆炸压力基本一致， 在破 第二道膜后 0浓度梯度甲烷爆炸压力比 3浓度 梯度甲烷爆炸压力高； 3浓度梯度甲烷爆炸压力在 破第二道膜后先降低后升高， 推测爆炸火焰破膜消 耗能量， 而使 3甲烷燃烧需要消耗能量， 但 3甲 烷燃烧不充分没有为压力波提供足够的能量， 导致 第二道膜后火焰波为压力波提供的能量减少。说明 在多个障碍物数量的条件下， 不同浓度梯度甲烷爆 炸对火焰传播速度起到激励作用。 由以上实验现象及分析可知， 在同浓度梯度条 件下， 不同障碍物数量对甲烷爆炸压力起到激励作 用。在单一的阻塞率 100柔性障碍物 BOPP 薄膜 条件下， 当浓度梯度低于甲烷爆炸下限时， 甲烷爆炸 压力会比在其他浓度梯度条件下先到达压力峰值。 在多个阻塞率100柔性障碍物 BOPP 薄膜条件下， 不同浓度梯度甲烷爆炸对甲烷爆炸压力具有激励效 应。与刚性障碍物不同， 柔性障碍物被冲破后会加 剧紊流度， 最大压力峰值不在障碍物附近而是在在 管道后方达到最大压力峰值。由于薄膜的物质特性 造成对燃烧波很难阻挡， 高温火焰很快冲破柔性障 碍物， 导致湍流度增加， 使燃烧速率加快， 导致单位 时间内火焰传播速度上升， 爆炸压力不断加大， 沿程 消耗的能量远小于增加的能量。 全阻塞率薄膜与浓度梯度耦合作用对甲烷爆炸 压力与火焰速度的影响显著。在耦合作用下， 对甲 烷爆炸压力和火焰速度起到激励效应； 薄膜数量和 甲烷浓度梯度的增加会使甲烷爆炸压力增大； 火焰 速度随薄膜数量和甲烷浓度梯度的增加而增加； 火 焰尾焰随薄膜数量和甲烷浓度梯度的增加而得到了 延长， 使得甲烷爆炸的致伤范围扩大了 1 倍， 实际安 全距离也延长 1 倍。 3 结论 通过实验研究， 分析了 100阻塞率柔性薄膜 和浓度梯度耦合条件下甲烷爆炸的激励效应， 得出 了以下结论 （1） 与均匀浓度条件下相比， 具有浓度梯度分 布下甲烷爆炸传播过程中火焰传播速度和压力峰值 成倍增加， 柔性障碍物产生强烈的激励效应。在同 浓度梯度条件下， 不同障碍物数量对甲烷爆炸压力 都起到激励效应。 （2） 在单一的柔性障碍物存在时， 当浓度梯度 低于甲烷爆炸下限时， 甲烷爆炸压力会比在其他浓 度梯度条件下先到达压力峰值。甲烷浓度高于爆炸 下限 5时才能产生强烈的激励效应。 （3） 由于对全阻塞率薄膜与浓度梯度耦合条件 下甲烷爆炸传播特性的实验研究中爆炸超压值相对 过大， 无法设置光学视窗进行观察， 在下一步的研究 中将会对此进行改进并展开深入研究。 （4）与刚性障碍物不同， 柔性障碍物被冲破后 会加剧紊流度， 最大压力峰值不在障碍物附近而是 在在管道后方达到最大压力峰值， 可为部分甲烷爆 炸事故调查提供一定的依据。 参考文献 （References） ［1］ 艾迪昊， 荣 涛， 李 聪， 等. 综掘工作面停风后甲烷 分布规律研究与应用 ［J］ . 中国煤炭， 2015， 41 （4） 118- 121. ［1］ AI Di-hao， RONG Tao， LI Cong， et al. 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