障碍物对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的影响.pdf

中国矿业大学学报990 2 0 2 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH INA U NIVERSIT Y O F M I NING T ECH NO LO G Y 1999年 第2 期 第2 8 卷 Vo l . 2 8 No . 2 1999 障碍物对瓦斯爆炸过程中 火焰和爆炸波的影响* 林柏泉 周世宁 张仁贵 摘要 对瓦斯爆炸过程中障碍物对火焰和爆炸波的影响进行了试验研究. 结果表明，障碍 物对瓦斯爆炸过程中产生的火焰和爆炸波具有重要影响. 有障碍物存在时，火焰的传播速 度将迅速提高，在2 0 倍长径比处达到最大值，随后逐渐衰减，直至熄灭. 原因是障碍物的 存在加剧了火焰传播过程中的湍流现象，而湍流又加速了火焰传播. 障碍物的存在使爆炸 波的传播曲线变化幅度迅速增大，并可能产生突变界面和马赫数M ≥1的情况，即产生激 波，从而增大瓦斯爆炸的威力. 因此，应尽量减少矿井巷道中的障碍物. 关键词 瓦斯爆炸，障碍物，火焰，激波 中图分类号 T D 7 12 . 7 I n f l u e n c e o f Ba r r i e r s o n Fl a m e T r a n s m i s s i o n a n d Ex p l o s i o n W a v e i n G a s Ex p l o s i o n Li n Ba i q u a n Zh o u Sh i n i n g Zh a n g Re n g u i D e p a r t m e n t o f M i n i n g En g i n e e r i n g , CU M T , Xu z h o u 2 2 10 0 8 A b s t r a c t T h e i n f l u e n c e o f b a r r i e r s o n f l a m e t r a m s m i s s i o n a n d e x p l o s i o n w a v e i n g a s e x p l o s i o n i s i n v e s t i g a t e d b y a l a b e x p e r i m e n t . T h e r e s u l t s h o w s t h a t b a r r i e r s h a v e a g r e a t i n f l u e n c e o n t h e f l a m e t r a n s m i s s i o n a n d e x p l o s i o n w a v e . W h e n t h e r e a r e b a r r i e r s , t h e v e l o c i t y o f f l a m e t r a n s m i s s i o n i n c r e a s e s q u i c k l y , r e a c h e s i t s m a x i m u m v a l u e a t 2 0 t i m e s L/ D r a t i o a n d t h e n d e c r e a s e s g r a d u a l l y t o z e r o . T h e r e a s o n i s t h a t b a r r i e r s ’ e x i s t e n c e i n t e n s i f i e s t o r r e n t i a l f l o w i n g a s e x p l o s i o n , a n d t h e t o r r e n t i a l f l o w i n t u r n , a c c e l e r a t e s t h e t r a n s m i s s i o n o f f l a m e . W i t h b a r r i e r s , e x p l o s i o n w a v e c h a n g e s g r e a t l y a n d q u i c k l y , a n d a s u d d e n c h a n g e o f e x p l o s i o n w a v e a n d t h e p h e n o m e n o n o f M a c h n u m b e r M ≥1 a r e p o s s i b l y r e s u l t e d i n , i . e . s h o c k w a v e m a y o c c u r , g r e a t l y i n c r e a s i n g t h e d i s t r u c t i v e p o w e r o f g a s e x p l o s i o n . Fo r t h i s r e a s o n , b a r r i e r s i n t u n n e l s i n c o a l m i n e s s h o u l d b e r e d u c e d t o a p o s s i b l e s m a l l n u m b e r . K e y w o r d s g a s e x p l o s i o n , b a r r i e r , f l a m e , s h o c k w a v e 矿井瓦斯爆炸是煤矿重大恶性事故之一，如何有效地防止瓦斯爆炸的发生对煤矿安 全生产具有重要意义. 特别是近年来，随着矿井生产机械化水平和生产集约化程度的提 高，以及不少大矿区如平顶山、淮南、鸡西、鹤岗等相继进入深部开采，瓦斯涌出量急 剧增加，恶性瓦斯爆炸事故时有发生. 例如，1997 年11月发生在淮南矿务局谢二矿的瓦斯 爆炸事故，使爆炸地点附近10 0 0 m 范围内的通风设施遭到严重破坏，死亡数十人. 而在地 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 0 2 . h t m （第 1／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 0 0 中国矿业大学学报990 2 0 2 方煤矿和乡镇煤矿，瓦斯爆炸事故则更是屡见不鲜，造成的损失是极其惨重的. 这些事故 暴露出若干亟待研究的重大理论与技术问题，如瓦斯爆炸的传播规律、爆燃转变为爆轰 的条件，以及井下障碍物（如矿车等）对爆炸波的诱导、反射、迭加规律以及引起爆轰 的作用等. 本文就障碍物对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的影响进行了探讨，以期对矿井 瓦斯爆炸的理论研究有所裨益，对矿井瓦斯爆炸的防治有所帮助. 1 实验方法及设备 为了研究障碍物对瓦斯爆炸过程中产生的火焰和爆炸波的影响，笔者在我校“2 11工 程”重点学科建设项目的支持下，专门设计加工了“瓦斯爆炸实验系统”， 如图1所示. 该系统包括5个部分，即瓦斯爆炸试验管道、动态数据采集分析系统、火焰速度测量系 统、瓦斯爆炸压力测量系统和瓦斯爆炸点火装置. 图1 瓦斯爆炸实验系统示意 Fi g . 1 T h e e x p e r i m e n t a l s y s t e m o f g a s e x p l o s i o n 1. 1 瓦斯爆炸试验管道 该管道为8 0 m m 8 0 m m 的方管，每节长有0 . 5，1. 0 ，1. 5，2 . 5m 4种，总长2 4m . 在方管 上有压力、温度、火焰传感器和点火装置的安设孔，整个管道用厚12 m m 的16 M n 钢板焊 制，耐压2 0 M Pa 以上. 全部管道安放在组合式支架上，支架用YB16 4-6 3轻型槽纲焊制，高 度6 2 0 m m ，用4条内径38 m m 的镀锌管联为一个整体，可分可合，轻便灵活，结构稳定. 为 了便于实验，管道能灵活折开和接合，各节管道均安放在2 0 4滚珠轴承托架上，两侧用限 位卡限位. 1. 2 动态数据采集分析系统 该系统为CS2 0 18 6 -32 型，具有32 个通道 采样率2 0 M ， 采样精度10 b i t , 采样长度1M ， 能满足微秒级数据采集速度的要求. 它具有自动采集、储存、数据处理和显示以及打印输 出的功能，能同时将8 个通道的测试结果显示在屏幕上，且具有将曲线压缩、拉伸、放大 和缩小的功能. 1. 3 火焰速度测量系统 该系统采用光敏三极管作为火焰传感器，即使在CH 4燃烧的暗淡光源下，通过放大 电路也可以准确采集到火焰信号，采集速度也达到了微秒级. 通过放大器的输出电路可并 行进入记录仪，也可以串行输入到记录仪，因而可以大大减少占用记录仪的通道数. 1. 4 瓦斯爆炸压力测量系统 系统采用YD 2 0 5型石英压电传感器，该传感器具有限高的频响，每一传感器均用独 立的YE58 52 型电荷放大器配合，采集数据的速度可达微秒级. 系统具有信号引线短、可避 免电荷丢失、保证测量准确度的优点. 1. 5 瓦斯爆炸点火装置 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 0 2 . h t m （第 2 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 0 0 中国矿业大学学报990 2 0 2 该装置采用简易操作型的电容储能高压电火花点火装置，其输出能量为2 0 ～10 0 J. 试验时，先在瓦斯爆炸试验管道的不同位置安装各种传感器，并将配制好的一定瓦 斯浓度的气体冲入瓦斯爆炸试验管道；然后调试CS2 0 18 6 -32 型动态数据采集分析系统， 根据需要设定相应的采样率、采样长度及相关参数，使之处于自动采集状态；最后利用 高压电火花点火装置点火起爆，测定瓦斯爆炸过程中的有关参数. 2 试验结果及分析 为了研究瓦斯爆炸过程中火焰与爆炸波的传播规律，在瓦斯爆炸试验管道内进行了 加障碍物和不加障碍物的模拟试验研究，结果表明障碍物对瓦斯爆炸过程中火焰与爆炸 波的传播规律具有重要影响. 2 . 1 障碍物对火焰传播规律的影响 表1为瓦斯爆炸过程中火焰传播速度的测定结果 表中s 为长径比, 即s L/ D , 图2 , 3分别 为障碍物对火焰传播规律和火焰传播速度影响的试验结果. 从中可以看出随着障碍物数 量的增加，火焰传播速度迅速提高，在2 0 倍长径比处达到最大值，随后逐渐衰减直至熄 灭；且随障碍物数量的增加，衰减速度变慢. 因此，障碍物对瓦斯爆炸过程中火焰传播及 其衰减速度都具有重要的影响. 究其原因，笔者认为主要是由于障碍物的存在，提高了火 焰传播过程中的湍流现象，湍流又加速了火焰传播，从而导致火焰传播速度的迅速提 高；在火焰传播速度达到最大值后，由于没有能量的补充以及壁面的吸热作用，传播速 度逐渐衰减直至火焰熄灭. 因此，在矿井可能发生瓦斯爆炸的地方，应尽量减少和清除不 必要的障碍物，以防万一发生瓦斯爆炸时引起火焰加速，导致爆炸强度和波及范围的迅 速扩大. 表1 瓦斯爆炸过程中火焰传播速度的测定结果 T a b l e 1 T h e m e a s u r e d r e s u l t s o f f l a m e t r a n s m i s s i o n v e l o c i t y i n g a s e x p l o s i o n 序 号 障碍物/ 数 长径比 s 速度v / m . s -1 序 号 障碍物/ 数 长径比 s 速度v / m . s -1 102 097 . 71142 017 7 . 1 20367 3. 21243612 5. 0 305036 . 113450119. 8 406 030 . 61446 096 . 4 507 014. 21547 058 . 6 622 0139. 8 1662 02 8 0 . 0 7236111. 3 176362 30 . 0 825098 . 7186502 40 . 0 926 07 6 . 51966 02 2 2 . 0 1027 037 . 8 2 067 02 0 1. 0 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 0 2 . h t m （第 3／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 0 0 中国矿业大学学报990 2 0 2 图2 瓦斯爆炸过程中障碍物对火焰传播规律的影响 Fi g . 2 T h e i n f l u e n c e o f b a r r i e r s o n f l a m e t r a n s m i s s i o n i n g a s e x p l o s i o n 图3 障碍物对火焰传播速度的影响 Fi g . 3 T h e i n f l u e n c e o f b a r r i e r s o n f l a m e t r a n s m i t t i n g s p e e d i n g a s e x p l o s i o n 2 . 2 障碍物对爆炸波传播规律的影响 表2 为瓦斯爆炸过程中爆炸波传播规律的测定结果，图4a ～4c 分别为0 , 2 和6 个障碍物 时不同位置瓦斯爆炸的爆炸波传播曲线. 表2 瓦斯爆炸过程中爆炸波参数的测定结果 T a b l e 2 T h e m e a s u r e d r e s u l t s o f e x p l o s i o n p a r a m e t e r s f o r g a s e x p l o s i o n 序 号 障碍 物数 长径比s峰值压力/ M Pa 速度v / m . s -1 马赫 数 M 序 号 障碍 物数 长径比s峰值压力/ M Pa 速度v / m . s -1 马赫数 M 10110 . 30 3 1134110 . 1396 591. 94 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 0 2 . h t m （第 4／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 0 0 中国矿业大学学报990 2 0 2 20460 . 2 10 1144460 . 17 94471. 32 307 40 . 137 11547 40 . 16 94131. 2 1 40900 . 192 1164900 . 2 0 34101. 2 1 501180 . 16 8 11741180 . 18 37 8 12 . 30 601580 . 18 7 11841580 . 19840 21. 18 7211 98 72 . 9196110 . 2 2 81 0 7 73. 17 82460 . 40 14471. 32 06460 . 3154921. 45 927 40 . 1922 0 70 . 62 167 40 . 2 7 148 21. 42 102900 . 2 2 637 91. 12 26900 . 2 8 34471. 31 1121180 . 2 0 07 0 32 . 12 361180 . 2 317 8 12 . 30 1221580 . 2 5340 21. 22 461580 . 2 6 242 91. 2 6 图4 瓦斯爆炸过程中爆炸波的传播曲线 Fi g . 4 T h e c u r v e s o f e x p l o s i o n w a v e f o r d i f f e r e n t n u m b e r s o f b a r r i e r s i n g a s e x p l o s i o n 从中可以看出障碍物对瓦斯爆炸过程中爆炸波的传播规律具有重要影响. 无障碍物时，爆炸 波的传播曲线变化幅度不大，未出现爆炸波的突变界面，马赫数M 1，故而不会出现激波现象. 有 障碍物时，瓦斯爆炸过程中爆炸波的传播曲线变化幅度迅速增大. 障碍物为6 个时，在46 倍长径比处 即可产生突变界面和马赫数M ≥1的现象，即产生了激波. 而激波的产生会大大加强对附近构筑物的 破坏作用. 同时，即使不产生激波，这种爆炸波形变化幅度增大的现象对矿井构筑物也是极为有害 的，容易导致构筑物的破坏. 因此，为了减轻瓦斯爆炸的破坏作用，应设法防止激波的产生和减弱 爆炸波的变化幅度. 为此，应尽量减少矿井巷道中的障碍物，以防瓦斯爆炸时诱导激波产生和引起 爆炸波形变化幅度增大，从而增大瓦斯爆炸的破坏作用. 3 结 论 通过以上研究，可以得出如下结论 1 障碍物对瓦斯爆炸过程中火焰传播规律具有重要影响. 随着障碍物数量的增加，火焰传播速 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 0 2 . h t m （第 5／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 0 0 中国矿业大学学报990 2 0 2 度迅速提高，衰减速度变慢，波及范围扩大. 2 障碍物对瓦斯爆炸过程中爆炸波的传播规律具有重要影响. 无障碍物时，瓦斯爆炸过程中爆 炸波的传播曲线变化幅度不大，未出现爆炸波的突变界面，且马赫数M 1，故而不会出现激波现 象. 有障碍物时，瓦斯爆炸过程中爆炸波的传播曲线变化幅度迅速增大，易出现爆炸波的突变界面 和马赫数M ≥1的现象，可能会诱导激波的产生；而激波的产生和爆炸波形变化幅度增大会大大加 强对附近构筑物的破坏作用. *国家“2 11工程”重点学科建设项目和国家“九五”科技攻关资助项目（96 -2 2 3-0 1-0 5-0 4）研究成 果之一。 作者简介 林柏泉，男，196 0 年生，副教授，工学博士 作者单位中国矿业大学采矿工程系 徐州 2 2 10 0 8 参考文献 1 刘晓利，李鸿志. 障碍物对铝粉火焰加速作用的实验研究. 爆炸与冲击，1995, 15 1 11～19 2 伊曼纽尔 G . 气体动力学的理论与应用. 北京科学出版社，1992 . 52 ～6 0 收稿日期 1998 -0 4-0 1 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 0 2 . h t m （第 6 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 0 0