瓦斯爆炸在抽放管路中传播特征的研究

张建国

(西山煤电集团公司 镇城底矿，山西 太原 030200)



·试验研究·

瓦斯爆炸在抽放管路中传播特征的研究

张建国

(西山煤电集团公司 镇城底矿，山西 太原 030200)

为了更好地研究抽放管路中瓦斯爆炸特征及火焰传播规律，通过搭建试验平台的方法模拟直管、分叉管路中低浓度瓦斯爆炸特征及燃烧规律，实验结果表明：在直管道爆炸实验过程中，其出口附近显现最大压力峰值，且传播的距离越长，火焰传播速度越快；在分叉管道爆炸实验过程中，每一个分叉点即为一处扰动源，该扰动源主要增大了气流湍流度，螺旋环对管内气流产生较大扰动，气流流动的湍流程度增大，爆炸波强度随之快速增大。

抽放管路；瓦斯爆炸；瓦斯燃烧；螺旋环；火焰传播规律

现阶段煤矿开采深度及强度逐渐增大，随之也增大了瓦斯的涌出量以及煤与瓦斯突出的危险性。瓦斯抽放成为高瓦斯和突出矿井不可缺少的一个重要生产环节，同时也是开发利用瓦斯能源、保护大气环境的重要手段。为了提高煤矿抽采瓦斯的利用率和抽采系统的安全性，对抽放管路中瓦斯爆炸特征及其火焰传播规律进行研究尤为重要。本文通过搭建试验平台对瓦斯在不同类型抽放管路中的爆炸特征以及火焰传播规律进行试验模拟分析，实验结果对提高瓦斯抽放管路的安全性具有重要的意义。

1 实验平台的搭建

为了达到实验预期的目标，本实验系统主要由5个部分组成：进行爆炸试验的管道、采集分析动态数据的系统、测量火焰速度的系统、测量爆炸压力的系统以及点火爆炸的装置。搭建的试验台考虑了现场管道布置，可以模拟直管结构、异常管道结构(Z型管道、T型管道、U型管道、Y型管道)等对低浓度瓦斯爆炸特性的影响，获得经历异常管道结构后瓦斯爆炸宏观参数(火焰传播速度、爆炸压力峰值)发生突变的机理，为提出合适的抑爆措施提供理论基础依据。

为了测量低浓度瓦斯爆炸火焰的传播速度与压力，在直管段上开设了测量孔，其中每节管道上开设两个火焰传感器测孔，一个压力传感器测孔。

2 抽放管路瓦斯爆炸特征实验分析

为了研究瓦斯爆炸过程中火焰与爆炸波的传播规律，在实验平台上进行低浓度瓦斯爆炸试验，测量爆炸火焰传播速度、各压力测点处的瓦斯爆炸压力峰值和火焰到达各测点处的时间。

实验过程中，将各类传感器安设在进行爆炸实验的瓦斯抽放管道中，同时往实验腔体中充入一定浓度的瓦斯。进行实验的前期，首先将新鲜的空气利用换气装置装入瓦斯抽放管道中，通过计算该管道中所需要的瓦斯浓度，充入一定量的瓦斯以达到实验所需的瓦斯浓度。其次安设并调试采集动态数据的系统，确保其能够具备实验所需的采样率及能够采集相关的参数。以上步骤调试完成后，通过点火装置起爆，爆炸过程中的相关参数也同时被采集分析器记录下来。

3 抽放管路瓦斯爆炸特征分析

Lavision高速之星摄像机拍摄的低浓度瓦斯爆炸火焰图像见图1. 拍摄速度取1 000幅/s，即每 1 ms拍摄一幅图像；图像分辨率取1 024×768像素。

图1 9%浓度管道瓦斯爆炸高速摄影照片

由图1可知：瓦斯抽放管道中发生爆炸后其火焰传播过程中显现出两种特性：火焰结构与传播速度。4 ms时视窗处出现火焰前锋，但亮度很暗；5 ms时火焰亮度开始逐渐增加，显现出淡蓝色；8 ms时火焰开始变明亮，且其中下部显现出微黄色。10 ms时火焰继续向右向传播，视窗右上角火焰部分出现反向膨胀态势，13 ms时火焰整体反向传播，火焰亮度也明显增强，呈亮黄色。

火焰在继续传递过程中出现多次震荡，并且在70 ms显现出团状分散火焰，继而亮度逐渐减弱。实验视窗的长度(0.25 m)除以火焰穿过其所用的时间便可以得出实验的视窗处火焰平均的传播速度是100 m/s，由此表明：此条件下的爆炸属于爆燃。爆炸压力峰值曲线图见图2.

图2 爆炸压力峰值曲线图

由图2可知：压力最大值在管道的出口处显现，且其峰值主要在0.2～1.4 MPa. 主要原因是出口处限制了爆炸冲击波传播路线，造成压力峰值的瞬间增大。爆炸压力增大的幅度与薄膜厚度以及承压能力有关。进行爆炸实验过程中，瓦斯抽放管道中压力峰值一般从爆炸源开始逐步下降，随着传播距离的增加，会出现拐点后开始逐渐上升。管道的拐点出现在60 D处左右。

不同测点处的瓦斯火焰传播速度见图3. 在实验条件范围以内，瓦斯爆炸最大火焰传播速度可达1 000 m/s左右，在长径比L/D=80之前，火焰传播速度较小，在500 m/s以下，此后火焰传播速度增加很快。爆炸火焰由起爆源开始沿管道传播，随着传播路线的增加，压力曲线逐渐平缓，由此可见，爆炸火焰的传播速度随着传播路线的增加而加快，在管道出口处传播速度达到峰值。

图3 爆炸火焰传播速度曲线图

瓦斯爆炸火焰到达各测点时的时间见图4. 火焰达到时间在500 ms以内，在长径比L/D=80之前，火焰达到时间在400 ms以内，因此抑爆措施必须具有高速响应的特点。

图4 火焰到达各测点时的曲线图

4 瓦斯爆炸传播规律分析

煤矿井下巷道多数存在交叉点以及方向变化的情况。当发生瓦斯爆炸时，其爆炸火焰在分叉巷道或方向变化的巷道中传播时，其传播的特性与普通的直巷道存在较大的差异。为了更好地研究井下阻隔爆系统性能设计以及减少瓦斯爆炸造成的损失，掌握分叉巷道对爆炸火焰传播规律的影响至关重要。本文主要是在实验室模拟井下分叉巷道的条件，对瓦斯爆炸过程中火焰传播规律进行模拟研究。

为了模拟井下巷道的结构，本次实验室主要在方管中进行模拟，封闭住管道末端，将火焰传感器安设在各分叉点以及各直管的对应点(长径比相同)。实验主要分为两种条件：点火端设置螺旋环与点火端未设置螺旋环，该螺旋环能够瞬间增大火焰的传播速度十倍以上。分叉管道中各测点的布置位置见图5，主要是研究分叉点对不同的爆炸火焰传播速度的影响程度。

图5 分叉管路测点布置示意图

无螺旋环状火焰传播速度影响曲线图见图6，有螺旋环状火焰传播速度影响曲线图见图7. 由图6，图7可知：瓦斯爆炸火焰的传播速度在通过抽放管道的分叉点后急速升高，直管中传播速度为18.6 m/s，通过分叉点后，直管中传播速度增加至41.6 m/s，支管中传播速度增加至73.4 m/s，由此可见，通过分叉点后，支管中火焰传播速度比直管中速度大。若分叉管路的点火端安设有螺旋环，火焰传播速度变化也存在同样的规律：初期直管中的传播速度为112.3 m/s，在分叉点后，直管中传播速度163.5 m/s、支管中的为195.6 m/s.

图6 无螺旋环状火焰传播速度影响曲线图

图7 有螺旋环状火焰传播速度影响曲线图

分析分叉点处火焰传播速度变化的原因可知：抽放管路中的分叉点可看做是一个扰动源，诱导了火焰传播速度的变化。当管路存在分叉点时，爆炸波在该位置的流线发生改变破坏了原有管道中的边界层，从而产生湍流脉动。受实验条件限制，各分叉管路均较短，火焰传播受管道末端封闭口影响较大，从而造成通过分叉点后，火焰传播速度变化规律在直管与支管

中不相同，支管中火焰前端逐渐增大，在增大至峰值28倍后开始急剧降低；直管中末端口封闭对火焰传播速度影响不大，但整体上说火焰在直管中是不断加速的。

5 结 论

通过实验过程中对直管、分叉管道瓦斯燃烧和爆炸实验的研究，得出以下结论：

1) 在直管实验中，爆炸最大压力峰值出现在出口附近，从爆炸源头开始，压力逐渐下降，传播一定长度后出现拐点，压力变为逐渐上升。

2) 在直管中进行实验，从起爆点开始，火焰逐渐沿管道传播，其传播速度与传播距离呈正比关系，传播速度的峰值出现在直管的出口处。

3) 在分叉管道中进行实验，每一分叉点可看做为一处扰动源，加速通过此处火焰的传播速度。

4) 螺旋环能够扰动管道内的气流，增大了管道内气流流动的湍流程度，及瓦斯爆炸实验中火焰的传播速度以及释热速率，爆炸波的强度也急剧增大。

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Study on Spreading of Gas Explosion in Drainage Pipeline

ZHANG Jianguo

In order to study the characteristics of gas explosion and the law of flame spread in the pipeline, the low pressure gas explosion characteristics and combustion rules in the straight pipe and in the branch pipelines are simulated by setting the test platform. The experimental results show that during the test, the maximum pressure peak appears near the exit of the straight pipeline, and the longer the spreading distance is the faster for the flame spread. For the test in branch pipelines, each joint point is becoming a turbulent source. The turbulence increases together with the increase of the airflow, and the turbulence of the spiral flow also increases with the turbulence of the airflow, so does the intensity of the explosive wave.

Drainage pipeline; Gas explosion; Gas combustion; Spiral ring; Flame spreading law

2017-04-05

张建国(1980—)，男，山西运城人，2015年毕业于中国矿业大学，硕士，工程师，主要从事通风技术管理工作

(E-mail)zhangjianguoguo1@126.com

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1672-0652(2017)05-0028-03