大型管道瓦斯爆炸特征及其末端对动物损伤实验研究

张毓媛，张延松，2，刘 博

（1.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2.山东科技大学 矿山灾害预防控制-省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590）

中国几乎所有煤矿都是瓦斯矿井，高瓦斯矿井在大中型煤矿中占20.34%，在小型煤矿中占15%左右，在这些矿井中，瓦斯爆炸危险普遍存在，不仅如此，低瓦斯矿井因管理不严格、制度不健全也成为事故多发矿井[1-5]。进入21世纪以来，中国煤矿先后发生9起一次死亡百人以上的重特大事故，其中瓦斯煤尘爆炸占了8起。这些事故给企业或国家均造成了重大损失和恶劣的社会影响[6-9]。近年来，国内外对于瓦斯爆炸特性特别是瓦斯与其他气体混合后的点火、传播特性开展了大量的理论和实验研究，对瓦斯爆炸伤的病理和病理生理的研究也取得了一定的成果[10-14]，但是目前对于瓦斯爆炸特性与爆炸伤之间的关联性缺少系统性的研究。通过对封闭式大长径比管道瓦斯爆炸特性的研究，分析不同体积和浓度下瓦斯压力、温度、火焰传播规律这3个爆炸特性及深入观察小白鼠爆炸伤后各组织、器官的损伤特性，依据此来类推爆炸对人体的损伤机理，为减少瓦斯爆炸对人员伤亡提供基础依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料与设备

国内外的学者对于可燃性气体爆炸的实验研究多集中在密闭容器内爆炸特征以及可燃气体在管道内的传播特性特征研究[15-16]。在管道爆炸试验中，以管道形状和特性、点火条件与浓度以及障碍物对爆炸的影响研究最为广泛，为使爆炸达到爆轰条件，爆炸实验管道多为封闭式大长径比管道（图1），选用这种管道可以模拟煤矿实际条件下在半封闭空间瓦斯积聚处由于各种点火因素引发的煤矿瓦斯爆炸事故。管道爆炸实验系统由实验管道、配气系统、点火系统、监测系统以及其他附属装置组成。

图1 实验管道及传感器安装位置

1）实验管道。实验管道直径2 000 mm，长29 m，分为实验段和起爆段2部分，由于只有起爆段需要填充可燃气体，而实验段为空气，因此采用厚度为0.025 mm的聚乙烯薄膜隔开气体预混区和空气区，且不会对冲击波和火焰的发展过程产生影响[17]。起爆端体积大小根据封膜位置决定。管道壁上设置有压力和火焰传感器安装孔，实验中管道上布8个压力传感器和5个温度传感器，其位置如图1。

2）配气系统。配气系统主要包括气体罐（瓦斯罐）、循环泵、流量控制装置、气体浓度测定仪。

3）点火系统。点火系统主要由高能电火花能量发生器、点火电极等组成，可为实验提供不同能量的点火能，它具有能量范围宽，能量值可调，能产生1 mJ～1 000 J能量火花放电的特点，能够实现实时放电数据采集。

4）监测系统。监测系统主要包括DH5923动态信号测试分析系统（含配套的DHDAS信号测试分析系统软件）、火焰传感器、温度传感器、压力传感器等。

DH5923动态信号测试分析系统配套的DHDAS信号测试分析系统软件是基于C语言编写的，测量通道最多可达128个，具有很强的灵活性。该系统的采样频率范围为10 Hz到128 kHz，完全可以满足实验装置的测量需要。

压力传感器为CYG系列固态压阻压力传感器，在测试过程中通过自制前置放大器接入DH5923动态信号测试分析系统，传感器量程为0.2 MPa，非线性为±0.08%，过载能力为200%。火焰传感器使用特制的红外线接收管来检测火焰，然后把火焰的亮度转化为高低发化的电平信号，此信号为无滤波信号，因此所测波形为非矩形波，火焰到达该点的时间以波形的第1次跃变为准[18]。温度传感器为红外线性化温度传感器，其测温范围为400～2 000℃，测量精度为满量程的±1%，响应时间为67 ms，适于在0～60℃环境下使用。每个温度的测点均布置在管道侧壁的中间位置，热电偶丝插入深度均为3 cm，与火焰传感器和压力传感器布置在管道的同一个截面上，保证3类传感器能够一一对应。

1.2 实验方案及过程

实验选取6月龄健康SD小白鼠90只，体重（250±20）g。

为了探究不同瓦斯浓度以及不同瓦斯参与量条件下瓦斯爆炸特征，将对贫燃料瓦斯爆炸浓度（6%）、化学计量浓度（9.5%）以及富燃料瓦斯爆炸浓度（13%）下不同瓦斯体积（0.8～2.0 m3）进行分组讨论，共进行6组实验，每组实验均在距离管道开口3.5 m处放置10只6月龄健康SD小白鼠，SD小白鼠为大鼠的1个体系，这种品系的小白鼠生长发育快，抗病能力强。爆炸后对损伤动物的一般情况进行观察，主要观察其精神状态、体表烧伤情况、骨折情况、内脏出血、死亡情况等。

实验所使用的甲烷气体都是纯度为99.999%的高纯气体，采用分压法在点火端填充不同浓度的CH4-Air预混气体，封膜长度根据标准大气压情况下不同浓度及瓦斯量确定，很容易可以得出，封膜内腔体积为13.3～20 m3，进气结束后关闭阀门，打开真空泵对管道内的瓦斯混合气体进行不断循环搅拌，使甲烷与空气充分混合，并用高精度甲烷气体浓度测量仪测量两端和中间位置处的甲烷浓度，确保混合均匀。瓦斯浓度配比见表1。

表1 瓦斯浓度配比

2 实验结果分析

2.1 瓦斯爆炸压力变化特征

瓦斯点火以后即形成爆炸，几乎是在爆炸发生的瞬间就转变为高压高温状态的气相爆炸产物，此气体急剧膨胀并迫使周围的空气离开它原来占据的位置，迅速向外运动，于是在此气体的前沿会形成压缩空气层，即空气冲击波。冲击波压力的大小主要是取决于爆炸所释放的能量和距离爆源的距离。瓦斯爆炸压力随测点位置的变化规律如图2。

图2 瓦斯爆炸压力随测点位置的变化规律

总体上，瓦斯浓度越接近化学计量浓度9.5%，其爆炸压力峰值越高，有偏差时，高浓度瓦斯爆炸比低浓度瓦斯爆炸威力更大，同浓度下，纯瓦斯体积对爆炸压力有一定影响，但是在实验条件中，其影响程度不及瓦斯浓度。

在贫燃料瓦斯爆炸浓度（6%，纯瓦斯体积为0.8 m3和1.2 m3）条件下，传感器所反馈最小爆炸超压峰值为4.3 kPa，最大爆炸超压峰值为23.7 kPa，随着爆炸波的传播，爆炸超压峰值越来越小，且变化趋势较为平稳。纯瓦斯体积为1.2 m3的情况下，其爆炸超压峰值高于纯瓦斯体积为0.8 m3的情况。

化学计量浓度（9.5%，纯瓦斯体积为1.2 m3和1.6 m3）条件下，传感器所反馈最小爆炸超压峰值为25.6 kPa，最大爆炸超压峰值为59.8 kPa，随着爆炸波的传播，爆炸超压峰值越来越小，且衰减速率较快。与贫燃条件类似，呈现出纯瓦斯量越高，爆炸压力峰值越大的现象。

富燃料瓦斯爆炸浓度（13%，纯瓦斯体积为1.6 m3和1.8 m3）条件下。传感器所反馈最小爆炸超压峰值为26.7 kPa，最大爆炸超压峰值为37.8 kPa，爆炸超压峰值随着爆炸波的传播呈现先增大后减小的趋势，一般情况下，纯瓦斯量越高，爆炸压力峰值越大，但是在临近管道开口6 m处，出现了相反情况。

对于末端开口的管道，在点火后，由于瓦斯爆炸产生大量能量使气体体积不断膨胀并向外扩张，当压力达到最大值后，管道内开始呈现负压状态，直至火焰全部冲出管道后，负压达到最大值，周围气体又在负压作用下向爆炸中心移动，对爆炸产物进行第1次压缩使压力不断增加，在惯性的作用下会造成过度压缩，从而使爆炸产物压力大于初始压力，压力会再一次上升，经过若干次膨胀压缩后停止，最终达到平衡。

2.2 火焰传播规律分析

需要注意的是，实验过程中，由于火焰传感器与压力传感器、温度传感器布置位置相同，所计算火焰速度为2个传感器之间的平均速度，并非火焰达到某一点处的瞬时速度。火焰传播速度随测点位置的变化规律如图3。同时，从起爆到火焰达到第1个传感器的平均速度记录为第1个速度值。

图3 火焰传播速度随测点位置的变化规律

从图3可以看出，在低长径比大型管道的整个瓦斯爆炸过程中，火焰传播速度均处于加速过程中，其变化速度根据瓦斯浓度以及纯瓦斯量的变化而变化。在瓦斯爆炸初始阶段，距离点火端较近处，燃烧化学反应刚刚开始，随着时间的延长和距离的不断增大，燃烧反应进一步加快，放出大量的热能，火焰处于加速阶段，同时，由于瓦斯爆炸压力及开口作用，使火焰传播速度持续增大，一直到火焰面离开末端开口。在此过程中，管道壁面对火焰的冷却作用未能显现出来。在贫燃料瓦斯爆炸浓度条件下，2个测点最小平均速度为35 m/s，最高为142 m/s，且不同参爆瓦斯体积对火焰传播速度影响较小。富燃料瓦斯爆炸浓度条件下，2个测点最小平均速度为55 m/s，最高为207 m/s，随着燃烧过程不断发展，瓦斯参爆体积对火焰传播速度影响变大，这主要是富余瓦斯爆炸导致的。化学计量浓度条件下，火焰传播速度最大，初始平均速度便达到了94 m/s，最高为287 m/s，瓦斯参爆体积对火焰速度的影响也较大。

2.3 瓦斯爆炸温度变化规律

3种浓度下不同体积瓦斯爆炸温度曲线如图4，在整个瓦斯爆炸过程中，由起爆端到末端开口出，温度峰值先增加，达到最大值后，再减小。这是由于瓦斯爆炸后，开始由于燃烧反应速度较慢，整个反应系统的温度较低，随着燃烧反应速度的进一步加快，参与燃烧的瓦斯量增多，产生的热量加大，温度上升较大，当参与燃烧的瓦斯量与各种热损失达到一种平衡时，温度达到最大值；后期，由于管道系统中的热量损失，加之管道末端开口散热，这种热平衡被瞬间打破，导致管道临近末端处温度下降。在不同瓦斯浓度及瓦斯体积条件下，上述趋势又呈现出不同的情况。

图4 3种浓度下不同体积瓦斯爆炸温度曲线

在贫燃料瓦斯爆炸浓度条件下，传感器所反馈最小温度峰值为419℃，最大温度峰值为647℃，高瓦斯纯量爆炸火焰温度高于低瓦斯纯量爆炸，靠近点火端位置，这种差别很小，在管道中间位置，差别达到最大，随后由于开口散热作用，这种差距又被拉小。可见，低浓度瓦斯爆炸条件下，火焰温度受外界环境影响较大。

化学计量浓度条件下，传感器所反馈最小温度峰值为543℃，最大温度峰值为1 113℃，达到最大之后，最高温度急剧下降，高瓦斯纯量爆炸火焰温度与低瓦斯纯量爆炸相比，爆炸初期，由于爆炸已经较为充分，差别不大，随着火焰不断发展，这种差距才慢慢显示出来，在达到开口位置处，两者的温差达到最大值。

富燃料瓦斯爆炸浓度条件下。传感器所反馈最小温度峰值为555℃，最大温度峰值为1 022℃，一般来说，高瓦斯纯量爆炸火焰温度高于低瓦斯纯量爆炸，但是在火焰急速发展时期（第2温度传感器处），相差不大，在后期过程中，温度差值基本稳定在50℃左右。对比化学计量浓度条件，由于燃料的进一步充分反应，温度峰值在靠近开口处下降较慢，以至于出现了参爆瓦斯体积对爆炸的影响程度高于瓦斯浓度的情况。瓦斯爆炸实验数据见表2。

2.4 末端动物损伤分析

瓦斯爆炸伤害是一种特殊的受伤类型，其致伤机理复杂，以爆炸冲击伤、减压伤、机械性损伤、有害气体吸入、缺氧窒息和高温烧伤等损害为主，易造成机体多系统伤害[19]。组织学观察显示，爆炸伤会导致动物体内各个组织出血，主要表现为肺部和脑组织出血[20-22]。实验结果表明，当瓦斯浓度为9.5%，瓦斯含量为1.6 m3时，爆炸压力达到最大值59.8 kPa，爆炸温度也达到最大值1 113℃，此时爆炸产生的冲击波对小白鼠伤亡程度最大，高温对小白鼠造成不同程度灼伤，死亡率达到6组最高值。在相同瓦斯浓度下，不同体积的瓦斯含量对小白鼠的伤亡也存在明显差别，瓦斯含量较大时，冲击波压力对小白鼠的损伤程度相比低体积的瓦斯含量更为严重。

表2 瓦斯爆炸实验数据表

实验结果表明，瓦斯浓度越接近化学计量浓度9.5%时，爆炸冲击波对人体的损伤最严重。爆炸冲击波对人体的伤亡主要表现在2个方面：①爆炸冲击波对人体内脏器官的损伤，造成组织血肿、骨折等；②爆炸产生的高温对人体皮肤的灼伤。无论是哪种类型的损伤对会给人体带来严重的伤害，因此通过实验探究瓦斯爆炸规律特性，分析大型管道末端小白鼠的爆炸伤对各器官的损伤情况，对于预防瓦斯爆炸，及时处理治疗爆炸对人员的损伤具有重要意义。

3 结论

1）在低长径比大型管道的整个瓦斯爆炸过程中，火焰传播速度均处于加速过程中，其变化速度根据瓦斯浓度以及纯瓦斯量的变化而变化。

2）高瓦斯纯量爆炸火焰温度高于低瓦斯纯量爆炸，靠近点火端位置，这种差别很小，在管道中间位置，差别达到最大。可见，低浓度瓦斯爆炸条件下，火焰温度受外界环境影响较大。

3）瓦斯爆炸压力与火焰传播速度有一定的相互关系，瓦斯爆炸压力增大，火焰传播速度也增大，且在同一时刻达到峰值。

4）当瓦斯浓度越接近化学计量浓度9.5%，爆炸冲击波对小白鼠产生的威力越大，主要造成小白鼠内脏器官的损伤、骨折和烧伤等伤害，且在爆炸伤产生的初期，对小白鼠的损伤程度最大。