矿井瓦斯爆炸传播的尺寸效应与研究.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 矿井瓦斯爆炸传播的尺寸效应研究 徐景德 副教授 周心权 教授 吴 兵 副教授 中国矿业大学北京校区 【摘 要】 基于瓦斯爆炸传播过程的理论分析,确定了表征瓦斯爆炸传播过程的主要物理参数; 通过在两条巷道中进行了瓦斯爆炸传播的对比实验,指出了瓦斯爆炸传播过程的尺寸效应存在的原 因。笔者认为因为巷道支护设备使巷道有效面积的减少和壁面粗糙度的变化,尺寸效应使大断面巷 道在可比条件下,发生瓦斯爆炸时,爆炸波的火焰、 压力、 冲量等在更大范围内形成破坏和伤害。 【关键词】 尺寸效应 爆炸冲击波 燃烧 超压 冲量 本论文研究内容属于国家自然科学基金项目编号59874030 Study on the Size Effect in the Propagation of Gas Explosion in Mine Pit Xu Jingde,Assoc. Prof. Zhou Xinquan,Prof. Wu Bin,Assoc. Prof. China University of Technology E2瓦斯气体浓度为8.5 ,瓦斯区长度为8.23 m。在 距封闭端0.15 m处,用电子点火器点燃瓦斯。 为比较E1、E2瓦斯爆炸传播中冲击波的变化,分 别将E1、E2巷道中从封闭端处开始每隔15. 2 m的压 力随时间变化绘在同一坐标系内图3 ,图中纵坐标 各点压力是当爆炸火焰传播到该点时的压力。 图3实验结果反映了如下事实 1 E1、E2中爆炸冲击波传播方式与管道中传 播遵循相同的物理机制。一个强压缩波以超音速的 速度向远离点火源方向即巷道开口方向传播,而一 段时间间隔以后,一个气体膨胀波以音速靠近火源 方向传播。E1、E2的压缩波波峰压力都在起始60 m 距离内没有明显下降。 2 E1、E2的爆炸冲击波传播又呈现一定差异 , E1的波峰压力在距离封闭端60 m处,开始明显下降, 而E2并未出现明显变化,这表明在同样条件下,大断 面巷道中,瓦斯爆炸冲击波以较高压力传播较长距 离。E1平均绝对压力高于E2,但是E2的冲击波平均 传播速度高于E1。其主要原因是E1断面较小,瓦斯 燃烧产生的热量使其压力大于E2,但是瓦斯爆炸传 播过程中,在忽略摩擦损耗的前提下,遵循动量守衡 73第六期 徐景德等矿井瓦斯爆炸传播的尺寸效应研究 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 定律,因此,E1冲击波平均传播速度大于E2。 3两条巷道中气体膨胀波的速度相同,而距 离点火端越远,膨胀波负压值越小,在距封闭端183 m处,膨胀波的负压值已变得很小,波形也变成两部 分,已呈现明显的振荡现象,但从图中可看出,E2比 E1的膨胀波延续的距离要长。由压缩波和膨胀波 的变化可看出,大断面巷道中瓦斯爆炸传播距离明 显长于小断面巷道,而两者并不遵循一般流体力学 的相似律。 412 E1、E2火焰速度变化比较分析 从封闭端开始,在巷道E1、E2分别设置4.57 m、 8.23 m长的瓦斯区,分别测定E1、E2巷道15 m、30 m 处的火焰速度随时间、 空间变化特征图 4 。 图2 实验巷道形状、 尺寸及测点布置示意图 图3 E1、E2巷道相关测点爆炸波压力 时间变化曲线 83 中国安全科学学报 ChinaSafetyScienceJournal 第11卷 2001年 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图4 E1、E2巷道爆炸火焰速度 距离、 速度 时间变化曲线 图4显示两个火焰速度变化的4个特点。 1无论时间和空间,火焰速度都呈逐渐上升趋 势,说明瓦斯区,瓦斯爆炸的传播呈急速上升趋势。 2将E1瓦斯浓度8. 5 时,与E2瓦斯浓度 9. 9 的速度随时间与空间变化进行对照比较发现, 在起始15 m内,任一点上E1的速度绝对值都远大 于E2;而从时间上,在点火后0. 4 s内E1速度小于E2, 这表明由于木柱在E1巷道内形成的障碍面积所占比 例高于E2,障碍物一方面使巷道断面积缩小,另一方 面,增大了巷道壁面的粗糙度,这两个因素促进了较 大的紊流激励效应的产生。 413 E1、E2冲量变化比较分析 压力冲量是力在时间上的累积,是衡量爆炸效果 的一个重要参数。瓦斯爆炸冲击波的力学效应一方 面取决于爆炸压力的超压值的大小,另一方面取决于 压力持续时间,因此,分析不同巷道中瓦斯爆炸冲击 波冲量沿传播方向上的分布特征,对事故防治与调查 等具有实际意义。 在E1巷道中分别采用8. 5 、7. 0 浓度的瓦 斯,瓦斯区长度为4. 57 m ,在E2中分别采用7. 6 、 6. 8 浓度的瓦斯,瓦斯区长度为8. 23 m ,4种情况 都在巷道的封闭端点火,测得冲量沿传播方向变化 如图5所示。 图5显示了如下事实 1 E1与E2的冲量在离封闭端附近冲量下降 较快,而距离点火点一段距离后,冲量沿传播方向下 降速度变缓。 2分别将E1的8. 5 、7. 0 与E2的7. 6 、 6. 8 的爆炸冲量沿传播方向变化特征进行比较分 析,可以发现E1的冲量沿传播方向下降速度大于 E2,这表明在可比条件下,大断面巷道的压力要传播 很长一段距离,才能达到安全值。 E1、E2冲量变化特征可以从沿传播方向上各点 爆炸冲击波压力随时间变化特征进行解释。在距离 点火点较近处,爆炸冲击波处于瓦斯燃烧区,虽然前 驱冲击波的压力峰值较大,但是峰值持续时间短,当 冲击波经过以后,其压力很快下降,因此,作为压力 在时间上的积累的冲量值呈现快速下降趋势。 当燃烧过程结束,燃烧波消失,爆炸波演变为单 纯空气冲击波,由于大断面巷道中,用以支护的木柱 所占断面较小,相对而言壁面粗糙度低,因此,同比 条件下能量损失E2小于E1,所以E2的冲量沿传播 方向上下降趋势小于E1。 图5 E1、E2巷道瓦斯爆炸冲击波冲量沿传播方向 变化特征 图5是从一个方面验证了大断面巷道内发生瓦 斯爆炸后,较广范围内的人员和设备都受到冲击波 冲击的原因。 93第六期 徐景德等矿井瓦斯爆炸传播的尺寸效应研究 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 5 主要结论 1通过对两个大小不同巷道内瓦斯爆炸传播 过程的物理参数比较分析可知,瓦斯爆炸传播过程 中存在明显的尺寸效应。尺寸效应主要体现在表征 爆炸传播的物理参数不遵循流体力学相似规律。但 是两者传播的物理机制是相同的。 2从冲击波的结构演变过程看,小断面巷道 在瓦斯区内,燃烧波与前驱冲击波传播速度快于大 断面巷道。而大断面巷道的爆炸压力、 冲量的衰减 速度都明显小于小断面的巷道。 3在可比条件下,在大断面巷道中同一浓度 的瓦斯爆炸事故波及范围远大于小断面巷道。 4尺寸效应形成的原因是巷道采用同一支护 形式,使巷道有效面积和粗糙度不能按照比例缩减, 从而导致传播过程中的紊流扩散效应的差异。 收稿2001年8月;作者地址北京市海淀区学院路;中国矿业大学北京校区;邮编100083 参 考 文 献 1 赵衡阳 1 气体和粉尘爆炸原理 1 北京理工大学出版社,19961 2 欧文 格拉斯曼 1 赵惠富等译 1 燃烧学 1 北京科学出版社,19831 3 HWLiepmann等 1 时爱民等译 1 气体动力学基础 1 北京机械工业出版社,19821 全国职业安全卫生管理体系认证机构认可委员会文件 认可委[2001]6号 关于颁发 职业安全卫生管理体系认证证书 及认证标志管理规定 的通知 各有关单位 为了加强职业安全卫生管理体系认证证书及认证标志的管理,以保证其使用的 规范化,现将 职业安全卫生管理体系认证证书及认证标志管理规定 予以公布,请在 职业安全卫生管理体系认证工作中遵照执行。 全国职业安全卫生管理体系 认证机构认可委员会 二 ○○ 一年十一月十五日 职业安全卫生管理体系认证证书及认证标志管理规定另见第44页 04 中国安全科学学报 ChinaSafetyScienceJournal 第11卷 2001年 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 安全科学技术人才交流园地 本 期 论 文 作 者 简 介 徐景德 副教授,现任华北矿业高 等专科学校教育培训部副主任。 1965年生,1995年毕业于中国矿业 大学北京校区安全技术及工程专 业,获硕士学位,目前正攻读中国矿 业大学北京校区博士学位。以第一 作者发表论文15篇,作为副主编编写 现代企业安 全管理全书 。 赵 艳 萍 江 苏 大 学 副 教 授, 1962年生,1984年毕业于江苏工学 院。目前主要从事设备工程与管理 的教学、 科研工作。近年来,主持或 参与省部级研究项目4项;发表论 文20余篇,出版专著两部。 张 超 工程师,现任中国劳动保 护科学技术学会办公室副主任。 1963年生,1986年毕业于首都经贸 大学原北京经济学院安全工程 系。主要负责学会的科普宣传教 育、 安全科技进步奖评奖等项工作。 参加 安全科学技术成果管理与推广 等课题的研究 及其他安全管理工作。多次组织安全科学技术报告 会、 学术会、 安全科技成果、 劳动防护用品展览会及 科普宣传活动。 冯仰德 1969年出生,山东济宁 人。1997年毕业于西南交通大学 工程力学系固体力学专业,获工学 硕士学位;1998年至今于北方交通 大学工程力学研究所攻读博士学 位。主要从事结构动力分析,对有 限元、 边界元的计算机实施进行了系统的研究。在 国内外刊物和学术会议上发表论文多篇。 罗善明 副教授,博士研究生。湖 南东安人,1968年生,1991年毕业 于湘 潭 矿 业 学 院 机 械 工 程 系, 1994年获中国矿业大学工程力学 专业硕士学位,现为中国矿业大学 工程力学专业博士研究生。主要从 事流体力学和传动机械学等方面的教学和科研工 作。先后在 机械工程学报 等杂志上发表了 磁力 金属传动带的受力分析 、高压水射流粉碎物料的 性能研究 等论文20余篇。 王树刚 副教授、 博士研究生。 1963年生,1989年毕业于阜新矿业 学院采矿工程专业,获硕士学位,此 后留校任教。2000年考入上海交 通大学低温与制冷工程博士研究 生。主要从事通风与安全、 空调与 制冷工程的教学和科研工作。发表论文20余篇。 赵千里 现任金川有色金属公司 二矿 区 副 矿 长。硕 士 研 究 生, 1965年生,长期从事企业安全技 术、 科研及管理工作,曾任金川公司 安环部副主任。合著 地下采矿系 统分析与综合集成 一书,参编 中 国镍钴矿山现代化开采新技术 一书,组织编写了 金川二期工程竣工验收安全卫生专题报告,主持 “金川矿井通风系统及其应用研究” 、“金川二矿区安 全专家系统” 、“金川矿区大断面空气幕技术研究与 应用” 等10多项科研工作,现主持 “金川矿井火灾指 挥决策支持系统及其应用研究” 、“金川公司安全技 术标准体系研究” 、“金川二矿区复杂通风网络优化 改造研究” 等多项研究。在国内学术刊物和安全学 术会上发表论文20余篇。还担任甘肃省有色金属 学会安全学术会秘书长,全国安全工程人才研究会 理事,中国有色金属学会矿山安全学术组主任委员。