矿井瓦斯爆炸传播的试验研究.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 问题探讨 矿井瓦斯爆炸传播的试验研究 徐景德1 ,2,徐胜利1,杨庚宇2 1 1 中国科学技术大学,安徽 合肥 230001 ; 21 华北科技学院,河北 三河 065201 摘 要通过用实验方法,在断面积712 m2的方形断面巷道中进行了瓦斯爆炸的传播特性研究。 研究结果表明,瓦斯爆炸火焰区长度大于瓦斯积聚区长度,两者之比为1∶ 3 ～6 ,瓦斯爆炸传播路 线上各点压力上升到最大值需要一个延迟时间。研究结果对瓦斯爆炸事故勘察和阻隔爆技术措施设 计有一定的参考价值。 关键词瓦斯爆炸;火焰区;爆炸压力;传播路线 中图分类号 TD712171 文献标识码 A 文章编号 0253 - 2336 2004 07 - 0055 - 03 Experimental study on mine gas explosion diffusion XU Jing2de1 ,2, XU Sheng2li1, YANG Geng2yu2 11China University of Science and Technology , Hefei 232001, China;21North China Institute of Science and Technology , Sanhe 065201, China Abstract The diffusion charactersof the mine gas explosion was conducted in a 712 m2square roadway with a experiment test1The test results showed that the length of the flame zone was longer than the gas accumulation zone in the processof the explosion and the rate is 3～61There was an interval before the pressure value reached to the max along the diffusion line of gas explosion1The study results will have a certain refer2 ence value to the investigation of mine gas explosion accident and to the design of the explosion isolating measures. Key words gas explosion; flame zone; explosion pressure; diffusion line 基金项目国家“973”重点研究项目200CB4002007 ;国家自然科 学基金项目59874030 1 概 述 从事故统计资料看,我国煤矿所发生的特大事 故基本上属于瓦斯爆炸事故,因此,为防治瓦斯爆 炸事故,研究其特性是非常必要的。矿井瓦斯的主 要成分是甲烷 CH 4。瓦斯爆炸可以看作是甲烷 -空气 CH 4- Air混合气体在外界火源诱导激 发下的爆炸过程,从时间上分成点火和传播两个阶 段,爆炸的破坏性主要体现在传播阶段。由于混合 气体爆炸传播在物理机制上的复杂性,实验研究是 一种主要方法。本文就是通过实验方法研究瓦斯爆 炸传播过程中的一些物理特性。 2 试验条件 试验在一条断面积为712 m2,长886 m的方 型断面的独头巷道中进行。试验的瓦斯量分别为 50 m3、100 m3、200 m3,瓦斯浓度均为915 ,点 火使用同一火源,为电火花点火。测试段长度为 400 m。试验中测试了爆炸火焰区长度、最大爆炸 压力、各测点压力呈现时间以及最大压力呈现时间 4项指标。 3 试验结果及分析 311 爆炸火焰区长度 爆炸火焰区长度是指燃烧火焰沿爆炸传播方向 传播的最大长度,由于爆炸火焰的灼烧效应,因此 火焰区分布长度是表示爆炸猛烈程度的重要数据。 3种瓦斯量的测试结果见表1。结果表明,火焰区 长度L1远大于原始瓦斯积聚区长度L0,而且L1/ L0大约为3～6倍。 这一实验结果可以从瓦斯爆炸传播物理机制得 以解释。瓦斯在端头点火后混合气体便燃烧起来, 起初,火焰面以球形波的形式向外扩展,很快扩展 到周壁,由于壁面诱发湍流,使火焰皱折,加快火 焰面的传播,即火焰面运动速度急剧加大。巷道此 时存在已燃和未燃的气体,按照双流体模型观点, 燃烧放热、气体膨胀在巷道内产生正压力梯度,使 55 第32卷第7期 煤 炭 科 学 技 术 2004年7月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 已燃气的速度变化比未燃气的速度变化大,导致了 两种流体间速度差的出现和不断加大,使得已燃气 对未燃气的卷吸量加大,压力梯度增大,从而进一 步增大两种流体的速度差,产生自激化现象。由于 压力梯度和自激化作用,燃烧时混合物体积猛烈膨 胀,火焰阵面前的压缩波迫使一些未燃混合物紧随 火焰区运动,并被紧随其后的火焰点燃,这种排代 效应激起湍流高速运动,同时使燃烧加速,导致火 焰区长度大于原始的瓦斯积聚区长度。 在一般情况下,甲烷作为一种化学性比较稳定 的气体,一般以爆燃状态传播,很难出现爆轰状 态。在起始阶段,火焰传播速度较小,但是火焰前 方气体因前驱冲击波的作用,被加热和压缩,使燃 烧加速,形成正反馈机制,火焰加速传播,使冲击 波的速度和强度增大,从而加速了气体膨胀,膨胀 效果使燃烧速度衰减,制约气体进一步扩张。实验 证明火焰加速存在一个临界火焰速度[5],当爆炸 处于爆燃状态时,若火焰加速到临界速度,便不再 增加,而以终态恒定速度传播。因这种机制的存 在,使火焰传播距离的增加并不与瓦斯量的增加成 正比。 瓦斯爆炸火焰区长度大于原始瓦斯积聚区长度 这一特性对瓦斯爆炸事故勘察非常重要。通常在事 故勘察工作中,一般通过爆炸现场的CO、CO2等 气体浓度、遇难人员医疗诊断是否属于烧伤情况及 其位置等火焰损伤特征参数推算出瓦斯区长度表 1 ,从而推算爆炸过程中参与爆炸的瓦斯量。这一 实验结果表明,这种推算存在很大误差,它推算出 的瓦斯量远远大于实际参与爆炸的瓦斯量。 表1 火焰区长度测试结果 序号 爆炸瓦斯量 / m3 原始瓦斯区长度L0 / m 火焰区长度L1 / m L1/ L0 1506194405176 2506194405176 310013189604132 410013189805176 510013189604132 6200271781003160 7200271781204132 8200271781004132 312 瓦斯爆炸压力的沿程变化特征及其机理分析 图1～3分别是瓦斯量为50 m3、100 m3、200 m3爆炸时,最大爆炸压力沿传播方向变化情况, 从图中可以看出,最大压力变化有2个特点 图1 瓦斯量50 m3爆炸压力峰值沿传播方向变化情况 图2 瓦斯量100 m3爆炸压力峰值沿传播方向变化情况 图3 瓦斯量200 m3爆炸压力峰值沿传播方向变化情况 1在起始阶段,最大压力沿传播方向,在某 一距离处达到峰值,然后开始下降。这说明压力并 不随距离单调下降。最大压力呈现这一特点,与瓦 斯爆炸传播的物理机制密切相关。当瓦斯被火源点 燃以后,燃烧处于加速状态,燃烧提供的能量高于 因摩擦损失的能量,因此冲击波的压力呈现上升状 态。而传播一定的距离后,由于爆炸气体的膨胀而 产生的活塞效应和气体运动速度增加导致的摩擦损 耗的增大,化学反应产热与损失能量趋于平衡,压 力增大到最大值,随后压力由于能量损耗,即呈现 下降趋势。 2最大压力峰值与参与爆炸的瓦斯量密切相 关表 2 。表2所示的最大压力呈现2个现象 ①随瓦斯量增大,压力峰值绝对值增加,这一测 试结果验证了井下瓦斯爆炸事故中瓦斯量越多,爆 炸威力大,破坏强度随之增大。对于大量的瓦斯积 聚,由于压力峰值大,因此爆源附近更大空间均处 65 第32卷第7期 煤 炭 科 学 技 术 2004年7月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 于破坏范围内,从而造成更多设备损坏和人员伤 亡;②最大压力峰值点的位置距爆源更近。这也 验证了大量瓦斯积聚的事故现场,在爆源位置破坏 更加严重的原因。 表2 爆炸压力峰值、出现位置与爆炸瓦斯量关系 序号 参与爆炸的瓦斯量 / m3 最大压力值 / MPa 测点位置 / m 1500106740 2100011840 31000116740 42000116060 52000143210 6200014510 7200013510 313 瓦斯爆炸最大压力随时间变化特点 瓦斯爆炸压力一个重要特点是每一点的压力上 升到最大值有一个迟滞时间Δt ,测点离爆源越远, Δt变得越来越小表 3 。 表3 不同瓦斯量时沿传播路线各测点 最大压力出现时间差Δt ms 参与爆炸的瓦斯量 / m3 距爆源距离/ m 1069406080100 120 140 180 5013669363720 1007540555040 100143 106756851 1001036566331622 100150783718 2001146549382877 200911116348366 200751258056422110 注所列时间是指以点火时为零点,该测点从呈现压力至最大 压力出现的时间差。 最大压力呈现这一特点的原因是由于爆炸传播 过程中,气体燃烧特征决定的。当瓦斯量增加,由 于燃烧速度随压力增高而增大,冲击波峰面反过来 压迫波前气体,使其压力增高,因此离爆源越远, 燃烧速度越来越大,随之该点获得能量速率增加, 使冲击波强度增加。根据燃烧理论,燃烧速度加 快,从而补充能量速率增加,因而导致离爆源较远 处,最大压力以较快速度达到最大值。 4 主要结论和工程意义分析 1瓦斯爆炸传播过程中,火焰区长度远大于 原始瓦斯积聚区长度,火焰区与积聚区长度比值与 瓦斯量有关;瓦斯量增大,比值相对减小。 2瓦斯爆炸压力最大值不是位于爆源处,而 是在爆源前方一定位置。在进行瓦斯事故勘察时, 确定瓦斯爆炸的爆源,需要注意这一特性。 3在传播方向上各点压力上升到最大值需要 一定时间差Δt ,距离测点越远,Δt值越小。因此 在设计隔爆和阻爆装置时,必须充分注意瓦斯爆炸 传播这种特性。 参考文献 [1] 弗 巴尔特克纳西特 1 爆炸过程和防护措施[M].北京化 学工业出版社, 1985. 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