不同封闭情况下T型管道中瓦斯爆炸传播规律实验研究*

景国勋，朱斯佳，贺 祥

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.安阳工学院，河南 安阳 455000)

0 引言

煤炭资源是我国能源领域重要的组成部分，在国民经济中占有极为重要的战略地位，2019年原煤生产总量272 342.00万t标准煤，同比增长了4.06%，且煤炭消费总量占我国能源消耗总量的57.7%。随着煤矿开采，瓦斯涌出量增多，进而导致瓦斯爆炸事故发生，造成大量人员伤亡和巨大经济损失。目前国内外学者已经对分岔巷道瓦斯爆炸进行了大量的研究，贾智伟等[1-2]和付元[3]利用瓦斯爆炸实验管道系统，研究一般空气区内瓦斯爆炸在单向分岔管道、拐弯管道中的压力衰减规律。Lin等[4]和张家山等[5]对3种分岔结构的分岔角进行研究，得出超压峰值、火焰传播速度与分岔形式之间的关系。耿进军等[6]对非燃烧区的瓦斯爆炸冲击波在分岔管道中的传播规律进行实验研究。解北京等[7-8]在自制45°和T型透明分岔管道内，研究管道内瓦斯爆炸火焰传播的变化规律。余明高等[9]运用自制的瓦斯爆炸实验平台进行了不同开口阻塞比下瓦斯爆炸实验研究，研究泄压强度与泄压口位置对封闭管道内甲烷-空气预混火焰传播的影响规律。陈鹏等[10]通过在方形管道内放置不同厚度的泄压膜并改变泄压口位置进行实验，研究泄压强度与泄压口位置对封闭管道内甲烷-空气预混火焰传播的影响规律。林柏泉等[11]通过实验测定了瓦斯爆炸在分岔管道中传播的爆炸波超压值和火焰传播速度，并对瓦斯爆炸在分岔管道中的传播进行了理论分析。朱传杰等[12]采用数值模拟的方法研究了爆炸波在封闭型系统的冲击和振荡特征及其特征参数变化规律。白岳松[13]对密闭直管道和密闭分岔管道中的瓦斯爆炸过程进行了数值模拟，重点研究了爆炸过程中火焰和冲击波的传播过程。严灼等[14]探索了体积不变条件下空腔尺寸特征对瓦斯爆炸传播抑制性能的影响。王磊等[15]为了研究不同形状障碍物对瓦斯爆炸传播的影响机理，对直径0.2 m、长6.5 m的密闭直管道内的瓦斯爆炸过程进行数值模拟。

从前人的研究可以看出，瓦斯爆炸的研究多集中在直管道和分岔管道，而在分岔管道中的研究，主要集中在非火焰区和开口管道，对火焰区以及不同封闭情况的管道的研究相对较少。鉴于此，本文采用分岔管道和管道封闭情况结合，以期找到不同封闭情况下分岔巷道中瓦斯爆炸传播规律，拟进一步揭示封闭情况对分岔管道中瓦斯爆炸结果的影响，进而对瓦斯爆炸灾害防治及降低事故强度提供一定的指导。

1 实验装置及方案

1.1 实验系统

实验系统由玻璃管道、配气系统、点火系统、测试与数据采集系统、高速摄像图像采集系统等组成。爆炸截面尺寸为80 mm×80 mm，直管道长度1 500 mm，支管道长度750 mm，管道壁厚20 mm，耐压强度为2.0 MPa。管道左端是进气口和点火电极，管道末端用PVC薄膜或者亚克力板进行密封，管道一侧开有小孔来安置压力传感器。点火系统由高能点火器、点火电极组成，点火电压为6 kV。数据采集系统由检测区间为-0.1～0.1 MPa，采集频率为20 k/s的压力传感器，USE-1608FS数据采集卡和同步控制器组成；图像采集系统由High Speed Star 4G高速摄像机、控制器和计算机组成。实验装置系统如图1所示。

图1 实验设备

1.2 实验工况与方法

实验所用的瓦斯浓度为8%、9.5%和11%，将质量流量计配制好的甲烷-空气预混气体通过管道左侧进气口通入，从管道末端排气口流出，并向玻璃管道中通入不少于管道5倍体积的预混气体来保证整个玻璃管道中的气体排干净，通气结束后，关闭进气阀和排气阀，进行爆炸实验。每组实验至少进行3次。

实验在90°分岔管道中进行，且各测点分布如图2所示，测点1设置在分岔角前100 mm处，测点2和测点4设置在分岔角后100 mm处，测点3和测点5设置在距出口100 mm处；并对每个角度进行不同程度的封口，弱封闭采用PVC薄膜进行封口，强封闭采用亚克力板进行封口，具体封口方式如表1所示。

图2 管道测点布置

表1 封口情况

2 实验结果分析

2.1 压力分析

瓦斯浓度对管道中瓦斯最大爆炸压力的影响如图3所示，随着瓦斯浓度的增大，在管道相同位置处，管道中的瓦斯爆炸压力先减小后增大，在瓦斯浓度为9.5%时，整个管道中瓦斯最大爆炸压力达到最大，11%次之，8%最小。从图3(a)可以看出，在双PVC薄膜弱封闭管道中，单一浓度下，直管道和支管道中的瓦斯最大爆炸压力呈减小趋势。这是因为，当瓦斯爆炸发生后，管道中的冲击波将一部分预混气体冲出管道，使得管道中瓦斯浓度有所下降，导致后续反应强度下降，火焰锋面速度减小，随着反应的进行，不断有瓦斯被冲出管道，参与燃烧反应的瓦斯浓度不断降低，爆炸强度持续减弱，如此反复，管道中瓦斯最大爆炸压力不断减小。图3(b)和3(c)可以看出，在支管封闭和直管封闭管道中，瓦斯最大爆炸压力在强封闭端一侧不断增大，在弱封闭端一侧压力减小，主要是在直管和支管封闭管道中，由于封闭端属于强封闭，瓦斯爆炸冲击波到达闭端形成反射波，当反射波与燃烧反应区相遇，在反射波和后驱冲击波的作用下，使预混气体在封闭端反应时间加长，燃烧更加充分，压力峰值也更大，而弱封闭端一侧，受到爆炸源方向以及封闭端管道的高压的影响，使得未封闭端的瓦斯气体被排出管内，管道中瓦斯最大爆炸压力减小。

图3 瓦斯浓度对管道中瓦斯最大爆炸压力的影响

不同封闭情况对管道中瓦斯最大爆炸压力的影响如图4所示，同浓度下，其中直管封闭管道中各测点的瓦斯最大爆炸压力最大，双PVC薄膜弱封闭管道次之，支管封闭管道最小。这是因为在直管封闭管道中，由于爆炸源与管道封闭端在同一水平管道，当瓦斯爆炸后，前驱冲击波在直管末端产生的反射波向爆炸源处传播，同时后续燃烧反应产生后驱冲击波向管道末端传播，两股冲击波碰撞导致管道中瓦斯气体紊流增大，燃烧反应剧烈，进而使得管道内瓦斯最大爆炸压力增大。同时由于直管道内反射波和后驱冲击波的碰撞，能量损耗，直管中的气体受到高压影响较小，管道排出的瓦斯气体较少，所以直管道中各测点瓦斯最大爆炸最大压力大于双PVC薄膜弱封闭管道。而支管封闭管道中，由于管道封闭端与爆炸源不处于同一直管中，当封闭端的反射波传播到直管中，反射波碰撞分岔角壁面出现较大的能量损失，对分岔角前造成的紊流较小，瓦斯爆炸压力增幅不大，同时由于支管和爆源处的高压差的影响，分岔角后直管中的瓦斯气体以更快的速度排出管道，使得瓦斯爆炸压力减小，所以支管封闭管道中各测点的瓦斯最大爆炸压力略小于双PVC薄膜弱封闭管道。

图4 不同封闭情况对管道中瓦斯最大爆炸压力的影响

2.2 火焰分析

火焰传播速度是根据火焰前沿位置随时间变化而获得，其计算公式如式(1)所示：

V=(Lt2-Lt1/t2-t1)

(1)

式中：t1和t2为时间，单位为s；Lt1和Lt2分别为t1时刻和t2时刻的火焰前沿位置，单位为mm。

2.2.1 弱封闭管道中火焰传播规律

双PVC薄膜弱封闭管道中直管和支管的火焰传播速度-位置曲线与速度-时间曲线如图5所示。由图5可知，9.5%浓度的瓦斯爆炸火焰传播速度最快，火焰锋面传出管道需要39 s左右，11%的次之，需要40 s左右，而浓度8%的瓦斯爆炸火焰传播速度最慢，火焰锋面传出管道需要53 s左右。这是因为当瓦斯浓度为8%时，瓦斯爆炸初始压力不大，当冲击波到达分岔角处时，产生的能量损耗相比于爆炸总能量占比较大，所以火焰传播速度变小，火焰锋面较缓移动，使得管道中燃烧反应时间加长。

图5～6可以看出，单一浓度下，随着时间的增大，火焰锋面的位置和速度发生变化，管道中火焰传播速度先缓慢增大后略微减小，随后又快速增大。这是由于瓦斯爆炸初期，此时爆炸强度较小，燃烧反应不充分，再加上管道壁面的摩擦、散热等因素的影响，使得火焰加速度较小，随着反应的进行到管道分岔点处，火焰锋面在分岔角处向两支管扩散，导致能量发生分流，火焰传播速度下降，在分岔角后，受到冲击波在分岔角处的形成的紊流，使得火焰锋面在分岔处受到强烈的扰动，加剧火焰湍流的程度，火焰速度以较大的加速度增大。

图5 双PVC薄膜弱封闭管道中火焰传播速度

图6 双PVC薄膜弱封闭管道中瓦斯爆炸的火焰传播过程

2.2.2 强封闭管道火焰传播规律

同样在图7中可以看出，随着管道中瓦斯浓度的升高，管道中火焰传播速度先增大后减小，9.5%瓦斯浓度爆炸的火焰传播速度最大，用时最短，8%瓦斯浓度爆炸火焰传播速度最小，传播时间最长。和双PVC薄膜弱封闭管道一样，同样由于8%的瓦斯浓度较低，使得初始爆炸强度小于9.5%和11%的瓦斯浓度爆炸强度，同时由于管道中的能量损失和预混气体流失较大，使得8%浓度的瓦斯爆炸火焰速度低于9.5%和11%的瓦斯浓度爆炸火焰速度，反应时间也加长。

其中直管封闭管道火焰传播速度曲线如图7(a)～(d)所示，支管封闭管道火焰传播速度曲线如图7(e)～(h)所示。由图7可知，同一瓦斯浓度下，分岔角前，火焰锋面传播速度变化与双PVC膜相似，先缓慢增大后短暂下降。但在分岔角后，强封闭端火焰锋面传播速度变化与双PVC薄膜弱封闭管道不同，结合图8和图9，直管封闭直管道中，在时间31～33 ms期间，火焰锋面向着点火端移动，而支管封闭支管道出现火焰锋面向分岔角处回流。火焰锋面速度呈现先增大后减小，随后开始向点火端方向增大，如此反复，在分岔角和分岔角后一段距离内出现火焰振荡现象。这是因为当冲击波通过分岔角到达封闭端处，由于强封闭的阻挡导致管道内局部压力快速上升，产生反射波，将端口的预混气体向分岔口推去，并在封闭端口短暂形成高压区，在高压区的影响下，火焰锋面传播到分岔口后速度降低，直至高压区的压力大于爆炸压力，使得火焰锋面向分岔口处移动，如此反复，出现火焰振荡现象。而在弱封闭端，即火焰锋面传播直管封闭支管道中，火焰锋面在约31 ms时就快冲出管道，火焰锋面比双PVC薄膜弱封闭管道冲出管道提前了约8 ms，而支管封闭直管道中火焰锋面约41 ms冲出管道，火焰锋面冲出管道比双PVC薄膜弱封闭管道落后约2 ms，这是由于弱封闭端受到爆源和管道封闭端处高压的影响，推动管道内瓦斯气体向弱封闭管处移动，使得管道内燃烧反应加快，导致火焰锋面以极快的速度传播。

图7 封闭管道中火焰传播速度-位置和时间曲线

图8 直管封闭管道中瓦斯爆炸的火焰传播过程

图9 支管封闭管道中瓦斯爆炸的火焰传播过程

3 结论

1)在瓦斯浓度为9.5%时，T型管道中各点处的瓦斯最大爆炸压力、火焰传播速度和火焰锋面振荡幅度最大，11%次之，8%最小。

2)T型管道中，弱封闭端的瓦斯最大爆炸压力不断减小，火焰传播速度先增大后减小，随后快速增大；强封闭端的瓦斯最大爆炸压力增大，火焰传播速度先增大后减小，随后再略微增大后快速减小，并出现火焰振荡现象。

3)封闭情况不同的管道中各测点的瓦斯最大爆炸压力和管道中火焰锋面传播速度大小比较：直管封闭管道>双PVC薄膜弱封闭管道>支管封闭管道。