矿井瓦斯爆炸火焰传播试验研究

王引群

（山西煤炭运销集团 吉县盛平煤业有限公司，山西 临汾 042100）

矿井瓦斯爆炸火焰传播试验研究

王引群

（山西煤炭运销集团 吉县盛平煤业有限公司，山西 临汾 042100）

通过数值模拟与实际试验，研究了瓦斯爆炸火焰在管道内传播的结构变化特性及其相应的传播规律。研究结果表明：数值模拟结果与试验结果走向基本一致，火焰传播速度随着距离爆源距离的增大，呈现出先增大后减小的规律。

瓦斯爆炸；火焰传播；有限元；数值模拟

为了有效的防治瓦斯爆炸事故,降低其危害程度，研究瓦斯爆炸过程中的火焰传播特性是非常必要的。本论文以巷道内的瓦斯气体的爆炸火焰为研究对象，对其在巷道内的传播过程进行了数值模拟和试验研究[1-2]。

1 试验系统

1.1 试验设备及设施

（1）试验巷道：试验管道采用尺寸为200 m×3 m×3 m长方形实验管道，一端封闭，另一端开口；从巷道的封闭端处开始安装火焰速度传感器，1～11 m距离内每隔2m安装一个；11m～41m距离内每隔5m安装一个；41 m～81m距离内每隔10m安装一个，一共安装16个火焰速度传感器。（2）爆炸气体:体积百分比浓度为9.0±0.5%的CH4与空气混合物，体积70m3。（3）点火源:由内置的电点火药头点火，安装在距封闭端1m、高度1.25m处。（4）高速摄影机为型号REDLAKE MotionXtraN3，自动曝光系统，130万像素，拍摄速度为1200帧/s。（5）同步动态信号采集分析系统。

1.2 试验方法

在常温、常压下，将浓度为9.0±0.5%的CH4与空气混合物均匀混合后，缓缓的充入试验巷道内的密封端，使密闭段内的CH4与空气的混合气体体积为70m3。相继启动同步动态信号采集分析系统和高速摄像系统，开启火焰速度传感器并启动点火装置，采集分析系统开始采集处理数据，分析图像。

2 数值模拟

2.1 瓦斯爆炸火焰传播的有限元模型

为了便于模拟分析，忽略CH4的化学反应过程，认为混合气体在点火后甲烷迅速燃烧完毕。设置模型管道长200 m，横截面积为为3 m×3 m，模拟时的初始压力为1MPa，初始温度为15℃。管道一端封闭，另一端开口。在三维坐标轴方向分别划分200道、3道、3道网格线，一共1800个网格。

2.2 模拟计算方法

可燃性气体的爆炸与可燃气体本身特性，爆炸前巷道内气体浓度、温度以及压强等都有一定关系，是气体爆炸场内的动力学流动与相关化学反应的共同作用的过程。因此，可以用流体力学基本方程组[3]建立瓦斯爆炸的数学模型，综合基本方程，可得NAVIER-STOCKS方程：

可燃性气体的燃烧反应过程，分为层流燃烧过程和湍流燃烧过程，对于层流燃烧过程，其组分方程描述为：

层流燃烧过程，Rcomb与组份浓度呈正比关系。

对于燃烧反应过程中的湍流燃烧过程，国外普遍运用k-ε模型[4]来进行模拟，k-ε模型中的湍流动能k和湍流动能的扩散速率ε满足以下的守恒方程:

式中：Γ为湍流扩散因子；c1，c2为模型常数。

通过以上气体燃烧方程，并结合能量方程、动量方程、牛顿型粘性流体的本构方程、气体状态方程，可构成一个分析巷道内甲烷与空气混合可燃气体爆炸过程的方程组，计算爆炸火焰传播速度。

图1 瓦斯爆炸火焰传播速度实验与数值模拟图

3 结果与分析

表1是瓦斯爆炸实验的火焰传播测试结果，表中清晰的显示了瓦斯爆炸产生的火焰锋面到达火焰速度传感器的时间和速度。

表1 瓦斯爆炸火焰传播测试表

图1是CH4与空气混合气体的火焰传播速度实验与数值模拟图，从图上可以清楚看出理论数值模拟的曲线与实际试验的火焰传播速度曲线走势相似，火焰传播速度在爆源附近较小，随着距爆源距离的增加,速度逐渐增加，在距离封闭气体混合区域约50 m处，速度达到最大值，约为300 km/s，随后，速度呈衰减趋势。

根据上述试验结果，瓦斯爆炸火焰传播经历了两个过程[5-7]：第一个过程是火焰传播速度由爆源处加速到峰值速度；第二个过程是火焰传播速度加速到峰值速度后，开始减速传播。这种结果可以从瓦斯爆炸火焰传播物理机制得以解释，在起始过程，火焰传播速度较小，但火焰前方的气体因前驱冲击波的作用被加热和压缩，从而使火焰锋面产生严重的皱褶和拉伸，增大了可燃性气体的火焰燃烧面积,使其燃烧加速，火焰传播速度加快。在速度加速到峰值后，燃烧产生的能量不足以用来补充冲击火焰波向前传播产生的能量耗散，同时气体膨胀产生的阻力使燃烧衰减，导致火焰传播速度不断下降。

4 结论

利用实际管道试验和数值模拟对煤巷内瓦斯爆炸火焰传播规律进行了研究，通过数据自动采集系统对不同测点的数据进行记录,分析了瓦斯爆炸火焰速度随时间、巷道距离变化的规律，主要结论如下:

（1）数值模拟结果与试验结果走向基本一致，数值模拟能较好的预测瓦斯爆炸火焰传播过程中速度的变化情况。

（2）火焰传播速度随着距离爆源距离的增大，呈现出先增大后减小的规律。当爆炸气体为体积70m3，浓度9.0±0.5%的CH4与空气混合物，最大火焰速度在距离爆源50m左右。

[1]仇锐来，张延松，司荣军，等.管道内瓦斯爆炸传播的试验研究[J].中国安全科学学报，2010，20（5）：80-85.

[2]宋小雷，陈先锋，陈明，张银.瓦斯爆炸过程中火焰传播的实验与数值模拟研究[J].中国安全生产科学技术，2011，7（11）:5-8.

[3]傅维镳.燃烧学［M］.上海:高等教育出版社，1989:200-203.

[4]张廷芳.计算流体力学［M］.大连:大连理工大学出版社，1992.

[5]张玉，周姚斌，叶军君.瓦斯爆炸冲击波传播过程的数值模拟[J].机电技术，2007，5（3）:28-30.

[6]王东武，杜春志.巷道瓦斯爆炸传播规律的试验研究[J].采矿与安全工程学报.2009，26（4）:475-480.

[7]黎体发，张莉聪，徐景德.瓦斯爆炸火焰波与冲击波伴生关系的实验研究[J].矿业安全与环保，2005，32（2）:4-6.

Experimental Study on Flame Propagation of Gas Explosion in Mines

WANG Yin-qun
(Jixian Shengping Coal Co.,Shanxi Coal Sales and Transportation Group,Linfen Shanxi 042100)

Structure change and propagation law of gas explosion flame in pipelines are studied by numerical simulation and actual experiment.The results show that:the simulation result agrees with the experiment;the flame propagation speed increases first and then decreases with the distance increase from explosion source.

gas explosion;flame propagation;finite element;numerical simulation

TD712.71

A

1672-5050（2012）09-0052-03

2012-05-10

王引群（1964—），男，山西临汾人，大学本科，工程师，从事煤矿安全生产管理工作。

刘新光