巷道拐彎角度變化情況下瓦斯爆炸火焰傳播規律模擬實驗研究

張偉光，任曉東，蔡昌宣

(1.新疆工程學院 采礦工程系，新疆 烏魯木齊　830091；2.烏蘇四棵樹煤炭有限責任公司，新疆 烏蘇　833300)

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巷道拐彎角度變化情況下瓦斯爆炸火焰傳播規律模擬實驗研究

張偉光1，任曉東2，蔡昌宣2

(1.新疆工程學院 采礦工程系，新疆 烏魯木齊830091；2.烏蘇四棵樹煤炭有限責任公司，新疆 烏蘇833300)

為了研究煤礦井下發生瓦斯爆炸事故后，火焰在巷道中的傳播規律，設計了瓦斯爆炸實驗系統，采用不同拐彎角度的管道來模擬井下巷道變化，通過實驗方法分析了管道內瓦斯爆炸火焰傳播速度與管道拐彎角度和瓦斯填充長度的關系。實驗結果表明，瓦斯填充長度越大，火焰傳播速度越大；火焰傳播速度在管道水平段中呈穩步增大趨勢，在拐彎點處迅速減小，經過拐彎點后又迅速增大；在瓦斯填充長度一定的情況下，管道拐彎角度越大，火焰傳播速度越快；隨著管道拐彎角度的增加，火焰傳播速度突變系數呈先減小、后增大的趨勢，改變瓦斯填充長度對突變系數影響不大。

瓦斯爆炸；火焰傳播規律；管道拐彎角度；瓦斯填充長度

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.1007.010.html

0　引言

瓦斯爆炸事故是最嚴重的煤礦事故之一。歷年來在煤礦重特大事故中，因瓦斯事故而導致的死亡人數是最多的[1]。瓦斯是一種易燃易爆氣體，當瓦斯濃度積聚到爆炸界限時，接觸點火源即發生爆炸，然后快速傳播，在傳播過程中對礦井內設備及人身安全產生危害[2-3]。掌握煤礦瓦斯爆炸后的火焰傳播規律，有利于針對礦井實際條件推測其爆炸發生條件、傳播面積及產生的損失，從而制定有效的防爆、抑爆措施，減小爆炸產生的損害；可對預防瓦斯爆炸事故和研究抑爆新技術提供理論指導，研究出性能穩固、安全可行的防爆設施；有利于科學地判斷爆炸源的位置、事故類型、爆炸波及范圍等，找出爆炸事故發生的原由和產生的損失。

國內外學者對瓦斯爆炸火焰傳播規律做了大量的研究工作。黃文祥、仇銳來等[4-5]分別通過實驗室及數值模擬研究的方法探討了不同點火能量對瓦斯爆炸火焰傳播特征的影響。聶百勝等[6]在實驗室研究了無障礙物條件下瓦斯爆炸火焰傳播規律和泡沫陶瓷對其的影響。王從銀等[7]對水平管道中瓦斯爆炸傳播火焰的厚度進行了實驗研究，得到了火焰厚度變化的基本規律。林柏泉等[8]分析了瓦斯爆炸在分叉管道中的傳播規律。王成等[9]利用實驗管道研究了障礙物形狀對瓦斯爆炸火焰傳播過程的影響。李鑫等[10-11]首先通過實驗室實驗的手段來研究管道彎曲角度這一因素對瓦斯爆炸火焰傳播規律的影響，然后以數值模擬研究為主要方法探討了多個因素對瓦斯爆炸火焰傳播規律的影響。事實上，煤礦井下并非全都是長直巷道，彎曲巷道隨處可見；巷道不同地點的瓦斯積聚程度不一，影響瓦斯爆炸后火焰傳播規律的因素多樣。參考文獻[10]未涉及瓦斯填充量(長度)這個重要影響因素，參考文獻[11]中通過數值模擬研究所得的結論仍需實驗室實驗等其他手段來驗證其合理性。本文通過實驗室實驗方法，研究不同的瓦斯填充量(長度)及管道拐彎角度變化對瓦斯爆炸火焰傳播規律的影響，具有一定的現實意義。

1　實驗系統及方案

1.1實驗系統

實驗以中國礦業大學設計制作的水平管道式氣體爆炸裝置為基礎，自行設計并加工新的匹配管件，與原設備用螺栓緊固連接，模擬煤礦井下拐彎巷道。瓦斯爆炸實驗系統包括火焰產生與傳播系統(包括瓦斯倉、空氣壓縮機、真空泵、點火系統、高壓儲氣瓶、真空表、閥門、瓦斯爆炸傳播管道系統、瓦斯噴嘴、瓦斯填充區)、火焰速度測試系統、爆炸超壓測試系統、動態數據自動采集系統，如圖1所示。

1-瓦斯倉；2-空氣壓縮機；3-真空泵；4-點火系統；5-高壓儲氣瓶；6-真空表；7-閥門；8-瓦斯爆炸傳播管道系統；9-瓦斯噴嘴；10-瓦斯填充區

火焰產生與傳播系統模擬瓦斯爆炸火焰的產生及其在井下不同拐彎角度巷道中的傳播情況，通過火焰速度測試系統及爆炸超壓測試系統測量火焰在管道中傳播的相關參數。動態數據自動采集系統實時存儲實驗參數，并對實驗結果進行分析說明。

1.2實驗方案

瓦斯爆炸傳播管道選取80 mm×80 mm的方形管道。實驗所配瓦斯濃度為理論上最強烈的爆炸濃度9.5%。實驗管道由瓦斯填充管道與火焰傳播管道連接而成。瓦斯填充管道長度為4，5，6 m；火焰傳播管道總長11 m，由長10 m的水平部分與長1 m的拐彎部分無縫焊接而成，管道長徑比保持不變，有30°，45°，60°，90°，120°，135°，150°共7種拐彎角度。實驗管道布置如圖2所示。

圖2中測點1距起始點(起始傳播位置，即爆炸源處)7.0 m，測點1與測點2間距2 m，測點2與測點3、測點3與測點4間距均為0.3 m，測點4距拐彎點0.4 m，測點5距拐彎點0.6 m，測點5與測點6間距0.3 m。將2個測點的中點位置設為當量測點，測點1—測點6的當量測點依次定義為A—E，則測點位置分布情況見表1。

表1　當量測點布置位置

為減少實驗誤差，每組實驗在相同工況下需進行3次，數據相對差異較小時才認為實驗成功。同一拐彎角度下，充填4，5，6 m這3種不同長度的瓦斯氣體，分別重復3次(共9次)成功爆炸實驗，完成一種拐彎角度下的測試。拐彎管道共有7種角度，需進行63次成功實驗。

(a) 30°拐彎角度管道

(b) 45°拐彎角度管道

(c) 60°拐彎角度管道

(d) 90°拐彎角度管道

(e) 120°拐彎角度管道

(f) 135°拐彎角度管道

(g) 150°拐彎角度管道

1.3實驗方法

在測點1—測點6各布置1個火焰探測器，測量火焰到達各測點的時間，通過計算求取火焰在各當量測點處的傳播速度及其突變系數。

2　實驗結果與分析

2.1當量測點處火焰傳播速度

實驗過程中，火焰探測器只能探測火焰到達時間，按照速度計算公式，僅能得到火焰在2個測點之間傳播的平均速度。將該平均速度近似視為當量測點處的速度，則火焰在5個當量測點處的速度依次為VA，VB，VC，VD，VE。以VA為例，其計算公式為

(1)

式中：L1為測點1、測點2的間距；T1為火焰到達測點1的時間；T2為火焰到達測點2的時間。

VB，VC，VD，VE計算公式與式(1)類似。

不同瓦斯充填長度情況下，火焰傳播管道中的火焰傳播速度如圖3所示。

2.2火焰傳播速度突變系數

火焰傳播速度突變系數λ定義為當量測點E與當量測點C處的火焰速度之比，反映了火焰沿管道傳播過程中的速度變化情況，是速度突變的一種定量化表示方法。λ越大，表示火焰傳播速度的波動越大，λ>1說明拐彎后火焰傳播速度是增大的，且λ越大，火焰拐彎后速度增大的程度越大。

火焰傳播速度突變系數與管道拐彎角度的關系如圖4所示。

2.3實驗結果分析

分析圖3、圖4可得出瓦斯爆炸火焰傳播受瓦斯填充長度及管道拐彎角度的影響規律。

(1) 當管道拐彎角度為30°，瓦斯填充長度分別為4，5，6 m時，當量測點A處的火焰傳播速度分別為10.23，10.57，11.17 m/s，火焰傳播速度隨瓦斯充填長度的增大而增大。其他瓦斯充填長度、管道拐彎角度的管道，各當量測點處的瓦斯傳播速度具有類似規律。可見管道拐彎角度一定時，若瓦斯填充長度不同，則火焰傳播速度不同，且瓦斯填充長度越長，管道內瓦斯爆炸火焰傳播速度越大。

(2) 瓦斯爆炸火焰在管道中傳播有明顯的規律性。在水平管道中，由于瓦斯氣體不斷燃燒，火焰傳播速度呈穩步增大趨勢；在管道拐彎點處，火焰傳播速度迅速減小，原因是火焰經過管道拐彎點處時，主流區氣流及攜帶的未燃瓦斯被管道壁面反彈產生渦團，引入了較大的總阻力，阻礙了火焰傳播，導致火焰傳播速度突然降低；經過拐彎點后，火焰傳播速度迅速增大，主要原因是渦流作用使火焰陣面發生湍流，火焰面積急劇增大，瓦斯氣體與氧氣接觸更加充分，使瓦斯燃燒傳播速度增大，熱釋放速率增加，火焰傳播速度加快。

(a) 瓦斯填充長度為4 m

(b) 瓦斯填充長度為5 m

(c) 瓦斯填充長度為6 m

圖4　火焰傳播速度突變系數與管道拐彎角度的關系

(3) 瓦斯填充長度為4 m時，30°,45°,60°,90°,120°,135°,150°拐彎角度管道中當量測點E的火焰傳播速度分別為75.57，79.95，91.53，97.53，112.83，120.07，126.57 m/s，火焰傳播速度大致隨管道拐彎角度的增加而增大。瓦斯填充長度為5，6 m時，具有類似規律。可見瓦斯填充長度固定時，管道拐彎角度越大，火焰傳播速度越大；經過拐彎點時火焰傳播速度發生突變，管道拐彎角度越大，測點處的瓦斯傳播速度越高，主要原因是管道的拐彎角度對火焰湍流有影響，隨著拐彎角度增大，湍流效應被加強，使得火焰傳播速度加快。

(4) 火焰傳播速度突變系數λ與管道拐彎角度關系密切。隨著管道拐彎角度增大，λ呈現先減小后增大的趨勢，λ=1.3～1.7。對于不同瓦斯填充長度的管道，λ整體規律一致，說明瓦斯填充長度對λ的影響不大。

3　結論

(1) 瓦斯填充長度越大的管道，瓦斯爆炸火焰在其中傳播的速度越大。

(2) 在水平管道中，火焰傳播速度呈穩步增大趨勢；在拐彎點處，火焰傳播速度發生突變，迅速減小；經過拐彎點后，火焰傳播速度迅速增大。

(3) 瓦斯填充長度固定時，管道拐彎角度越大，火焰傳播速度越快。

(4) 隨著管道拐彎角度的增加，火焰傳播速度突變系數呈先減小后增大的趨勢，瓦斯填充長度的改變對突變系數影響不大。

(5) 煤礦井下瓦斯體積、巷道拐彎程度對瓦斯爆炸后火焰傳播速度都有極大的影響。在設計礦井巷道時，應盡量避免瓦斯氣體聚集及拐彎巷道，以降低瓦斯爆炸的可能性，減小瓦斯爆炸后火焰傳播過程造成的損失。

[1]陳娟,趙耀江.近十年來我國煤礦事故統計分析及啟示[J].煤炭工程,2012(3):137-139.

[2]賈真真,林柏泉.管內瓦斯爆炸傳播影響因素及火焰加速機理分析[J].礦業工程研究,2009,24(1):57-62.

[3]趙衡陽.氣體和粉塵爆炸原理[M].北京:北京理工大學出版社,1996.

[4]黃文祥,李樹剛,李孝斌,等.不同點火能量作用下管道內瓦斯爆炸火焰傳播特征[J].煤礦安全,2011，42(8):7-10.

[5]仇銳來.點火能量對瓦斯爆炸傳播的數值模擬研究[J].煤礦安全,2011,42(1):5-8.

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[11]李鑫.管道拐彎角度變化情況下瓦斯爆炸火焰傳播規律研究[D].焦作:河南理工大學,2014.

Simulation experiment study on flame propagation regulation of gas explosion with roadway bend angle varying

ZHANG Weiguang1,REN Xiaodong2,CAI Changxuan2

(1.Department of Mining Engineering,Xinjiang Institute of Engineering,Wulumuqi 830091,China； 2.Wusu Four Trees Mining Co.,Ltd.,Wusu 833300,China)

In order to study flame propagation regulation after gas explosion accidents in coal mine,a gas explosion experiment system was designed and pipelines with different bend angles were used to simulate underground roadway varying.Relationship between flame propagation velocity in pipelines and pipeline bend angle or gas filling length was researched by experimental method.The experimental results show that the longer gas filling length is,the larger flame propagation velocity is; flame propagation velocity increases in horizontal section,quickly decreases at bend point and increases after bend point; with the same gas filling length,the larger turning angle is,the larger flame propagation velocity is; flame propagation velocity varying coefficient decreases firstly and then increases with pipeline bend angle increases,and gas filling length has no significant influence on the flame propagation velocity varying coefficient.

gas explosion; flame propagation regulation; roadway bend angle; gas filling length

1671-251X(2016)10-0052-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.012

張偉光，任曉東，蔡昌宣.巷道拐彎角度變化情況下瓦斯爆炸火焰傳播規律模擬實驗研究[J].工礦自動化，2016,42(10)：52-56.

2016-04-22；

2016-08-20；責任編輯：李明。

新疆工程學院科研基金資助項目(2015xgy341712)。

張偉光(1986-)，男，河南商丘人，講師，碩士，主要從事采礦工程方面的教學與科研工作，E-mail:weiguang1228@126.com。

TD712

A網絡出版時間：2016-09-30 10:07