T型管道不同封閉狀態瓦斯爆燃火焰傳播特征*

解北京，王廣宇，董春陽，王 亮

(1.中國礦業大學(北京) 應急管理與安全工程學院，北京，100083；2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作，454000)

0 引言

目前我國能源消費結構中煤炭的所占比例仍為62%，而且在今后相當長的時間，煤炭作為我國主導能源仍然擁有不可替代的地位[1]。我國煤礦井下開采占比為95%以上，隨著開采深度和范圍地不斷推進，煤層中普遍擁有較高的瓦斯賦存量，導致煤層瓦斯爆炸成為礦山安全生產的主要危害之一[2-3]。瓦斯爆炸時會產生3個致命因素：火焰鋒面、沖擊波和井巷大氣成分的變化，從而造成生產人員的傷亡和物資的損害[4]。

國內外學者一直把煤礦瓦斯爆燃火焰在管道內傳播研究工作作為熱點問題，許多學者開展了瓦斯爆燃火焰在直管管道內傳播規律的實驗和模擬研究。Wada y,Yum等[5-6]研究了火焰陣面通過障礙物的傳播過程，并用高速攝像記錄到火焰陣面離開障礙物后發生了劇烈反應，并產生較高的超壓；Xiao h等[7]對火焰陣面通過障礙物進行數值模擬，顯示在障礙物后產生的火焰旋渦沿著管道壁面被火焰帶出，火焰陣面產生破裂的現象；徐景德等[8]在51.8 m長的模擬巷道中研究了點火位置、濃度對爆炸火焰傳播的影響，認為不同尺寸的模擬巷道內爆炸火焰傳播有著明顯的尺度效應；鄭萬成[9]在管長20 m的實驗管道內模擬研究了掘進巷道內瓦斯爆燃火焰傳播的速度和壓力，瓦斯爆燃后火焰傳播的速度先增長后減小，超壓峰值隨著火焰傳播呈“雙凹形”分布；羅振敏等[10]采用高速攝影系統發現瓦斯濃度越大爆炸感應期越短，瓦斯爆燃的濃度越大火焰達到突變所用時間越短；解北京等[11-12]綜合利用光電傳感器、離子探針、熱電偶、壓力傳感器研究發現管道內障礙物導致瓦斯爆炸火焰湍流程度加大。

針對復雜管道內瓦斯爆燃火焰傳播規律現有的研究成果主要側重90°彎管內火焰傳播的規律。張一博等[13]利用壓力測試系統和速度測試系統研究了彎管不同角度對火焰陣面速度和產生超壓的變化規律；何學超等[14-15]運用高速攝像系統、離子探針和微細熱電偶等方法發現了火焰通過90°彎曲管道后，火焰陣面發生畸變，火焰震蕩前行；翟成等[16-18]研究了結構異常管路中拐彎處的瓦斯爆燃傳播是火焰復雜流動和壓力波相互作用的過程，彎管的爆炸火焰傳播過程中速度、超壓值均有大幅提高。

煤礦井下分岔巷道十分常見、錯綜復雜，目前所取得的成果基本上是針對小尺寸直管或簡單彎管內瓦斯爆炸火焰形態、傳播速度以及爆炸超壓來模擬和分析井下巷道瓦斯爆炸火焰的傳播情況[19]，對于分岔管路不同閉口情況下瓦斯爆燃火焰傳播的研究成果較少。參考文獻[19-20]，對點火位置與分岔角度對火焰陣面的傳播特征的影響進行了研究。本文采用自行設計的一種支管與直管呈90°的T型分岔管道，對分岔管支管完全封閉，直管左側弱封閉，直管右側設置完全封閉與弱封閉2種對比情況，研究瓦斯爆燃火焰陣面在支管、直管左側和直管右側不同截面位置的光電信號、陣面傳播速度和壓力的參數變化因素，分析不同封閉狀態對井下分岔巷道發生瓦斯爆燃火焰陣面傳播規律影響。

1 實驗系統設計

1.1 實驗裝置

實驗裝置主要包括瓦斯爆炸管道、充氣系統、發爆系統、信息采集記錄系統4個部分組成，如圖1和2所示。

圖1 實驗系統示意Fig.1 Schematic diagram of experimental system

圖2 實驗系統實物Fig.2 Material object of experimental system

瓦斯爆炸分岔管道由有機玻璃直管(長度400 mm、厚度15 mm、內徑為80 mm)，有機玻璃分岔管、方形法蘭和方形硅膠墊圈連接而成。分岔管道的支管端處于封閉狀態，直管左端口用薄膜弱封閉，直管右端2種封閉狀態。充氣系統由甲烷氣瓶、壓力表和配氣罐連接而成。點火系統由發爆器(SFK-300型)和自制的起爆針組成。數據采集系統由數據采集儀、光電信號傳感器和壓力傳感器組成。

1.2 信息采集系統及設備

如圖1所示，壓力傳感器和光電傳感器分別從上下兩側深入管內，各截面測點均為壓力傳感器從管道上側，光電傳感器緊挨著壓力傳感器。在直管側架設索尼D7200攝像機對瓦斯爆燃過程以25幀/s進行拍攝。采用CY-YD-205壓電式壓力傳感器，測壓范圍為0～10 MPa，配套YE5853電荷放大器。采用Risym光敏二極管模塊，工作電壓9 V。采用具有32個完全隔離通道的HIOKI 8826存儲記錄儀進行數據記錄，最高采樣速率為1 MS/s[21]。實驗中所有通道的采樣速率設置為1 KS/s。

2 T型分岔管道不同封閉狀態瓦斯爆燃火焰傳播實驗

實驗方案見表1，實驗所選T型分岔管道支管端處于完全封閉狀態，直管左端口用塑料薄膜弱封閉，直管右端口分別采取塑料薄膜弱封閉或完全封閉開展2種對比實驗。其中，弱封閉指僅采用保鮮膜封堵，而完全封閉指采用厚有機玻璃法蘭封堵。管道內充入體積濃度9.5%的甲烷-空氣預混氣體，點火位置選在距離管道閉口端300 mm的分岔管道支管端部。

表1 實驗方案Table 1 Experimental scheme

2.1 直管右端弱封閉瓦斯爆燃火焰傳播實驗結果

T型分岔管道直管左右兩端皆做弱封閉處理，點火時刻，起爆器點火發出了明亮的光，由于瓦斯爆燃后產生的中間產物受到高溫進一步燃燒，爆炸火焰陣面傳出管道后有微弱的淡藍色火焰。

2.1.1 直管右端弱封閉火焰陣面傳播光電信號分析

直管右端弱封閉狀態下T型分岔管內瓦斯爆燃火焰傳播過程光電信號曲線，如圖3所示。

圖3 直管右端弱封閉火焰傳播光電信號Fig.3 Photoelectric signals of flame propagation when right end of straight pipe was weakly closed

由圖3可知，點火后，火焰迅速向未燃區域傳播，30 ms時刻分岔處傳感器最先采集到的光電信號，通過分岔角后，沿著瓦斯爆燃火焰陣面繼續傳播的方向，各光電傳感器依次起跳，在火焰陣面接近各感應器時光電信號曲線直線上升，火焰陣面通過后信號曲線呈現逐漸下降的趨勢；由于火焰陣面傳播過程的不穩定性，曲線在下降過程中除去了明顯的波動，在80～90 ms時光電信號消失，管內瓦斯消耗殆盡。通過火焰傳播后經過的1個光電傳感器和直管左右兩側距離開口最近的傳感器的起跳時刻，可以算出火焰從分岔處傳播到直管左右端離分岔處600 mm光電傳感器的時間皆為9 ms。

2.1.2 直管右端弱封閉火焰傳播速度與壓力分析

光電傳感器對火焰光有很強的敏感性，火焰陣面通過到達各個光電傳感器時，光電傳感器會立即響應，將光電信號峰值時刻作為火焰陣面到達各光電傳感器位置的時間，通過相鄰2個光電傳感器信號的變化得出各區間位置的平均速度，從而得到T型分岔管道內瓦斯爆燃火焰傳播過程中至各區間平均速度情況，如圖4所示。同時通過壓力傳感器測得T型分岔管道內瓦斯爆燃火焰陣面傳播過程各截面測點超壓曲線，如圖5所示。

圖4 直管右端弱封閉火焰傳播各區間平均速度Fig.4 Average velocity of flame propagation in each section when right end of straight pipe was weakly closed

圖5 直管右端弱封閉火焰傳播各截面超壓曲線Fig.5 Overpressure curves of flame propagation in each cross-section when right end of straight pipe was weakly closed

由圖4可知，“Ⅰ”表示支管內距離分岔處400～600 mm的區間，“Ⅱ”表示支管內距離分岔處200～400 mm的區間，“Ⅲ”表示支管內距離分岔處0～200 mm的區間，“Ⅴ”，“(Ⅴ′)”分別表示直管左、右兩側距離分岔處0～200 mm的區間，“Ⅳ”，“(Ⅳ′)”分別表示直管左、右兩側距離分岔處200～400 mm的區間，“Ⅵ”，“(Ⅵ′)”分別表示直管左、右兩側距離分岔處400～600 mm的區間。

通過速度曲線可以發現，分岔管道內點火后瓦斯爆燃火焰陣面在支管內傳播時，速度呈現先增大后減小的趨勢。當火焰經過分岔處后火焰陣面傳播速度急速升高，火焰陣面從左側出口處傳出時Ⅵ區間的速度為86.29 m/s，右側出口處傳出時Ⅵ′區間的速度為88.07 m/s。可見，火焰陣面經過直管左右兩側對稱位置時的速度基本相同，傳播速度曲線基本吻合，這也驗證了火焰幾乎同時到達支管兩端光電信號傳感器。

由圖5可知，點火后各截面超壓曲線隨火焰傳播方向依次起跳，先升高至峰值在70 ms左右開始下降，至200 ms左右達到最低值，最后在600 ms左右時恢復至正常大氣壓。這是由于瓦斯爆燃火焰傳播過程中產生的沖擊波在到達截面測點時，超壓會迅速上升到達峰值，當沖擊波波陣面通過截面測點后，受壓縮的氣體膨脹和沖擊波后面的瓦斯爆燃產物的振動和高溫影響，會使超壓持續下降[22]。瓦斯爆燃火焰向直管兩端出口傳播過程中超壓有逐漸下降的趨勢。

當沖擊波波陣面傳播到管道分岔處時，管道斷面突然增大2倍，波陣面表面積增大，單位面積能量減小，超壓值減小，也印證了火焰陣面到達分岔處時速度降低。而經過管道分岔處后，形成兩股超壓值較小的新沖擊波向直管兩側繼續傳播，壓力波在傳播過程不斷產生的反射壓力波會降低火焰傳播的速度；由于直管兩端處于薄膜弱封閉狀態，燃燒不夠充分，沒能增大沖擊波的能量，導致瓦斯爆燃火焰經過分岔后超壓值最小。此外，支管與直管左右兩側之間均是直角，直管兩側所處的環境相同，直管左右兩側截面壓力傳感器所測得超壓峰值基本一致。

2.2 直管右端完全封閉瓦斯爆燃火焰傳播實驗結果

T型分岔管道直管左端做弱封閉處理，右端完全封閉，瓦斯爆燃火焰傳播過程實景用攝像機進行了拍攝，由于實驗相機條件所限，直管右端封閉狀態火焰傳播過程中只選取了6幀圖片，如圖6所示。

圖6(a)所示為火焰傳播到分岔處時刻圖；由圖6(b)～6(d)可以看出在支管端點火后火焰向直管左側傳播速度較快，向直管右側傳播過程中火焰陣面由凸型變成了凹型并且強度減小；由圖6(e)～6(f)可以看出火焰接近封閉端時火焰強度突然變大，之后火焰逐漸消失。

2.2.1 直管右端完全封閉各截面的光電信號

圖7為分支管右端完全封閉狀態下T型分岔管內瓦斯爆燃火焰傳播過程光電信號曲線。

支管端點火后，管道壁面上的光電傳感器隨著火焰陣面的傳播依次起跳。直管最右端光電測點(距離分岔處600 mm)起跳的時間比直管最左端光電測點的起跳的時間晚了38 ms，而且直管右側距離分岔處200，400 mm處的光電信號曲線出現明顯的震蕩，如圖7(b)虛線標注所示，說明火焰經過分岔后向直管右端傳播過程中，火焰陣面出現了正向-反向不斷震蕩傳播。直管右側距離分岔處400 mm處的光電信號曲線在200 ms時出現了一個很陡的波峰，距離分岔處200 mm處的光電信號也在此時出現了一個明顯的波峰，曲線從波峰下降后直接趨于零，說明火焰傳播到直管最右端時燃燒忽然劇烈，出現了很明亮的光，然后火焰隨即熄滅，這與攝像機拍到的實際情況圖6(e)相吻合。

2.2.2 直管右端完全封閉火焰傳播速度與壓力

T型分岔管道內瓦斯爆燃火焰傳播過程中的速度曲線如圖8所示。T型分岔管道內瓦斯爆燃火焰陣面傳播過程各截面測點超壓曲線如圖9所示。

由圖8可知，火焰陣面在支管內傳播速度先增大后減小，火焰陣面經過分岔向直管左側傳播時速度急劇升高，這與實驗一火焰陣面傳播規律相同；火焰陣面在直管左側傳播過程中，速度呈現了先減小后增大的趨勢，在開口處速度達到最大為166.67 m/s，主要是由于直管左側屬于薄膜弱封閉狀態，火焰傳播到分岔處產生的高溫膨脹會使瓦斯氣體溢出，瓦斯濃度降低傳播速度減小，火焰在臨近出口時，壓力減小速度增大；火焰陣面經過分岔向直管右側傳播時，速度逐漸減小至4.84 m/s。

圖6 直管右端完全封閉火焰傳播實景拍攝Fig.6 Real photographs of flame propagation when right end of straight pipe was completely closed

圖7 直管右端完全封閉火焰陣面傳播光電信號曲線Fig.7 Photoelectric signals of flame front propagation when right end of straight pipe was completely closed

圖8 直管右端完全封閉火焰傳播各區間平均速度Fig.8 Average velocity of flame propagation in each section when right end of straight pipe was completely closed

圖9 直管右端完全封閉火焰傳播各截面超壓曲線Fig.9 Overpressure curves of flame propagation in each cross-section when right end of straight pipe was completely closed

由圖9可知，支管處截面測點、分岔處截面測點、直管左側截面測點的超壓曲線較為平滑；直管右側截面測點的超壓曲線如局部放大圖所示前期有小的波峰，大的波峰在上升和下降過程中超壓曲線出現輕微的震蕩，而且由峰值下降到負壓以后曲線出現明顯的波動。火焰陣面在傳播過程中支管處截面測點、分岔處截面測點、直管左側截面測點、直管右側截面測點的峰值超壓分別為0.064，0.057,0.043，0.187 MPa。可知，火焰陣面向直管左側傳播時峰值超壓逐漸減小，直管左端屬于薄膜弱封閉狀態，右側屬于完全封閉狀態，因此左側截面測點的超壓值較小，直管右側截面測點的超壓峰值最大。

3 不同封閉情況瓦斯爆燃火焰傳播實驗結果探討

通過2組實驗結果對比分析發現，火焰陣面在不同封閉狀態T型分岔管支管中的傳播規律是一致的，瓦斯爆燃后火焰陣面在支管中加速傳播，受T型管道直管與支管90°夾角的影響，火焰在傳播到臨近分岔處時會受到反射沖擊波的作用在接近分岔處時減小，由于火焰在分岔處充分燃燒產生的高溫氣體產物會加劇火焰湍流的程度使得火焰經分岔處向直管兩側分別傳播時速度再次快速增大。通過對比平均速度曲線，當直管右側保持弱封閉狀態時，火焰陣面在直管兩側傳播過程中的傳播特性基本一致，傳播速度最高都達到了88.29 m/s，且兩側截面超壓的變化趨勢一致；而當直管右端被完全封閉時，火焰經過分岔處后向直管左側傳播的速度最大值達到了166.7 m/s，而向右側傳播時速度則不斷減小至4.84 m/s，因為直管右端屬于完全封閉狀態，當火焰陣面的前驅壓力波傳播向直管右封閉端時，由于法蘭的阻擋導致局部壓力快速上升，并對空隙中的未燃氣體加熱和壓縮，進一步加劇了湍流[22]，進而對火焰陣面起反饋作用，從而產生了火焰震蕩的現象，導致傳播速度不斷減小。

煤礦井下T型分岔巷道較為常見，從相機拍攝的實物圖及光電信號曲線可以看出，火焰陣面不斷接近直管右端完全封閉壁面時，鋒前未燃氣體在高壓的作用下充分燃燒，火焰再次變大，然后火焰逐漸消失。因此，管道封閉狀態對瓦斯爆燃火焰陣面的傳播特性有明顯的影響，對井下T型分岔巷道內瓦斯爆燃火焰傳播規律及其抑制措施地研究具有一定參考價值。

4 結論

1)直管右端弱封閉，支管端點火后瓦斯爆燃火焰陣面傳播速度先增大后減小，經分岔處后加速向直管兩端傳播，最終分別達到86.29 m/s和88.07 m/s，傳播速度基本一致。

2)直管右端完全封閉時，支管中火焰傳播情況與弱封閉情況一致，但經分岔處向直管弱封閉端傳播速度增大至166.67 m/s，向完全封閉端傳播時不斷壓縮未燃氣體產生高壓反饋導致火焰振蕩傳播現象，速度不斷減小，測得的最小值僅為4.84 m/s。

3)瓦斯爆燃火焰傳播過程中產生的沖擊波造成超壓迅速上升到達峰值，當沖擊波通過后，受壓縮氣體膨脹和瓦斯爆燃產物的振蕩作用，超壓會迅速下降。

4)煤礦井下T型分岔巷道較為常見，其巷道封閉狀態對于井下T型分岔巷道內瓦斯爆燃火焰傳播規律及其抑制措施地研究具有一定參考價值。