瓦斯爆炸传播过程中矿车激励效应的实验研究.pdf

第 7卷 第 2期 2011年 2月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 Journal of Safety Science and Technology Vo. l 7 No . 2 Feb. 2011 文章编号1673- 193X2011 - 02- 0005- 04 收稿日期2010- 11- 30 作者简介 徐景德, 教授, 工学博士。 *基金项目 国家科技部 973项目灾害环境下重大工程安全性的研究 编号 2002CB412707 瓦斯爆炸传播过程中矿车激励效应的实验研究 * 徐景德 1, 黎体发2, 张莉聪1, 杨庚宇1 1华北科技学院, 燕郊 101601 2国家安全生产信息研究院, 北京100021 摘 要 为了分析矿车在矿井瓦斯爆炸传播过程中的激励效应, 模拟井下工作环境, 构建了实验管 道, 按照比例建造了矿车模型, 分别设定一个矿车和三个矿车链接两种实验工况进行试验。根据 冲击波传播过程中激励效应的形成机制, 以爆炸传播过程中火焰和冲击波波阵面变化测试为主要 测试目标, 采用激光纹影的测试方法, 分别观测了两种工况条件下下矿车区域附近爆炸冲击波畸 变情况, 捕获了冲击波经过矿车附近时, 冲击波变化特征。根据试验观测, 当冲击波经过障碍物附 近时, 波阵面明显发生畸变, 而当三个矿车存在时, 火焰出现了回流和绕流现象, 燃烧强度和速度 都明显增加, 这一实验结果一方面证实了矿车对瓦斯爆炸存在明显的激励效应, 同时指出矿车数 量多, 激励效应会更强。本文研究结果对瓦斯爆炸事故阻爆、 隔爆技术开发和事故调查有一定的 指导意义。 关键词 瓦斯爆炸; 矿车; 激励效应; 激光纹影 中图分类号 X932 文献标识码 A Experiment study of inspirit affection by the tramcar during themethane explosion propagation XU Jingde 1, LIT ifa 2, ZHANG L icong 1, YANG Gengyu1 1 . North China Institute ofScienceTechnology , Yanjiao 101201 , China 2 . China Safety Infor mation Instiute , Beijing 100021, China Abstract Experi mentswere conducted to analysis the inspirit effect caused by the tra m cars in the gas explosion in coalm ine . The experi mental tubewere constructed to si mulate the conditions in them ine and themodel of tramcars was processed according to scale . Two operating conditionswith single and triple tramcars respectively were tested . According to the ation principle of the inspirit effect during the propagation of the blastwave ,the laser schlier en was applied to observe the evolution of the flame front and blast wave . The distortion of the blast wave near the tramcars at different operating conditionswasobserved . The results showed that the wave front distorted se verely when the blastwave passed through the obstacles ,back flow and diffraction of the flame occurredw ith exist ence of triple tramcars ,the speed and intensity of the flame increased significantly . This phenomenon i mplied the significant inspirit effect of the tramcars on the gas explosion and the more tra m cars ,the stronger of the inspirit effec. t These resultswould benefit the explosion suppression ,development of explosion suppressing technology and accident investigation. Key words gas explosion ;tramcars ;inspirit effec; tlaser schlieren 可燃性气体发生爆炸时, 如果传播路线上存在 障碍物, 当气体爆炸冲击波经过时, 爆炸波的压力和 传播速度会突然上升, 加剧爆炸破坏程度, 这种效应 称为障碍物的激励效应。激励效应是管状空间中非 理想爆炸传播过程中普遍存在的一种物理现象, 其 形成机理是 第一, 障碍物的存在, 使爆炸传播有效 净断面减小, 导致传播速度在障碍物附近突然增大, 导致压力迅速上升; 第二, 障碍物使冲击波波阵面发 生变形破碎, 燃烧面积扩大, 导致波阵面上的燃烧速 度增加, 导致冲击波能流密度迅速增大, 使爆炸压力 上升。障碍物激励效应甚至造成爆炸由爆燃向爆轰 状态转变, 需要高度注意。煤矿巷道普遍存在的矿 车, 在瓦斯爆炸发生时对瓦斯爆炸冲击波的影响程 度, 关系到瓦斯爆炸阻隔爆技术和设施的应用效果 和瓦斯爆炸事故调查的正确性, 是煤矿安全管理和 安全监察工作必须考虑的一个重要问题。 煤矿井下矿车以链接状态和单一状态两种形式 存在, 其断面积占矿井横断面积的比例较大, 从理论 上说, 其对矿井瓦斯爆炸冲击波存在明显的激励效 应, 甚至可能使爆炸由爆燃向爆轰转换。为了准确 评价矿车对瓦斯爆炸冲击波的激励效应, 本文设计 了基于矿井环境下的实验模型, 从爆炸参数和冲击 波结构变化两个方面分析了矿车在瓦斯爆炸传播过 程中的激励效应。 1 实验模型的构建 11 气体爆炸管道系统 实验研究是在气体爆炸实验测试系统的平台上 进行的, 其实验气体为矿井瓦斯, 气体管道为内截面 40mm 40mm的方形爆轰管道系统, 实验设备以及 辅助测试系统总体设计如图 1所示。主要包括爆炸 点火控制器、 瓦斯爆炸实验管道、 泄压罐、 爆炸压力 及火焰数据测量系统、 配气系统、 激光器触发延时系 统、 激光纹影系统等。爆炸管道系统从整体上可分 为起爆点火端、 驱动段、 实验段、 泄压罐等四部分。 预混可燃气体在起爆点火端被点燃, 经过驱动段形 成较强的爆炸波。 12 实验段的构建 实验段是为一定研究目的和内容而设计的特定 管道段, 将其与瓦斯爆炸实验管道通过法兰连接, 组 成完整的测试系统。实验段内设置了矿车模型障碍 物, 沿管道壁布置了爆炸压力、 火焰测点和光学观察 窗口, 用于测量置障条件下瓦斯爆炸参数的电信号, 进行爆炸流场激光纹影图像拍摄, 如图 2所示。在 实验段的观察窗中心附近装有三个矿车障碍物。各 障碍物是仿真模拟煤矿矿车的缩小模型, 矿车模型 长 30mm, 高 27mm, 形状如图 3所示。障碍物沿实 验管道内腔中心轴线对称布置, 单截面的阻塞比为 4 10 ; 其中障碍物为可装卸式设计, 根据实验研究的 需要, 可对矿车个数和布置点进行不同的配置。 点火方式采用氢氧引爆甲烷 - 空气爆炸点火方 式, 如图 4所示。在引爆段与试验段之间用涤纶薄 膜隔开, 引爆段充入反应当量比 体积比为 2 1的 氢气 - 氧气混合气体, 试验段充入甲烷 - 空气预混 气体, 点燃氢氧气体形成较强的爆炸波, 用来点燃甲 烷 - 空气实验气体。 图 4 氢氧引爆甲烷 空气爆炸点火方式示意图 ∀6∀ 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 7卷 13 数据测试方法 在瓦斯爆炸实验管道平台的测试系统由压力测 量系统、 火焰测速系统、 爆炸流场纹影摄像系统组 成, 如图 5所示。在管道壁面上布置了压力、 火焰传 感器和点火装置的安装孔, 管道同一截面的壁面上 安设了压力和火焰传感器, 用于测量同一截面的瓦 斯爆炸压力和火焰信号。在障碍物附近与点火端相 距 D1 53m、 D2 64m、 D3 66m、 D4 77 m 的四 处均设置了火焰和压力传感器。在实验管道的观察 窗两侧布置上激光纹影测量系统, 对瓦斯爆炸流场 进行流场光学诊断。 图 5 瓦斯爆炸实验测量系统示意图 瓦斯爆炸压力测量采用 PCB压电式压力传感 器, 爆炸火焰测量系统采用光电二极管对火焰传播 速度进行测量, 具有响应时间快, 信号接收稳定, 结 果准确等优点。爆炸流场光学诊断 激光纹影摄 像 。瓦斯爆炸流场光学测试系统主要由凸透镜、 激光纹影测试系统、 实验段 爆炸流场观察窗 等构 成。其中激光纹影测试系统主要由红宝石激光器、 氦 - 氖激光器、 半透半反镜、 滤光片、 凹面反射镜、 平 面反射镜、 拍摄相机等构成, 如图 6所示。 2 实验结果分析 根据实验目的, 分别在管道中设置了 1、 2 、 3个 矿车进行了研究, 获得了三种工况下冲击波传播的 纹影图像, 如图 7 、 图 8和图 9所示。实验表明, 瓦 斯强爆炸传播状态下, 矿车对冲击波的传播有重大 影响。所拍摄的激光纹影图显示该状态下冲击波的 波系非常复杂, 在矿车附近发生冲击波汇聚, 爆炸超 压显著增加, 形成了冲击波点火的瓦斯强爆炸。 分析矿车附近的爆炸流场纹影图, 图 7 a、 图 8 a和图 9 b显示在第一个矿车后端的上角边缘 首先发生了冲击波点火, 使该处的瓦斯气体被点燃, 形成局部爆炸。这是因为矿车该处的障碍物形状特 征值较大, 导致冲击波在此得到最有效的加强。 从图 7 a, 图 8 a 、 b和图 9 b可以观察 到遇矿车后的冲击波反射情况, 反射后形成的激波 向后传播, 会干扰紧跟冲击波阵面的火焰波的传播。 从图 7 b、 图 8 c 和图 9 c分析, 可知除了初始 冲击波反射后形成一向后传播的激波外, 矿车附近 的局部爆炸产生的爆炸冲击波也会形成一向后传播 的激波, 使爆炸流场异常复杂, 爆炸强度得到加强。 图 6 激光纹影系统装置示意图 1 氦 氖激光器; 2 红宝石激光器; 3 激光强度调整器; 4 半透半反镜; 5 光束调节器; 6 光束放大器 ; 7 反射 镜; 8 压电传感器; 9 实验段; 10 光学玻璃窗口; 11 凹 面镜; 12 光线切割刀口; 13 滤光片; 14 物镜; 15 拍摄 相机; 16 电荷放大器; 17 延时器 图 7 置障管道内爆炸冲击波传播状态纹影图 1个矿车 从图 7 b, 图 8 c和图 9 b 、 c可以观察 到遇矿车后的冲击波反射、 绕射情况。矿车个数越 多, 冲击波波系越复杂, 出现的激波阵面就越多。在 不规则障碍物区域, 冲击波阵面发生很大的畸变, 已 非平面波阵面, 但是经过矿车群后冲击波又逐步恢 复为平面波形式向前传播。这主要是由于管道壁面 的约束作用, 使壁面附近的冲击波得到加强, 传播速 度逐步加快, 从而与中间区域的冲击波保持一致向 前传播。另外, 图 9 c显示在第二个矿车上方的壁 面附近, 爆炸波产生了马赫反射, 形成了若干个马赫 杆, 导致了爆炸状态的转换。 ∀7∀ 第 2期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 3 结论 1实验研究表明, 矿车数量越多, 形状特征值 越大, 其对瓦斯爆炸的激励效应越大。实验表明, 置 障管道内的冲击波经反射、 绕射后形成冲击波汇聚, 波系异常复杂, 爆炸危害性剧增; 而实际矿井巷道中 的置障情况更加复杂, 其诱发爆炸冲击波汇聚导致 瓦斯强爆炸的可能性更大。 2在强火源引爆条件下, 矿车对瓦斯爆炸的 激励效应较之于电火花等弱火源具有更大的影响 力。矿车导致爆炸冲击波和火焰波阵面发生畸变, 使传播速度加快, 爆炸超压剧增; 同时对爆炸流场特 性也产生了重大影响, 导致矿车附近气流涌塞, 流场 湍流程度加大, 并在矿车附近发生冲击波点火现象, 形成局部瓦斯爆炸。 3在瓦斯爆炸传播过程中, 随着爆炸火焰传 播速度增大, 在同一时刻爆炸波火焰阵面与压力波 阵面的时间差逐步减小, 火焰阵面将逐步接近压力 波阵面, 存在火焰面与压力波面耦合的趋势, 在一定 条件下, 可能达到爆轰状态, 形成危害性大、 涉及面 广的强瓦斯爆炸。另一方面, 随着爆炸火焰的加速, 爆炸压力的超压值不断增大, 爆炸强度显著增强, 将 会形成较强的爆炸冲击波, 其破坏性会明显增强。 4这些结果说明, 在巷道中设置防隔爆设施 时, 必须留有一定的安全系数。在有矿车存在的巷 道中发生的瓦斯爆炸事故调查时, 在评价瓦斯爆炸 破坏性后果时, 必须注意矿车等大型障碍物对冲击 波的激励效应。 参考文献 [ 1] 徐景德. 矿井瓦斯爆炸冲击波传播规律及影响因素德 研究 [D]. 北京 中国矿业大学, 2003 XU Jingde . 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