瓦斯浓度和货源对瓦斯爆炸传播影响的实验分析.pdf

试验研究 瓦斯浓度和火源对瓦斯爆炸传播影响的实验分析 徐景德,周心权,吴 兵 中国矿业大学北京校区 , 北京 100083 摘 要基于瓦斯爆炸冲击波结构的理论分析,用实验方法探讨火源2个因素对瓦斯爆炸传播的影 响。指出瓦斯浓度、火源位置及能量是决定爆炸波压力峰值大小及显示时间重要因素。 关键词爆炸波;瓦斯浓度;火源;压力峰值 中图分类号 TD712171 文献标识码 A 文章编号 0253 - 2336 2001 11 - 0015 - 03 Experimental analysis on gas density and fire resource affected to expansion of gas explosion XU Jing2de , ZHOU Xin2quan , WU Bing Beijing Campus , China University of Mining and Technology , Beijing 100083, China Abstract Base on the theoretic analysis , the paper discussed two fire source factors affected to the expansion of the gas explosion with a experimental . The paper pointed out that a gas density , fire location and energy are the important factors to the size and display time of the explosion pressure peak value. Key words explosion wave; gas density; fire source; pressure peak value 1 瓦斯爆炸传播机理 矿井瓦斯爆炸事故从时间上可以分成点火和传 播2个阶段。瓦斯爆炸对设备的破坏和人体的伤害 主要体现在瓦斯爆炸的传播阶段,掌握瓦斯爆炸传 播的物理机制,对于查清瓦斯爆炸事故原因、制定 有效的阻爆隔爆措施,具有特别重要的意义,采用 实验手段,研究了瓦斯浓度和点火方式对瓦斯爆炸 传播过程的影响。矿井瓦斯爆炸属于预混气体在外 界热源激发下的气体爆炸过程。瓦斯爆炸传播是指 爆炸波在矿井大气中的传播,根据传播介质的化学 成分,整个传播过程可以分成含瓦斯区域和一般空 气中的传播2个阶段。 图1 瓦斯爆炸波结构示意 爆炸波在含瓦斯气体的区域中传播时,其波形 结构如图1所示。前驱冲击波的高温高压作用,前 方气体迅速被加热,随即被后面的燃烧波点燃,燃 烧产生的热量一部分抵消气体与壁面摩擦损耗的热 量,另一部分提供给前驱冲击波,使其压力、温度 升高,传播速度加快。由于前驱冲击波前方气体、 冲击波已燃气体、波后气体在状态上的差异,因此 此阶段爆炸波的结构为双波3区。前驱冲击波向远 离火源方向传播时,同时有一个气体膨胀波以声速 向从反方向向火源方向传播。在前驱冲击波的作用 下,巷道中的瓦斯气体也以一定速度移动,即瓦斯 燃烧是在移动的瓦斯气体中进行的,这使得燃烧区 域长度远大于静止状态的瓦斯区域长度。 当瓦斯燃烧完毕,爆炸波传播进入一般空气区 域,此时爆炸冲击波的传播演变为一般空气冲击 波。由于摩擦损耗,冲击波的压力沿传播方向呈现 下降趋势,直至下降到正常大气压力。 瓦斯爆炸传播受多个因素影响,对于特定巷 道,瓦斯气体浓度、火源两者影响最大。在点火阶 段因链式反应反应热的作用,火源周围的气体温 度、压力升高,与附近气体形成温差和压力差,导 致其向周围空气中扩张,当受热空气布满整个巷道 51 第29卷第11期 煤 炭 科 学 技 术 2001年11月 断面时,则进入传播阶段,从空间上看,沿传播方 向,气体压力、温度、比容远大于前方正常空气, 即形成数学上的间断,显示波动效应。与空气直接 接触的气体面称为前驱冲击波,由于前驱冲击波的 高温、高压作用,大气中的瓦斯迅速被点燃,在紧 随前驱冲击波有一燃烧波存在,实验室测试表明, 燃烧波的厚度以微米计,燃烧产生的能量一部分用 来平衡因摩擦、壁面吸热消耗的热量,另一部分补 充给前驱冲击波。显然沿传播方向,正常大气、燃 烧波内部、已燃区域的气体状态有显著区别。此时 的瓦斯爆炸冲击波的结构是双波3区结构。由于点 火阶段的边界值是传播阶段的初始条件,因此巷道 中瓦斯浓度、火源及其分布对这一区域传播影响显 著,分析其对爆炸传播影响是非常必要的。 在此传播阶段,瓦斯气体在冲击波的作用下, 伴随冲击波向前移动,因此火焰区的长度要大于静 态的瓦斯区长度,确定这两者的关系,对于瓦斯爆 炸事故的勘察具有特别重要的意义。当巷道中瓦斯 燃烧完毕,爆炸即开始在一般大气中传播,此时燃 烧波消失,爆炸冲击波演变为一般空气冲击波,对 安全工作有意义的是空气冲击波需要传播多远,才 能使其压力下降到人体和设备允可的安全极限值。 综上所述,设计了如下实验,对瓦斯爆炸传播 中火源、瓦斯浓度对传播的影响、2个区域中压力 的分布进行了实验分析。 图2 实验巷道布置示意 2 实验条件 实验采用的巷道长518116 m ,断面为梯形左 帮高11828 m ,右帮高21286 m ,宽61096 m ,在巷 道中布置了火焰、压力、速度传感器,配置了高速 摄影机,数据和图像信号经控制系统传递给数据分 析系统,巷道断面及传感器布置见图2。 实验采用的瓦斯成分见表1 ,瓦斯通过气泵注 入巷道中,瓦斯区与一般大气用薄膜隔开,为保持 瓦斯区内瓦斯均匀分布,采用微型多个风机进行搅 拌,瓦斯区长度为8123 m。采用电子点火器点燃 瓦斯。采用多种浓度瓦斯进行了试验,分别测试不 同浓度下、不同点火方式下瓦斯爆炸传播过程中的 火焰速度、压力变化。测试结果见图3～6。 表1 实验用瓦斯气体组成 项 目 气 体 种 类 CH4C2H6C3H8 百分比/ 9718011400104 图3 瓦斯爆炸火焰传播距离、 速度、加速度与时间关系 1～8 瓦斯浓度分别为714 、716 、 919 、618 、816 、710 、818 、918 3 实验结果分析 311 瓦斯浓度影响 31111 对火焰传播的影响 图3分别为当巷道中8种瓦斯浓度状态下,在 巷道封闭端同一位置电火,且瓦斯区长度相同情况 下,火焰前锋在点火后某一时刻与封闭端的距离, 及该时刻火焰前锋的速度、加速度随时间变化曲 61 第29卷第11期 煤 炭 科 学 技 术 2001年11月 图4 不同浓度条件下,距封闭端 30148 m处爆炸压力与时间关系 图5 2种浓度、2种点火方式下距封闭端 30148 m处压力与时间关系 图6 瓦斯浓度716 状态下3种点火位置距封闭 端30148 m处压力与时间关系 线。图3中可以明显看出,瓦斯浓度愈接近9 , 火焰传播速度愈快,而当瓦斯浓度接近7 时,其 速度明显降低,这说明当巷道瓦斯浓度为9 左 右,其浓度符合瓦斯的氧化反应当量浓度,反应速 度快,单位时间内产热量大,因而能使爆炸波速度 在很短时间内移动上升,这一点从加速度随时间变 化规律中得以证实。 31112 对爆炸波压力的影响 图4表示瓦斯浓度分别为919 、816 、 716 、618 时,在封闭端点火时,距离封闭端 30148 m处压力随时间变化特征。从压力峰值方 面,浓度919 时最大,为68191 kPa ,而随着浓 度降低,压力峰值明显下降,当浓度为618 时, 压力峰值不到919 的1/ 4。从压力峰值出现的时 间上看, 816 最早,而919 非常靠近,而随着 浓度下降,峰值出现时间成倍延长,浓度618 峰 值出现的时间几乎是前两者的一倍。这表明,当巷 道中瓦斯浓度处于最佳浓度时,火源点燃以后很快 上升到最大压力。 312 火源的影响 31211 火源个数的影响 图5显示了巷道中瓦斯浓度为816 和918 时,瓦斯区长度均为8123 m ,各分别采用一个火 源和3个火源进行点火,在距离封闭端30148 m处 压力随时间变化情况。从图5中可以看出, 2种浓 度下,采用3个火源时压力峰值出现的时间均比一 个火源快约012 s ,但是压力峰值大小没有改变。 其主要原因是由于瓦斯爆炸的点火特性引起的,采 用3个火源时,初始点燃能量大,缩短了点火阶段 的时间,使火焰很快布满整个巷道断面,进入传播 阶段;但是,由于系统的总能量没有改变,因此压 力峰值不可能有明显变化。 31212 火源位置的影响 图6显示了火源位置对瓦斯爆炸传播特性的作 用,巷道瓦斯浓度均为716 ,瓦斯区长度为8123 m ,火源位置分别位于巷道封闭端、瓦斯区中部、 瓦斯区与新鲜空气隔开的薄膜附近,在距离封闭端 30148 m处测得的压力随时间变化曲线。 从图6可知,当火源位于巷道封闭端时,其压 力峰值最大,达48124 kPa ,位于瓦斯区末端,压 力峰值最小,仅13178 kPa。而从压力峰值出现的 时间,火源位于中间时,峰值出现时间最早,点火 以后0155 s压力即达到峰值,火源位于封闭端时, 点火后约0175 s达到峰值,而火源位于瓦斯区末 端时,则点火后212 s才达到峰值。 压力峰值大小及出现时间与瓦斯点火以后爆炸 波传播方式密切相关。当火源位于巷道封闭端时, 爆炸波只能向开口方向传播,能量也集中于此方 向;而火源位于巷道中间时,爆炸波同时向封闭端 和开口端传播,因为向开口方向传播的爆炸波传播 距离短,所以压力峰值出现时间短于火源位于巷道 峰值封闭端时,但是爆炸分2个方向传递,能量损 下转第12页 71 第29卷第11期 煤 炭 科 学 技 术 2001年11月 大于零即晶闸管导通,此时,V3EIdR0。特 别在反电势负载R0较小时还很容易造成过流。而 且,负载串联的电感L不合适时,虽然能改善输 出电流的平稳性,但也会使V3出现瞬时高压。 因此,需在变压器副边并联阻容串联电路以吸 收瞬时高压。同时,还可以增加隔离保护电路。由 于光电隔离最为可靠,可增加如图5所示的光电隔 图5 晶体管光耦原理 离回路2套。只需取下图1所示的D1和D2两个二 极管,然后接到MOC4021光电隔离器的二极管 侧,另外2个端点按图5所示接到晶闸管的控制极 G和阳极A上。RC及RA的参数设计如下UCC 6 V ,IA 10 mA RA UCC-UBE IA 530Ω RC U2-UGT IC 4 340Ω 所以,RA取540Ω,RC取413 k Ω。 此外,为了防止电路短路或过载,还要安装快 速熔断器或使用普通的RL螺旋式熔断器,但需要 注意的是熔断器的额定电流不大于晶闸管工作电流 的2/ 3。 3 结 论 增加光电隔离电路后,一方面可以控制晶闸管 对充电控制器CCH内部元件的影响,使得当2 个晶闸管中任一个损坏或者当续流二极管D10损坏 时,不会造成控制器CCH失控。另一方面,又 可避免两晶闸管控制回路中任一回路故障时所造成 的充电电压过高或过低的不可调控故障。而且可避 免晶闸管及续流二极管故障时所造成的充电电压过 高而报警及故障切断回路不起作用,从而提高了电 池充电的可靠性。 参考文献 [1] 莫正康.晶闸管变流技术[ M].北京机械工业出版社, 1985. [2] 黄义源.电子技术[M].长沙湖南大学出版社, 1989. 作者简介徐光远1962 - ,男,江西吉水人,工程师,从 事设备维护工作。 收稿日期 2001 - 10 - 10 ;责任编辑王宗禹 上接第17页 失接近一部分,因此压力峰值比第一种情况小;当 火源位于瓦斯区末端时,爆炸波先向封闭端传播, 到封闭端时,达到最大,然后反射回来向开口方向 传波,此时瓦斯已经消耗完毕,故传播是在非可燃 空气中传播,爆炸波能量因摩擦等损失一部分,而 由于传播长,加之传播速度处于衰减状态,故测压 力达到峰值的时间会远长于前2种情况。 4 结 论 1在氧气处于正常大气浓度条件下,瓦斯浓 度为815 ～915 时,爆炸最为猛烈,主要体现 在爆炸压力峰值出现时间早,峰值压力绝对值大, 爆炸波的压力要传播较长距离才能降到安全值以 下。 2火源的能量与位置对爆炸波传播有明显影 响,引爆火源能量大,使压力峰值出现时间缩短, 但不改变压力峰值;引爆火源位置不仅影响压力峰 值出现时间,而且改变压力峰值大小,对于掘进工 作面,必须严格控制位于掘进头的一切火源。 参考文献 [1] 俞启香.矿井瓦斯防治[ M].徐州中国矿业大学出版社, 1988. [2] 黑斯WD.气体动力突跃的基本理论[M].徐华舫译.北 京科学出版社, 1988. 作者简介徐景德1965 - ,男,安徽枞阳人,副教授,现 在华北矿业高等专科学校工作,任教育培训部副主任。 收稿日期 2001 - 08 - 08 ;责任编辑曾康生 21 第29卷第11期 煤 炭 科 学 技 术 2001年11月