端口封閉型管道瓦斯火焰?zhèn)鞑ヅc壓力實(shí)驗(yàn)研究

(華北科技學(xué)院 安全學(xué)院 北京 101601)

引言

近年來(lái)，我國(guó)煤炭生產(chǎn)方式中井工開(kāi)采占全國(guó)煤炭生產(chǎn)的95%以上，且其開(kāi)采的煤層大部分屬于石炭二疊紀(jì)成煤煤層，煤質(zhì)及賦存條件好，煤層中瓦斯賦存狀態(tài)未受到大的地層運(yùn)動(dòng)的破壞和煤礦開(kāi)采的影響，因此開(kāi)采過(guò)程中會(huì)有一定體積的瓦斯氣體涌出，易發(fā)生瓦斯爆炸、瓦斯燃燒和煤與瓦斯突出事故。

瓦斯爆炸過(guò)程中，被引燃的瓦斯氣體受到約束時(shí)，經(jīng)過(guò)一定距離的傳播，其傳播過(guò)程呈現(xiàn)出連續(xù)加速狀態(tài)，在傳播距離足夠長(zhǎng)、瓦斯氣體足夠多時(shí)就能形成爆轟波，高壓沖擊波和高溫火焰鋒面同時(shí)作用，對(duì)井下人員、設(shè)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(zhǎng)為35m的方截面管道內(nèi)通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究瓦斯爆炸特性變化進(jìn)行分析。

一、實(shí)驗(yàn)工況

本實(shí)驗(yàn)從距離管道前端開(kāi)6.2米的位置開(kāi)始，沿管道左側(cè)中軸線(xiàn)每2.5米設(shè)置一個(gè)壓力傳感器，設(shè)置的壓力傳感器共計(jì)8個(gè)；同時(shí)，在每個(gè)壓力傳感器對(duì)應(yīng)的管道右側(cè)位置設(shè)置火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

本實(shí)驗(yàn)的具體條件為:點(diǎn)火延遲時(shí)間22.5μs，點(diǎn)火電極放電電壓為5000V，實(shí)驗(yàn)均在以下實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行：預(yù)混氣CH4為9.5%、真空度200Pa、預(yù)混氣初壓101.3KPa，點(diǎn)火電壓5000V，點(diǎn)火能量5.475J。

二、結(jié)果分析

PCB傳感器采集的爆轟管道內(nèi)的八組壓力曲線(xiàn)如圖所示：

各測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)間曲線(xiàn)

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

在實(shí)驗(yàn)瓦斯?jié)舛葹?.7%的情況下，隨著爆炸逐漸向前方傳播，對(duì)應(yīng)在15.5m，21.5m，27.5m處測(cè)點(diǎn)的火焰面與前驅(qū)沖擊波的時(shí)間間隔分別是67m/s，91m/s，117m/s，隨著時(shí)間間隔的增長(zhǎng)，整個(gè)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(duì)用與15.5m，21.5m，27.5m處測(cè)點(diǎn)的空間距離分別是0.64m，0.85m，1.18m。伴隨著火焰?zhèn)鞑サ牟粩嗉铀伲鹧骊嚸嬗辛酥饾u趕超前驅(qū)沖擊波的趨勢(shì)，因此當(dāng)位于管道后半段的時(shí)候，火焰面與沖擊波的時(shí)間間隔又會(huì)逐漸減小，對(duì)應(yīng)于27.5m，33.5m，36.5m測(cè)點(diǎn)處的時(shí)間間隔分別是117m/s，103m/s，94m/s。但是因?yàn)榛鹧婧蛪毫Σǖ膫鞑ニ俣冗€是在不斷增加的，所以?xún)烧咧g的空間距離函數(shù)呈現(xiàn)出曲線(xiàn)上升。

三、結(jié)論

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

火焰面在傳播過(guò)程中會(huì)與壁面反射回來(lái)的壓縮波相互作用，使得化學(xué)反應(yīng)加劇，火焰更加劇烈。

關(guān)于損傷：壓力：當(dāng)人體感受超壓為34Kpa時(shí)，人體的鼓膜會(huì)損傷，當(dāng)超過(guò)84Kpa時(shí)人的內(nèi)臟會(huì)損傷，本實(shí)驗(yàn)中第一道壓縮波的壓力為30KPa左右，最高峰值超壓達(dá)到150KPa。