障礙物對瓦斯煤塵爆炸火焰傳播規律的影響*

景國勛，吳昱樓，郭紹帥，邵泓源，劉 闖，張勝旗

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000； 2.安陽工學院，河南 安陽 455000)

0 引言

在煤礦生產發生的事故中，瓦斯和煤塵耦合爆炸是較嚴重的事故之一，并且井下開采大多數情況下瓦斯和煤塵是并存的，瓦斯和煤塵任一發生爆炸，會引發另一種的爆炸，煤塵和瓦斯共同參與爆炸，往往會造成更為嚴重的傷害和破壞。瓦斯和煤塵爆炸過程中產生的火焰會造成人員傷亡、設備損壞，甚至引發二次爆炸，具有極大的危險性。在實際礦井生產中，爆炸多發生于環境復雜的井下巷道中，爆炸區內往往存在大量障礙物，障礙物的存在會改變火焰的形狀，提升火焰的傳播速度，使爆炸的危險性提高。因此，研究置障管道內火焰的傳播規律對于預防瓦斯煤塵爆炸事故的發生及降低災害損失有著重要意義。

關于爆炸產生的火焰前人已進行了許多研究。LI等[1]研究了煤塵/空氣混合物的爆炸嚴重程度，火焰傳播特性，氣體和固體殘留物的特性及系統地分析了殘留物特征與爆炸嚴重程度之間的相關性；鄧浩鑫等[2]在有機玻璃管道中研究了瓦斯爆炸火焰在對稱障礙物阻隔下的傳播過程；余明高等[3]在小尺寸實驗平臺上研究了障礙物阻塞比和形狀對甲烷/氫氣爆炸特性的影響；韓蓉等[4]用數值模擬的方法研究了密閉空間內障礙物對瓦斯爆炸火焰傳播過程的影響；余明高等[5]研究了交錯障礙物對爆炸火焰的形狀、速度和壓力的影響；尉存娟等[6]研究了瓦斯爆炸火焰和壓力在不同間隔距離障礙物下的變化規律；陳鵬等[7]采用實驗和大渦模擬結合的方法研究了方孔障礙物對瓦斯/空氣爆炸產生的火焰形狀、傳播速度和火焰流場結構的影響；張莉聰、魏嘉等[8-9]使用數值模擬的方法研究了障礙物對瓦斯與煤塵混合物爆炸超壓和火焰溫度上升速率的影響；趙丹等[10]從不同形狀的障礙物等角度分析了瓦斯爆炸沖擊波、火焰傳播速度的影響規律；林柏泉等[11]實驗研究了瓦斯爆炸火焰在障礙物作用下的傳播規律及障礙物對火焰的加速機理；余明高等[12]實驗研究了障礙物條件下不同濃度的氫氣對甲烷燃燒火焰傳播規律的影響，研究表明，障礙物對火焰的形狀和速度有較大影響；何學秋等[13]采用實驗和數值模擬結合的方法研究了障礙物作用下火焰的結構及加速機理；楊春麗等[14]采用數值模擬的手段研究了障礙物的個數和阻塞比對瓦斯爆炸火焰、壓力和溫度產生的影響；丁以斌等[15]在自行設計的火焰加速試驗系統中研究了不同立體結構障礙物對甲烷預混火焰傳播影響。

從前人的研究可以看出，障礙物的參與對瓦斯和煤塵爆炸的影響顯著，但以往的研究多側重于單獨的瓦斯爆炸和其他可燃性氣體爆炸，多是在密閉空間內實驗和數值模擬，對半封閉空間內障礙物對瓦斯和煤塵耦合爆炸產生的火焰傳播規律的影響研究較少。本文在自行搭建的有障礙物的半封閉垂直管道內進行了瓦斯和煤塵耦合爆炸火焰傳播規律的試驗，分析障礙物對爆炸火焰傳播規律的影響，為深入了解障礙物對火焰傳播規律的影響機理提供依據。

1 實驗裝置與測試系統

1.1 實驗裝置

實驗系統由爆炸腔體、傳播管道、配氣系統、揚塵系統、點火系統、數據采集系統、高速攝像圖像采集系統等構成。爆炸腔體為120 mm×120 mm×500 mm的透明有機玻璃管道，實驗時，考慮到約束端面對火焰傳播的影響[16]，傳播管道上端開口，為120 mm×120 mm×1 000 mm的透明有機玻璃管道，耐壓強度為2 MPa，爆炸腔體與傳播管道連接處選用PVC薄膜進行密封；配氣系統由甲烷、空氣氣瓶組成，分別通過安裝在輸氣管路上的2個Alicat流量計來調整氣體流速；揚塵系統位于爆炸腔體的底部，由高壓儲氣瓶、錐形噴嘴和一碗狀儲塵器組成；點火系統由高熱能點火器、點火電極組成，點火電壓為6 kV；數據采集系統由USB-1608FS數據采集卡和計算機中的數據采集軟件組成；高速攝像圖像采集系統由High Speed Star 4G高速攝像機、控制器和高速計算機組成，高速攝像機的拍攝速度可以達到2 000幀/s。實驗裝置如圖1所示。

圖1 爆炸實驗系統示意Fig.1 Schematic diagram of explosion test system

實驗中采用同步控制器來控制時間，可以實現對揚塵系統、點火系統、數據采集系統、圖像采集系統的精確時間控制。為保證噴塵后煤塵在爆炸腔體內均勻分布，噴塵后300 ms點火；為確保實驗時能拍攝火焰傳播的完整過程，將數據采集系統和圖像采集系統的啟動時間設置在點火前10 ms。

為了研究障礙物對瓦斯煤塵爆炸火焰傳播規律的影響，在傳播管道內安裝一個40 mm×40 mm×60 mm的障礙物。障礙物安裝位置如圖1所示，障礙物距離點火裝置600 mm。

配氣方式采用2個質量流量計分別控制瓦斯和空氣的流量，將不同濃度瓦斯/空氣預混氣體由管道底部進氣口通入至上端排氣口排出的定壓配氣法。為排盡管內空氣，使預混氣體混合均勻，實驗中通入不少于管道4倍容積的預混氣[17-18]，通氣時間不少于6 min。通氣結束后，同時關閉進氣閥和排氣閥；噴粉方式采用高壓瓦斯/空氣預混氣攜帶煤塵，使其均勻分布于管道中。實驗前，將煤塵預先平鋪于儲粉器中，利用正對儲粉器的噴頭，將煤塵快速揚起充滿整個管道。實驗時，利用同步控制器控制噴粉和啟動點火，觸發高速攝像機，爆炸結束后清洗與干燥實驗管道，進行下一次實驗。

1.2 實驗條件

實驗中所使用煤塵粒徑為48～75 μm，在60 ℃烘箱中烘干24 h以上，煤塵指標見表1。

表1 煤塵各組分的質量分數Table 1 Mass fraction of coal dust components %

本文主要研究的是半封閉垂直管道內障礙物對瓦斯煤塵耦合爆炸產生的火焰傳播規律的影響，試驗環境溫度為17～20 ℃。為保證噴粉時薄膜破裂的同時煤塵在爆炸管道中均勻分布，實驗前經過多次試驗，確定噴粉壓力為0.3 MPa。

2 實驗結果與分析

2.1 火焰面移動軌跡

圖2給出了濃度為9%的瓦斯和濃度為50 g/m3煤塵混合爆炸的火焰面在無障礙物和有障礙物管道內隨時間的變化情況。

圖2 火焰面移動軌跡Fig.2 Movement track of flame front

由圖2中火焰面的位置可以看出，在到達傳播管道出口位置時，有障礙物的實驗組所用時間為47 ms左右，無障礙物的實驗組所用時間為60 ms左右，火焰到達管道末端的時間大大提前，這是因為障礙物的存在提高了火焰傳播過程中的湍流程度，爆炸產生的火焰傳播速度隨著湍流程度的增大而加快，使爆炸的放熱速率增大，提高了反應速度。

2.2 障礙物對瓦斯煤塵爆炸火焰傳播速度的影響

根據高速攝像機拍攝的火焰傳播圖片，量取不同時刻的火焰長度，傳播速度即為相鄰火焰鋒面位置的距離差與時間差的比值，能夠簡單準確地計算火焰傳播速度。

為保證實驗結果的準確性，每組工況進行3次以上的實驗，選取實驗效果較優的3組。表2為障礙物對濃度為9%的瓦斯和濃度為50 g/m3的煤塵耦合爆炸實驗組的火焰傳播速度的影響，火焰速度為火焰出現時到火焰傳至傳播管道出口這段距離的火焰傳播速度。

根據表2中的數據繪制障礙物對瓦斯煤塵耦合爆炸火焰傳播速度的圖像，如圖3所示，圖中各數據點均為3次實驗結果的平均值。

表2 火焰傳播速度Table 2 Flame propagation speed m/s

圖3 障礙物對瓦斯煤塵爆炸火焰傳播速度的影響Fig.3 Influence of obstacle on flame propagation speed of gas and coal dust explosion

瓦斯煤塵耦合爆炸主要有2個過程，即點火階段與傳播階段。在點火階段，爆炸產生的火焰以較慢的速度沿管道向開口端傳播，并產生前驅爆炸壓力波。前驅壓力波作用于火焰陣面前方未燃的瓦斯煤塵混合物，使混合物溫度升髙，加快燃燒速度的進行。燃燒速度的加快，又會進一步推動前驅壓力波，使反應進一步進行。同時，混合物快速反應產生的氣流又會反向阻止混合物的反應速度。所以火焰傳播過程中，火焰加速度會出現波動。如圖3中，有障礙物的火焰在距離點火端600～1 200 mm位置處加速度先增大后減小，這是因為火焰產生的反向氣流對火焰傳播的抑制作用；在火焰傳播到上端管口附近火焰的加速度增大，這是因為在管口附近火焰產生的反向氣流隨火焰的傳播排出管外，對火焰的抑制作用減小。

由圖3可知：在爆炸初期，在火焰未傳播到障礙物所在位置時，火焰傳播幾乎不受障礙物的影響，速度變化曲線基本保持重合且傳播速度較為緩慢，在距離點火端600 mm的位置處，無障礙物的實驗組火焰傳播速度為51.6 m/s左右，有障礙物的實驗組火焰傳播速度為52.2 m/s左右，火焰速度相近，管道內火焰呈層流燃燒狀態；穿過障礙物后，在距離點火端900 mm的位置處，無障礙物的實驗組火焰傳播速度為84.7 m/s左右，有障礙物的實驗組火焰傳播速度為117.4 m/s左右，有障礙物實驗組的火焰傳播速度增大了38.6%。這是因為瓦斯發生爆炸時，火焰的傳播會推動未參與反應的瓦斯和煤塵向前運動，障礙物會影響氣體的流動，流場發生變形，氣體流速增大會加快反應的速度；當火焰通過障礙物時，火焰的傳播路徑發生變化，火焰的表面會被拉伸并出現褶皺，增加火焰與未燃瓦斯氣體的接觸面積，使更多的氣體參與反應，進而使放熱速率增加，火焰傳播速度也隨之迅速上升。在傳播管道末端，有障礙物的實驗組火焰速度為274.1 m/s左右，無障礙物的實驗組火焰傳播速度為227.8 m/s左右，有障礙物的實驗組火焰傳播速度比無障礙物的實驗組火焰傳播速度高20.3%，造成這種現象的原因是火焰在通過障礙物后，傳播速度和放熱速率都大大增加，火焰推動未反應瓦斯和煤塵的速度加快，增加了火焰與未燃氣體的反應速率，火焰速度迅速上升。

2.3 障礙物和煤塵對瓦斯爆炸火焰傳播速度的影響

圖4給出了濃度為9%的瓦斯-有障礙物的爆炸實驗組和濃度為9%的瓦斯+濃度為50 g/m3的煤塵在無障礙物情況下耦合爆炸實驗組的火焰傳播速度圖像。

圖4 障礙物和煤塵對瓦斯爆炸火焰傳播速度的影響Fig.4 Influence of obstacle and coal dust on flame propagation speed of gas explosion

由圖4可知：2個實驗組的火焰傳播速度曲線基本重合。在距離點火端900 mm的位置處，瓦斯-有障礙物的實驗組火焰傳播速度為97.4 m/s左右，瓦斯+煤塵-無障礙物的實驗組火焰傳播速度為84.7 m/s左右，瓦斯-有障礙物的實驗組火焰傳播速度略高于瓦斯+煤塵-無障礙物的實驗組火焰傳播速度；在距離點火端1 500 mm的位置處，瓦斯-有障礙物的實驗組火焰傳播速度為219.8 m/s左右，瓦斯+煤塵-無障礙物的實驗組火焰傳播速度為227.8 m/s左右，瓦斯+煤塵-無障礙物的實驗組火焰傳播速度超過瓦斯-有障礙物的實驗組火焰傳播速度。通過對比可以發現，本次實驗條件下，在障礙物附近，障礙物對瓦斯爆炸的影響比煤塵對瓦斯爆炸的影響大，在離障礙物較遠的位置處，有煤塵參與爆炸的實驗組反應速率較快，這是因為煤塵的參與相當于增加了燃燒物的量，相同反應速率的情況下，有煤塵參與反應的爆炸組燃燒時間更長，傳播距離更遠。

2.4 障礙物條件下瓦斯煤塵爆炸火焰傳播過程

圖5和圖6分別顯示了爆炸火焰在有障礙物和無障礙物管道中傳播至障礙物位置時的火焰傳播狀態圖，選用的是瓦斯濃度為9%、煤塵濃度為50 g/m3實驗組的火焰傳播圖像。

圖5 無障礙物時火焰傳播圖像Fig.5 Flame propagation image without obstacle

圖6 火焰通過障礙物時的圖像Fig.6 Image of flame when passing through obstacle

通過對比圖5和圖6的火焰傳播圖像可以發現，無障礙物的實驗組的火焰鋒面呈較為光滑的橢圓形狀，有清晰的輪廓結構且面積較小，瓦斯煤塵混合物與空氣的接觸量較少，燃燒反應較為溫和，火焰傳播速度較低；此時，瓦斯煤塵爆炸產生的火焰和氣體的膨脹推動氣流向上流動，傳播管道內的火焰呈層流燃燒狀態。

有障礙物的實驗組在火焰到達障礙物前，火焰鋒面較為平滑，穿越障礙物時，火焰鋒面開始出現褶皺并被拉長，火焰鋒面不斷扭曲變為不規則的形狀；穿越障礙物后，火焰鋒面逐漸變為較為規則的橢圓形。造成這一現象的原因是在火焰到達障礙物前，未參與反應的瓦斯煤塵混合物在障礙物的阻隔作用下前進路徑發生變化，流場發生變形，在障礙物前后形成一個伴隨繞流場。當火焰到達障礙物時，由于障礙物和伴隨繞流場的共同作用，火焰傳播由層流向湍流轉變，火焰鋒面被迅速拉伸并發生褶皺，這種形狀的改變和伴隨繞流場的產生使火焰的燃燒面積及瓦斯煤塵混合物與空氣的接觸面積變大，大量未燃燒瓦斯煤塵混合物與高溫燃燒的混合物發生反應，從而使反應速度大大增加，放熱速率快速增加，火焰傳播速度迅速上升；火焰速度的加快會進一步提高湍流程度，進而提高瓦斯煤塵混合物的移動速度，導致火焰鋒面發生更強的褶皺，形成氣體流動與火焰燃燒傳播之間的正反饋，這種正反饋結果使火焰在障礙物附近的速度迅速上升。火焰在通過障礙物后，由于已燃氣體混合物的膨脹作用和氣體壓力的壓縮作用，火焰迅速填滿管道右側的空隙，火焰鋒面的形狀逐漸恢復到較為規則的橢圓形狀。

3 結論

1)障礙物對瓦斯煤塵爆炸火焰的傳播速度具有重要的影響，能顯著的縮短爆炸火焰到達特定位置的時間。

2)火焰在傳播過程中的加速度并不是穩定的，隨著火焰傳播速度的加快，加速度的大小會出現波動。

3)瓦斯加入煤塵后，耦合爆炸較于瓦斯爆炸的火焰傳播速度顯著提高，火焰速度的最大值距離點火端較遠。

4)火焰在通過障礙物前后時，火焰的形狀和速度都會發生較大的改變，且在障礙物附近，障礙物對瓦斯爆炸的影響比煤塵對瓦斯爆炸的影響大。