受限空間內(nèi)障礙物數(shù)量對瓦斯爆炸激勵(lì)作用實(shí)驗(yàn)研究

姚禮琳,王學(xué)強(qiáng),席國軍,徐景德,周振興

(1. 華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院,北京 東燕郊 065201;2. 陜西煤業(yè)股份有限公司,陜西 西安 710000;3. 陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司,陜西 咸陽 712000;4.華北科技學(xué)院 高等教育研究所,北京 東燕郊 065201)

0 引言

瓦斯爆炸是礦井常見的惡性事故之一,其事故破壞性大,一直都是研究的熱點(diǎn)問題。煤礦井巷發(fā)生瓦斯爆炸時(shí),膠帶機(jī)、礦車、液壓支護(hù)等機(jī)械設(shè)備都是障礙物,將致使巷道內(nèi)湍流度急劇上升,激勵(lì)火焰陣面快速傳播并顯著增強(qiáng)爆炸沖擊波超壓。深入分析障礙物的激勵(lì)效應(yīng),有助于瓦斯爆炸事故機(jī)理調(diào)查研究。

國內(nèi)外學(xué)者對障礙物促爆機(jī)理與障礙物形狀、數(shù)量、間距與擺放方式開展了大量研究。針對促爆機(jī)理的研究中,A.M. Na'inna等[1]認(rèn)為:未燃?xì)怏w平動(dòng)造成障礙物附近湍流度上升,燃燒波抵達(dá)該區(qū)域時(shí),湍流能加速燃燒波陣面運(yùn)動(dòng)。Zhang等[2]研究發(fā)現(xiàn),孔板形障礙物能明顯加速管內(nèi)火焰陣面的運(yùn)動(dòng)。景國勛等[3]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),矩形板狀障礙物對可燃?xì)怏w爆炸超壓影響最大。羅振敏等[4]使用FLACS軟件模擬受限空間內(nèi)瓦斯爆炸,發(fā)現(xiàn)圓柱形障礙物的存在導(dǎo)致管道末端爆炸超壓出現(xiàn)大幅上升,爆炸反應(yīng)時(shí)間明顯縮短。Masri等[5]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)截面為圓形的障礙物對火焰加速作用最小。趙永鑫等[6]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),單個(gè)圓柱形障礙物后方區(qū)域存在壓力波動(dòng);比例距離增大,壓力波動(dòng)幅度隨之下降。林伯泉等[7]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)障礙物數(shù)量的增加能迅速提升火焰?zhèn)鞑ニ俣?顯著減慢火焰速度衰減。Hall等[8]研究了障礙物數(shù)量對湍流預(yù)混火焰的影響,發(fā)現(xiàn)障礙物數(shù)量的增加會(huì)加劇火焰鋒面扭曲形變。Dong等[9]發(fā)現(xiàn)增加障礙物數(shù)量,能大幅提升爆炸超壓峰值。尉存娟等[10]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),管道內(nèi)放置不同數(shù)量的環(huán)形障礙物時(shí),爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c爆炸壓力隨障礙物數(shù)量增加先增后減。宋曉婷等[11]發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)多個(gè)豎放柱狀障礙物時(shí),火焰陣面拉伸程度最為嚴(yán)重。陳道陽等[12]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣入S障礙物間距的增加,先增大后減小。管道內(nèi)障礙物擺放方式能直接影響火焰經(jīng)過障礙物表面面積,其中圓柱形障礙物豎放時(shí)火焰經(jīng)過障礙物表面面積最大,對火焰?zhèn)鞑ニ俣萚13]的提升最為顯著。

實(shí)際生產(chǎn)中,煤礦井巷內(nèi)液壓支護(hù)往往隊(duì)列式密集分布。然而現(xiàn)有研究側(cè)重于3～ 5個(gè)障礙物隊(duì)列式分布,針對管道內(nèi)4～8個(gè)柱狀障礙物對瓦斯爆炸激勵(lì)作用實(shí)驗(yàn)研究較少。沖擊波遇到單個(gè)圓柱形障礙物后,會(huì)發(fā)生繞射,并在后方形成渦旋;障礙物數(shù)量的增加,導(dǎo)致流場內(nèi)湍流分布復(fù)雜,障礙物對瓦斯爆炸激勵(lì)作用規(guī)律進(jìn)一步復(fù)雜。因此,本文采用阻塞率為16.74%的圓柱形障礙物,探究4～8個(gè)障礙物對瓦斯爆炸激勵(lì)作用的影響。

1 圓柱形障礙物激勵(lì)效應(yīng)的機(jī)理分析

圖1為圓柱形障礙物對沖擊波傳播影響示意圖,管道壁面約束作用導(dǎo)致沖擊波發(fā)生規(guī)則反射與非規(guī)則反射[14],逐漸形成均勻的類平面波不斷向前傳播。管道中沖擊波一接觸到障礙物,隨即發(fā)生壁面反射。沖擊波沿障礙物兩側(cè)繞行過程中與障礙物迎波面接觸逐漸增多,隨之產(chǎn)生一道向外擴(kuò)張的、彎曲的反射波。當(dāng)沖擊波經(jīng)過圓柱形障礙物前半部分后,障礙物后方形成沖擊波繞射并驅(qū)動(dòng)未燃?xì)怏w形成渦旋。

圖1 圓柱形障礙物對沖擊波影響示意圖

密閉管道內(nèi),正激波與反射激波平動(dòng)驅(qū)動(dòng)未燃?xì)怏w在管道內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng),致使障礙物迎火焰面方向與火焰?zhèn)鞑シ较蚓袦u旋存在。工況2原始紋影圖像如圖2所示,障礙物附近存在渦旋,誘導(dǎo)火焰鋒面開始發(fā)生形變失穩(wěn),如圖2(b)所示。當(dāng)越過障礙物后,火焰鋒面快速湍流化;其燃燒釋熱速率迅速提升并加速向前運(yùn)動(dòng),如圖2(c)所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)瓦斯爆炸“兩波三區(qū)”理論,火焰陣面經(jīng)多個(gè)障礙物加速后,將誘導(dǎo)更強(qiáng)的沖擊波產(chǎn)生,極大加強(qiáng)瓦斯爆炸事故的嚴(yán)重性。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

基于瓦斯爆炸尺寸效應(yīng)[15]與實(shí)際巷道斷面尺寸與類型,選用六段方形中尺度激波管作為爆炸容器,末端使用盲板密封,如圖(3)所示;激波管截面尺寸為200mm×200mm,爆炸容器總長度為17.05m。管道最左端為圓形截面的點(diǎn)火段 (長750mm、內(nèi)徑150mm)。點(diǎn)火電極位于點(diǎn)火段最左端壁面中心位置,電極間隙為2mm。點(diǎn)火器為自主研制,同步裝置觸發(fā)時(shí)輸入TTL 電平,產(chǎn)生高壓火花,引燃激波管內(nèi)預(yù)混氣體。

使用東華公司DH8302數(shù)采系統(tǒng)采集并分析壓力、火焰信號(hào)。壓力傳感器為美國PCB 公司ICP 壓電傳感器(型號(hào)為111A22),諧振頻率f≥500KHz,上升時(shí)間t≤1μs,靈敏度為0.145mV/kPa,滿足本實(shí)驗(yàn)壓力數(shù)據(jù)采集要求。光電二極管(型號(hào)為GT-101)為火焰?zhèn)鞲衅髦黧w,完成火焰光電信號(hào)轉(zhuǎn)換工作;由 AD卡記錄分壓電路中的電信號(hào),信號(hào)初始上升時(shí)刻與信號(hào)強(qiáng)度表征火焰抵達(dá)時(shí)刻與火焰強(qiáng)度。紋影系統(tǒng)光路為Z 字型,使用雙凹球反射鏡 (直徑260mm、焦距2.6m)在觀察視窗附近對稱排布;紋影系統(tǒng)光源使用綠激光模塊 (激光強(qiáng)度5W,波長532nm),高速相機(jī)選用加拿大MegaSpeed 公司相機(jī)(型號(hào)Ms70k),采樣頻率為5000Hz,可獲得清晰的激波、火焰紋影圖像,同步串聯(lián)系統(tǒng)協(xié)調(diào)所有系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行。

2.2 工況設(shè)置

為研究圓柱形障礙物激勵(lì)作用,在管道中部玻璃視窗處使用阻塞率為16.74%的鋼制實(shí)心圓柱體(直徑40.34mm、高166mm)豎放于管道底部。本實(shí)驗(yàn)共計(jì)3 種工況。工況1 全管道充入9.5%體積分?jǐn)?shù)的甲烷-空氣預(yù)混氣(當(dāng)量比取1)點(diǎn)火能量為225mJ。如圖4所示,置壓力、火焰?zhèn)鞲衅饔诠艿理敳颗c側(cè)面2m、4.5m、7.3m、8.75m、9.35m、10.8m、13.3m、15.8m 處設(shè)。使用高速相機(jī)在觀察窗處拍攝爆炸流場圖像。表1為試驗(yàn)工況,以工況1為基礎(chǔ),工況2 、工況3及工況4分別在P 4與P 6測點(diǎn)間,間隔20cm設(shè)置4、6、8 個(gè)障礙物,模擬井下封閉空間內(nèi)液壓支護(hù)存在時(shí)發(fā)生的瓦斯爆炸。每個(gè)工況重復(fù)實(shí)驗(yàn)三次,確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

表1 試驗(yàn)工況

圖4 工況示意圖

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

依據(jù)Dalton分壓定律配制體積分?jǐn)?shù)為9.5% 甲烷空氣預(yù)混氣體,在預(yù)混氣體罐內(nèi)依次充入甲烷、空氣,充分靜置8～12h。斷開中部視窗與其后方激波管,在P 4與P 6測點(diǎn)間依次安裝柱狀障礙物,密封管道并檢查氣密性。真空泵將全管道抽真空后,充入預(yù)混氣體直至管內(nèi)氣壓恢復(fù)至101.325kPa。設(shè)定點(diǎn)火器的實(shí)驗(yàn)放電電壓為15kV,使用同步系統(tǒng)控制同時(shí)觸發(fā)采集、測試系統(tǒng)與高速相機(jī),實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火及數(shù)據(jù)采集。

3 壓力、火焰?zhèn)鞲衅餍盘?hào)分析

圖5為工況1未加入障礙物時(shí)P4測點(diǎn)超壓圖像。密閉管道內(nèi),尾端盲板反射作用使正激波與反射激波相互作用,爆炸超壓持續(xù)震蕩。由圖5 可得,a為瓦斯爆炸初始階段弱擾動(dòng),b為前驅(qū)激波。爆炸初始階段,燃燒波產(chǎn)生多道擾動(dòng),提升前方未燃?xì)怏w溫度,致使后續(xù)擾動(dòng)傳播速度不斷提升。多道擾動(dòng)在管道內(nèi)相互追趕,最終合并為一道前驅(qū)激波b。隨后經(jīng)尾端盲板反射作用,產(chǎn)生首道反射激波d。

激波管道為方形,而點(diǎn)火段管道截面為圓形,二者管道截面差異導(dǎo)致波系進(jìn)一步復(fù)雜。點(diǎn)火段壁面反射的激波經(jīng)過截面突變區(qū)域后形成類環(huán)形激波,遠(yuǎn)離點(diǎn)火段運(yùn)動(dòng);同時(shí)反射一道圓面激波,向點(diǎn)火段壁面逼近。隨后激波聚焦使類環(huán)形激波重新發(fā)展為一個(gè)平面,由于管壁的約束作用,致使圓面激波重新生成一個(gè)新的平面。因此,截面突變區(qū)域的存在導(dǎo)致一道激波陣面演變?yōu)閮傻兰げ嚸妗?/p>

已燃?xì)怏w與未燃?xì)怏w存在密度差,激波穿過火焰后進(jìn)一步加劇波系紊亂程度。因?yàn)橐讶細(xì)怏w密度低,未燃?xì)怏w密度高,火焰鋒面在激波由已燃?xì)怏w穿過進(jìn)入未燃?xì)怏w后,其后方生成透射波與反射波,這兩道波本質(zhì)都為激波[16]。反射波繼續(xù)向點(diǎn)火段前進(jìn),隨后經(jīng)截面突變區(qū)域再次與火焰鋒面作用,致使爆炸流場波系進(jìn)一步復(fù)雜,因此爆炸超壓曲線由“突躍-緩降”轉(zhuǎn)變?yōu)椤捌鸱欢ā薄?/p>

觀察圖6各工況前驅(qū)激波超壓曲線圖可得,管道中無障礙物時(shí),前驅(qū)激波超壓先沿程緩慢上升,后平穩(wěn)傳播,在管道末端迅速下降。加入障礙物后,各測點(diǎn)超壓均有明顯上升。障礙物數(shù)量為0～6個(gè)時(shí),各測點(diǎn)前驅(qū)激波超壓隨障礙物數(shù)量增加而增大。與激波管空載時(shí)超壓演變不同,前驅(qū)激波在障礙物附近測點(diǎn)超壓急劇上升,隨后繼續(xù)升高至超壓峰值。激波越過障礙物時(shí)發(fā)生繞射,其部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力勢能,進(jìn)而引起障礙物附近測點(diǎn)壓力快速升高。但障礙物數(shù)量繼續(xù)增加至8個(gè)時(shí),各測點(diǎn)前驅(qū)激波超壓演變趨勢與工況2、工況3大致相同,但超壓數(shù)值明顯降低。由此可知,本實(shí)驗(yàn)條件下前驅(qū)激波超壓隨障礙物數(shù)量先增加后降低,同時(shí)工況2、工況3、工況4前驅(qū)激波引起的超壓峰值出現(xiàn)在P 7測點(diǎn)。

圖6 各工況前驅(qū)激波超壓

圖7為各工況火焰速度圖,V1為F1-F2測點(diǎn)間平均速度、V2為F2-F3測點(diǎn)間平均速度以此類推。觀察圖7可知各工況爆炸火焰速度曲線均呈雙峰狀;F 4與F 5測點(diǎn)間距為0.6m,其余測點(diǎn)間距均為2.5m。各工況中F 4與F 5測點(diǎn)間的平均速度V5均遠(yuǎn)小于各工況的速度峰值,表明本實(shí)驗(yàn)條件下較短距離設(shè)置測點(diǎn)可穩(wěn)定獲得管道內(nèi)火焰速度震蕩現(xiàn)象。激波管空載時(shí),爆炸火焰在管道中部速度略有增加后逐漸回落至0,速度峰值為25m/s。當(dāng)障礙物為4個(gè)時(shí),火焰逼近首個(gè)障礙物過程中速度下降,在經(jīng)過障礙物擾動(dòng)區(qū)域后速度達(dá)到峰值45.312m/s。管道內(nèi)置障數(shù)量為6個(gè)時(shí),障礙物前方與后方流場擾動(dòng)程度達(dá)到最大,雙峰狀結(jié)構(gòu)最為顯著,速度峰值為145m/s。隨著置障數(shù)量的進(jìn)一步增加,管道內(nèi)爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著下降,速度峰值為55.769m/s。爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S障礙物數(shù)量先增加后減小,速度峰值區(qū)間緊鄰障礙物設(shè)置區(qū)域,因此在實(shí)際巷道中需要加強(qiáng)障礙物密集分布區(qū)域的阻燃抑爆措施。

圖7 各工況火焰速度圖

圖8為各工況測點(diǎn)最大超壓圖,各工況測點(diǎn)最大超壓峰值出現(xiàn)在P 7測點(diǎn),分別為96.297kPa、135.517kPa、182.157kPa、119.056kPa,隨著障礙物數(shù)量的增加,最大超壓峰值先升高后明顯降低。火焰速度包含火焰運(yùn)動(dòng)速度與燃燒速率,火焰速度的增加表明管道內(nèi)火焰陣面燃燒釋熱速率不斷加強(qiáng),誘導(dǎo)更強(qiáng)的沖擊波在管道中相互作用,致使各測點(diǎn)最大超壓不斷升高。與前驅(qū)激波相同,工況2、工況3、工況4測點(diǎn)最大超壓峰值出現(xiàn)在P 7 測點(diǎn),該測點(diǎn)距障礙物放置區(qū)域存在一段距離,因此礦井隔爆水袋可在采區(qū)間巷道[17]支護(hù)后方一段距離內(nèi)布置。

圖8 各工況測點(diǎn)最大超壓

4 結(jié)論

(1) 密閉管道內(nèi),火焰速度具有震蕩傳播特征,本實(shí)驗(yàn)工況下,較短距離設(shè)置相鄰火焰?zhèn)鞲衅髂芊€(wěn)定獲取火焰速度震蕩情況。

(2) 障礙物對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊募?lì)效應(yīng)隨障礙物數(shù)量的增加呈非線性關(guān)系,火焰速度峰值先增大后減小。

(3) 前驅(qū)激波超壓峰值與測點(diǎn)最大超壓峰值也隨障礙物數(shù)量的增加先增大后減小,且二者峰值出現(xiàn)位置相同,都與障礙物設(shè)置區(qū)域存在一定間距,因此礦井巷道設(shè)置隔爆裝置可與障礙物保持一定距離。

(4) 在實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)加強(qiáng)障礙物密集分布區(qū)域的阻燃抑爆措施,縮小瓦斯爆炸波及范圍,減少井下操作人員傷亡;通過瓦斯爆炸對巷道毀傷情況,可判別火源位置及障礙物參與情況。