礦井瓦斯爆炸火焰傳播試驗研究

王引群

（山西煤炭運銷集團 吉縣盛平煤業有限公司，山西 臨汾 042100）

礦井瓦斯爆炸火焰傳播試驗研究

王引群

（山西煤炭運銷集團 吉縣盛平煤業有限公司，山西 臨汾 042100）

通過數值模擬與實際試驗，研究了瓦斯爆炸火焰在管道內傳播的結構變化特性及其相應的傳播規律。研究結果表明：數值模擬結果與試驗結果走向基本一致，火焰傳播速度隨著距離爆源距離的增大，呈現出先增大后減小的規律。

瓦斯爆炸；火焰傳播；有限元；數值模擬

為了有效的防治瓦斯爆炸事故,降低其危害程度，研究瓦斯爆炸過程中的火焰傳播特性是非常必要的。本論文以巷道內的瓦斯氣體的爆炸火焰為研究對象，對其在巷道內的傳播過程進行了數值模擬和試驗研究[1-2]。

1 試驗系統

1.1 試驗設備及設施

（1）試驗巷道：試驗管道采用尺寸為200 m×3 m×3 m長方形實驗管道，一端封閉，另一端開口；從巷道的封閉端處開始安裝火焰速度傳感器，1～11 m距離內每隔2m安裝一個；11m～41m距離內每隔5m安裝一個；41 m～81m距離內每隔10m安裝一個，一共安裝16個火焰速度傳感器。（2）爆炸氣體:體積百分比濃度為9.0±0.5%的CH4與空氣混合物，體積70m3。（3）點火源:由內置的電點火藥頭點火，安裝在距封閉端1m、高度1.25m處。（4）高速攝影機為型號REDLAKE MotionXtraN3，自動曝光系統，130萬像素，拍攝速度為1200幀/s。（5）同步動態信號采集分析系統。

1.2 試驗方法

在常溫、常壓下，將濃度為9.0±0.5%的CH4與空氣混合物均勻混合后，緩緩的充入試驗巷道內的密封端，使密閉段內的CH4與空氣的混合氣體體積為70m3。相繼啟動同步動態信號采集分析系統和高速攝像系統，開啟火焰速度傳感器并啟動點火裝置，采集分析系統開始采集處理數據，分析圖像。

2 數值模擬

2.1 瓦斯爆炸火焰傳播的有限元模型

為了便于模擬分析，忽略CH4的化學反應過程，認為混合氣體在點火后甲烷迅速燃燒完畢。設置模型管道長200 m，橫截面積為為3 m×3 m，模擬時的初始壓力為1MPa，初始溫度為15℃。管道一端封閉，另一端開口。在三維坐標軸方向分別劃分200道、3道、3道網格線，一共1800個網格。

2.2 模擬計算方法

可燃性氣體的爆炸與可燃氣體本身特性，爆炸前巷道內氣體濃度、溫度以及壓強等都有一定關系，是氣體爆炸場內的動力學流動與相關化學反應的共同作用的過程。因此，可以用流體力學基本方程組[3]建立瓦斯爆炸的數學模型，綜合基本方程，可得NAVIER-STOCKS方程：

可燃性氣體的燃燒反應過程，分為層流燃燒過程和湍流燃燒過程，對于層流燃燒過程，其組分方程描述為：

層流燃燒過程，Rcomb與組份濃度呈正比關系。

對于燃燒反應過程中的湍流燃燒過程，國外普遍運用k-ε模型[4]來進行模擬，k-ε模型中的湍流動能k和湍流動能的擴散速率ε滿足以下的守恒方程:

式中：Γ為湍流擴散因子；c1，c2為模型常數。

通過以上氣體燃燒方程，并結合能量方程、動量方程、牛頓型粘性流體的本構方程、氣體狀態方程，可構成一個分析巷道內甲烷與空氣混合可燃氣體爆炸過程的方程組，計算爆炸火焰傳播速度。

圖1 瓦斯爆炸火焰傳播速度實驗與數值模擬圖

3 結果與分析

表1是瓦斯爆炸實驗的火焰傳播測試結果，表中清晰的顯示了瓦斯爆炸產生的火焰鋒面到達火焰速度傳感器的時間和速度。

表1 瓦斯爆炸火焰傳播測試表

圖1是CH4與空氣混合氣體的火焰傳播速度實驗與數值模擬圖，從圖上可以清楚看出理論數值模擬的曲線與實際試驗的火焰傳播速度曲線走勢相似，火焰傳播速度在爆源附近較小，隨著距爆源距離的增加,速度逐漸增加，在距離封閉氣體混合區域約50 m處，速度達到最大值，約為300 km/s，隨后，速度呈衰減趨勢。

根據上述試驗結果，瓦斯爆炸火焰傳播經歷了兩個過程[5-7]：第一個過程是火焰傳播速度由爆源處加速到峰值速度；第二個過程是火焰傳播速度加速到峰值速度后，開始減速傳播。這種結果可以從瓦斯爆炸火焰傳播物理機制得以解釋，在起始過程，火焰傳播速度較小，但火焰前方的氣體因前驅沖擊波的作用被加熱和壓縮，從而使火焰鋒面產生嚴重的皺褶和拉伸，增大了可燃性氣體的火焰燃燒面積,使其燃燒加速，火焰傳播速度加快。在速度加速到峰值后，燃燒產生的能量不足以用來補充沖擊火焰波向前傳播產生的能量耗散，同時氣體膨脹產生的阻力使燃燒衰減，導致火焰傳播速度不斷下降。

4 結論

利用實際管道試驗和數值模擬對煤巷內瓦斯爆炸火焰傳播規律進行了研究，通過數據自動采集系統對不同測點的數據進行記錄,分析了瓦斯爆炸火焰速度隨時間、巷道距離變化的規律，主要結論如下:

（1）數值模擬結果與試驗結果走向基本一致，數值模擬能較好的預測瓦斯爆炸火焰傳播過程中速度的變化情況。

（2）火焰傳播速度隨著距離爆源距離的增大，呈現出先增大后減小的規律。當爆炸氣體為體積70m3，濃度9.0±0.5%的CH4與空氣混合物，最大火焰速度在距離爆源50m左右。

[1]仇銳來，張延松，司榮軍，等.管道內瓦斯爆炸傳播的試驗研究[J].中國安全科學學報，2010，20（5）：80-85.

[2]宋小雷，陳先鋒，陳明，張銀.瓦斯爆炸過程中火焰傳播的實驗與數值模擬研究[J].中國安全生產科學技術，2011，7（11）:5-8.

[3]傅維鑣.燃燒學［M］.上海:高等教育出版社，1989:200-203.

[4]張廷芳.計算流體力學［M］.大連:大連理工大學出版社，1992.

[5]張玉，周姚斌，葉軍君.瓦斯爆炸沖擊波傳播過程的數值模擬[J].機電技術，2007，5（3）:28-30.

[6]王東武，杜春志.巷道瓦斯爆炸傳播規律的試驗研究[J].采礦與安全工程學報.2009，26（4）:475-480.

[7]黎體發，張莉聰，徐景德.瓦斯爆炸火焰波與沖擊波伴生關系的實驗研究[J].礦業安全與環保，2005，32（2）:4-6.

Experimental Study on Flame Propagation of Gas Explosion in Mines

WANG Yin-qun
(Jixian Shengping Coal Co.,Shanxi Coal Sales and Transportation Group,Linfen Shanxi 042100)

Structure change and propagation law of gas explosion flame in pipelines are studied by numerical simulation and actual experiment.The results show that:the simulation result agrees with the experiment;the flame propagation speed increases first and then decreases with the distance increase from explosion source.

gas explosion;flame propagation;finite element;numerical simulation

TD712.71

A

1672-5050（2012）09-0052-03

2012-05-10

王引群（1964—），男，山西臨汾人，大學本科，工程師，從事煤礦安全生產管理工作。

劉新光