端口封閉型管道瓦斯火焰傳播與壓力實驗研究

(華北科技學院 安全學院 北京 101601)

引言

近年來，我國煤炭生產方式中井工開采占全國煤炭生產的95%以上，且其開采的煤層大部分屬于石炭二疊紀成煤煤層，煤質及賦存條件好，煤層中瓦斯賦存狀態未受到大的地層運動的破壞和煤礦開采的影響，因此開采過程中會有一定體積的瓦斯氣體涌出，易發生瓦斯爆炸、瓦斯燃燒和煤與瓦斯突出事故。

瓦斯爆炸過程中，被引燃的瓦斯氣體受到約束時，經過一定距離的傳播，其傳播過程呈現出連續加速狀態，在傳播距離足夠長、瓦斯氣體足夠多時就能形成爆轟波，高壓沖擊波和高溫火焰鋒面同時作用，對井下人員、設備及巷道的摧毀作用是毀滅性的。

所以，本文采用在截面為200mm×200mm，長為35m的方截面管道內通過實驗探究瓦斯爆炸特性變化進行分析。

一、實驗工況

本實驗從距離管道前端開6.2米的位置開始，沿管道左側中軸線每2.5米設置一個壓力傳感器，設置的壓力傳感器共計8個；同時，在每個壓力傳感器對應的管道右側位置設置火焰傳感器。

本實驗的具體條件為:點火延遲時間22.5μs，點火電極放電電壓為5000V，實驗均在以下實驗條件下進行：預混氣CH4為9.5%、真空度200Pa、預混氣初壓101.3KPa，點火電壓5000V，點火能量5.475J。

二、結果分析

PCB傳感器采集的爆轟管道內的八組壓力曲線如圖所示：

各測點壓力時間曲線

從圖中可以看出第一道波隨著往前傳播，斜率越來越大，即由原來的小擾動壓縮波逐漸變成沖擊波，隨后又經過盲板端的壁面反射。PCB1和PCB8的壓力曲線隨時間變化，可以清楚的看到壓力曲線斜率從PCB1到PCB8明顯增大，可以判斷到PCB8的過程中一系列的小擾動波逐漸變成了沖擊波。

在實驗瓦斯濃度為9.7%的情況下，隨著爆炸逐漸向前方傳播，對應在15.5m，21.5m，27.5m處測點的火焰面與前驅沖擊波的時間間隔分別是67m/s，91m/s，117m/s，隨著時間間隔的增長，整個爆炸的傳播速度也不斷增加，所以壓力波與火焰面之間的空間間隔也在不斷增大，對用與15.5m，21.5m，27.5m處測點的空間距離分別是0.64m，0.85m，1.18m。伴隨著火焰傳播的不斷加速，火焰陣面有了逐漸趕超前驅沖擊波的趨勢，因此當位于管道后半段的時候，火焰面與沖擊波的時間間隔又會逐漸減小，對應于27.5m，33.5m，36.5m測點處的時間間隔分別是117m/s，103m/s，94m/s。但是因為火焰和壓力波的傳播速度還是在不斷增加的，所以兩者之間的空間距離函數呈現出曲線上升。

三、結論

在管道內火焰不斷的加速和減速，其中產生了一些列的壓縮波，此過程一直延伸到管道末端。

火焰面在傳播過程中會與壁面反射回來的壓縮波相互作用，使得化學反應加劇，火焰更加劇烈。

關于損傷：壓力：當人體感受超壓為34Kpa時，人體的鼓膜會損傷，當超過84Kpa時人的內臟會損傷，本實驗中第一道壓縮波的壓力為30KPa左右，最高峰值超壓達到150KPa。