温度压力耦合对瓦斯爆炸危险度的影响研究

朱丕凯 司荣军

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037)

瓦斯爆炸是煤矿事故中后果极其严重的一种自然灾害。了解不同环境条件下低浓度瓦斯爆炸特性规律，对预防煤矿井下瓦斯爆炸、瓦斯爆炸事故调查以及煤层气利用各工艺环节提供了理论依据。目前，国内外研究机构和学者主要通过试验及数值模拟方法对不同环境工况下的瓦斯爆炸极限浓度进行测定分析。对不同环境条件下的爆炸危险性尚未进行定量分析。李润之对不同点火能量与初始压力情况下的瓦斯爆炸特性进行了试验及模拟研究；孟祥豹对不同点火能量与温度条件下的瓦斯爆炸特性进行了试验模拟研究；司荣军、高娜等对温度压力对瓦斯爆炸极限的影响进行了试验研究，研究表明：随着温度压力的升高，爆炸上限呈逐渐上升趋势，爆炸下限呈逐渐下降趋势，爆炸极限范围扩大。笔者运用Origin软件处理试验数据，绘制回归曲线得出拟合函数，获得温度压力耦合对瓦斯爆炸极限影响的统计关系。同时，运用爆炸危险度的概念对温度压力耦合条件下的爆炸危险性进行量化。

1 试验系统及条件

1.1 试验系统

试验在特殊环境条件20 L爆炸特性测试系统中进行，系统主要由爆炸罐体、点火系统、数据采集系统、配气系统、加温系统以及加湿系统等组成，结构原理如图1所示。通过点火系统中的高能电火花能量发生器发出点火能量，用来点爆爆炸罐体内的混合气体，爆炸后可燃性气体的各参数数据(爆炸极限、爆炸压力等)的采集通过数据采集系统完成。

图1 测试系统结构原理图

1.2 试验条件

爆炸极限试验点火能量均为10 J，爆炸上限试验与下限试验分开进行，先对环境温度与压力耦合情况下爆炸上限的规律进行试验，之后，研究瓦斯爆炸下限的变化规律。爆炸上限、爆炸下限采取相同的试验方法。

环境温度变化范围为50℃～200℃，采用的环境温度测试点为50℃、100℃、150℃、200℃。环境压力变化范围为0.2～1 MPa，采用的环境压力测试点为0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

运用10 J的点火能量，在不同环境温度和压力条件下，试验测定瓦斯爆炸上、下极限，试验结果见表1。

表1 温度和压力耦合瓦斯爆炸上限、下限试验结果

相对于环境压力0.2 MPa、环境温度50℃时18.3%的瓦斯爆炸上限、4.98%的瓦斯爆炸下限，环境压力为1.0 MPa、环境温度200℃时，爆炸上限升高至25.5%，升高了7.2%，上升率达39.34%；爆炸下限降低至4.05%，降低了0.93%，下降率达18.67%。可以看出温度压力耦合对瓦斯爆炸极限的影响大于单因素对瓦斯爆炸极限的影响。

2.2 温度压力耦合对瓦斯爆炸上限影响分析

将环境压力和环境温度分别作为x轴和y轴，瓦斯爆炸上限作为z轴，得到如图2所示的曲面。

图2 爆炸上限随环境温度和环境压力的变化曲面

由图2可以更直观地看出瓦斯爆炸上限随环境温度升高和环境压力增大时的变化规律，而且随着环境温度及压力的增大，爆炸上限的上升速率逐渐变缓。同时，根据图2所示曲面可以拟合得到爆炸上限随环境温度和环境压力变化的高斯方程式，如式(1)所示，高斯曲面如图3所示。

图3 爆炸上限高斯拟合曲面图

式中：Z——爆炸上限，%；

P——环境压力，MPa；

T——环境温度，℃；

Z0、A、P0、T0、w1、w2——相应的高斯方程常参数。

式(1)中拟合函数各参数取值分别为：Z0=12.693，A=14.207，P0=1.479，w1=1.11，w2=278.593，T0=251.276，R2=0.998。

同时，根据图2所示曲面可以拟合得到瓦斯爆炸上限随环境温度和环境压力变化的指数函数方程式，如式(2)所示，指数函数曲面如图4所示。

(2)

(50℃≤T≤200℃,0.2 MPa≤P≤1.0 MPa)

式(2)中拟合函数各参数分别为：Z0=-23.7466，A=40.2345，P0=-7.23421，T0=-3113.66，R2=0.9828。

图4 爆炸上限指数拟合曲面图

对比图3、图4以及拟合参数的相关系数，在试验研究的范围内高斯曲面的拟合度更高，因此选用高斯拟合方程式。

在试验所研究的特殊环境(温度为50℃～200℃，压力为0.2～1.0 MPa)范围内，随着环境温度的升高和环境压力的增加，瓦斯爆炸的上限也增加。但爆炸上限值不会无限增加，当甲烷浓度增大到某一值时，因为没有足够的氧气维持反应继续进行，反应环境处于负氧状态，无论如何改变环境条件以加强瓦斯的爆炸强度，爆炸都不会发生。

2.3 温度压力耦合对瓦斯爆炸下限的影响分析

将环境压力和环境温度分别作为x轴和y轴，瓦斯爆炸下限作为z轴，得到如图5所示的曲面。

图5 爆炸下限随环境温度和环境压力的变化曲面

由图5可以直观地看出瓦斯爆炸下限随环境温度升高和环境压力增大时的变化规律。随着环境温度、压力的增大爆炸下限下降速率逐渐变缓。同时，根据图5所示曲面可以拟合得到爆炸下限随环境温度和环境压力变化的高斯方程式，如式(3)所示，高斯曲面如图6所示。

式(3)中拟合函数各参数分别为：Z0=1063.404，A=-1059.713，P0=1.704，w1=40.02，w2=11224.461，T0=403.392，R2=0.997。

图6 爆炸下限高斯拟合曲面图

同时，根据图5所示曲面可以拟合得到甲烷爆炸上限随环境温度和环境压力变化的指数函数方程式，如式(4)所示，指数函数曲面如图7所示。

(4)

(50℃≤T≤200℃,0.2 MPa≤P≤1.0 MPa)

式(4)中拟合函数各参数分别为：Z0=2.9372，A=2.4308，w1=2.0723，w2=653.1417，R2=0.9952。

图7 爆炸下限指数拟合曲面图

对比图6、图7以及拟合参数的相关系数，在试验研究的范围内高斯曲面的拟合度稍高，因此选用高斯拟合方程式。

在试验所研究的特殊环境(温度为50℃～200℃；压力为0.2～1. 0 MPa)范围内，随着环境温度的升高和环境压力的增加，瓦斯的爆炸下限呈下降的趋势。但下限值不会无限下降，当瓦斯浓度减小到某一值时，无论如何改变环境条件以激励气体分子的活跃性，都不会发生爆炸。

2.4 温度压力耦合对爆炸危险度的影响

爆炸极限作为衡量气体爆炸危险性的主要指标，在烷烃系碳氢化合物之间的数值变化较大，直接用爆炸极限来判断甲烷的爆炸危险性并不容易。日本学者近藤重雄、岩阪雅二等在北川爆炸危险度的基础上进行改进，提出了新的爆炸危险度，其定义如式(5)所示：

(5)

式中：U——瓦斯爆炸上限， %；

L——爆炸下限， %。

环境温度与压力耦合时的爆炸危险度根据式(5)计算如表2所示。

表2 温度压力耦合爆炸危险度分布

从表2可以看出，爆炸危险度随着环境温度与环境压力的增加而上升。相对于环境压力0.2 MPa、环境温度50℃时0.478的爆炸危险度，环境压力为1.0 MPa、环境温度50℃时，爆炸危险度上升到0.561，上升率为17.36%；环境压力为0.2 MPa、环境温度200℃时，爆炸危险度上升到0.519，上升率为8.58%；可以看出，单因素影响环境压力大于环境温度。环境压力为1.0 MPa、环境温度200℃时，爆炸危险度上升到0.601，上升率为25.73%。相比较单因素环境压力为2.0 MPa时的爆炸危险度0.579还要高。可以看出温度压力耦合对瓦斯爆炸极限影响比单因素作用时更大。

为了综合分析环境温度和环境压力对爆炸危险度的影响，将环境压力和环境温度分别作为x轴和y轴，爆炸危险度作为z轴，得到爆炸危险度随温度、压力变化的曲面。该曲面可以拟合得到瓦斯爆炸危险度随环境温度和环境压力变化的拟合曲面如图8所示。图8更直观地反映了爆炸危险度随环境温度和环境压耦合影响作用。

图8 爆炸危险度指数拟合

由图8可以看出，爆炸危险度随环境温度升高和环境压力增大时的变化规律。而且随着环境温度及压力的增大，爆炸危险度的上升速率逐渐变缓。同时，根据图8所示曲面可以拟合得到爆炸危险度随环境温度和环境压力变化的指数函数方程式，如式(6)所示。

(6)

(50℃≤T≤200℃,0.2 MPa≤P≤1.0 MPa)

式(6)中拟合函数各参数为：Z0=0.7608，A=-0.3313，w1=2.0718，w2=805.7457，R2=0.9894。

3 小结

(1)环境温度的升高和环境压力的增大，使瓦斯的爆炸范围变宽，增加了瓦斯爆炸的危险性。温度压力耦合对瓦斯爆炸极限的影响大于单因素对瓦斯爆炸极限的影响。

(2)环境温度和环境压力耦合时，瓦斯爆炸极限满足高斯方程函数关系式。

(3)随环境温度升高和环境压力增大，爆炸危险度逐渐增大。而且随着环境温度及压力的增大，爆炸危险度的上升速率逐渐变缓。环境温度和环境压力耦合时，瓦斯爆炸危险度的函数关系式满足指数函数形式。