瓦斯煤尘爆炸巷道反射压力研究

瓦斯煤尘爆炸巷道反射压力研究

杨书召，刘星魁

(河南工程学院 安全学院，河南 郑州 451191)

摘要：为揭示瓦斯和瓦斯煤尘爆炸反射压力沿矿井巷道传播变化的规律，用管道爆炸实验系统模拟测试极弱爆炸和极强爆炸巷道超压与反射压力的定量变化关系.结果表明，瓦斯和瓦斯煤尘与空气混合爆炸，在弱爆炸条件下爆炸的反射压力均是峰值超压的1.8~2.0倍，強爆炸下瓦斯或瓦斯煤尘爆炸的反射压力大约是峰值超压的8~21倍.实验结果与理论计算基本吻合，表明巷道反射压力强度取决于冲击波在巷道空间内的反射过程，巷道内爆炸超压强度随爆炸传播距离的增加而降低，遇固壁则反射压力强度加大，加重了井下设备的破坏和人员伤害程度.

关键词：瓦斯煤尘爆炸；冲击波超压；反射压力；极弱爆炸；极强爆炸

中图分类号：TD712文献标志码：A

收稿日期：2014-12-25

基金项目：河南工程学院博士基金 (062701/D2013019)

作者简介：杨书召(1969-)，男，河南内乡人，副教授，高级工程师，博士，主要从事瓦斯防治方面的研究.

冲击波反射压力和峰值超压是煤矿瓦斯煤尘爆炸破坏与伤害的重要原因之一[1].研究瓦斯煤尘爆炸超压和反射压力强度的变化规律，对抑制爆炸事故的扩大蔓延有着重要价值.瓦斯煤尘爆炸冲击波的传播受井下巷道诸如变径、拐弯和分叉等影响，爆炸超压和遇固壁反射压力变化比较复杂[2]，国内外学者对此研究较多.苏联学者借助井下实验给出了巷道拐弯、分叉和变径条件下的超压计算经验公式[3-4]，中国矿业大学学者在管道内研究了爆炸火焰、冲击波等特性参数的变化特征；其他学者也在大型巷道内对瓦斯煤尘爆炸超压做了定量研究[5-6].但由于实验条件有限，反射压力与爆炸超压随传播巷道变化的特性参数还需要进一步修正和完善.

本研究利用设计的管道爆炸实验系统，对瓦斯、煤尘及瓦斯煤尘与空气混合物爆炸进行了实验研究，得出了不同爆炸条件下爆炸反射压力与峰值超压的定量转换变化关系，并结合理论计算与实验对比分析，修正和完善了反射压力的计算方法，为煤矿的安全生产提供了技术支持.

1实验系统与条件

1.1　实验系统

煤尘瓦斯爆炸实验系统如图1所示，该系统可进行瓦斯、煤尘及瓦斯煤尘与空气混合爆炸实验.系统主要由爆炸腔体和传播管道两大部分组成，另设有压力、火焰传感器与动态数据采集分析系统.设计腔体为直径300 mm、长0.5 m的无缝钢管，传播管道为断面80 mm×80 mm的方形钢管，两者由球形阀连接.反射压力传感器固定在管内2 cm宽钢板中央，与超压传感器安设在同一垂直面上，传感器的安设间距为2 m.每组实验6次，取平均值.

1.2　实验条件

瓦斯爆炸采用浓度为5%和9.5%的瓦斯，煤粉0.074 mm，水分0.50%~0.70%、灰分10.26%~14.86%、挥发分21.34%~41.08%、固定碳24.36%~43.82%、高位发热量26.50 MJ/kg、全硫0.32%~0.63%.每次实验前，将煤样置于105 ℃的干燥箱中干燥24 h以上.点火采用弱点火电容储能高压电火花，输出功率为0.2 kJ/s；强点火采用10 kJ的化学点火源与6 V直流电源相连接.

图1　爆炸实验系统 Fig.1　Experiment system of gas explosion

2结果与分析

2.1　瓦斯爆炸不同位置的超压和反射压力

图2为浓度5%瓦斯与空气混合弱爆炸传播时不同位置的峰值超压Δp1和反射压力Δp2随传播距离变化的曲线.可以看出瓦斯弱爆炸时，管壁内同一垂直断面上正向反射压力是冲击波超压的1.8~2.0倍，随着峰值超压沿管道传播距离的增加逐步减少，反射压力也逐步减少，但不同位置的反射压力均高于峰值超压.

表1为浓度9.5%瓦斯与空气混合强爆炸传播时不同位置的超压和反射压力随传播距离变化的情况.

图2　爆炸超压与反射压力 Fig.2　Overpressure and reflected pressure of explosion

表1　9.5%瓦斯爆炸各测点的超压与反射压力 Tab.1Overpressure and reflected pressure of 9.5% gas in point

从不同测点位置的超压和反射压力值可以看出，瓦斯与空气混合强爆炸，管壁内同一垂直断面上正向反射压力是冲击波超压的8~19倍，反射压力远远超过了峰值超压.

2.2　瓦斯煤尘爆炸不同位置的超压和反射压力

取浓度为5%的瓦斯和300 g/m3的煤尘与空气混合，当产生弱爆炸传播时，不同位置的峰值超压Δp1和反射压力Δp2随传播距离变化的曲线见图3.

由压力曲线可以看出，第一测点的爆炸超压为 0.11 MPa，反射压力为0.22 MPa，最大反射压力出现在5 m左右的位置，约0.5 MPa，这说明一端开口的爆炸伤害或破坏重点并不在爆炸中心点.同时，反射压力最大值与超压最大值的出现点一致，均为超压的2倍左右.与浓度为5%的瓦斯爆炸相比，煤尘与其耦合爆炸的相对强度较大、爆炸波传播距离更远，有很大的破坏效应.

表2是浓度为9.5%的瓦斯与煤尘混合强爆炸传播时不同位置的超压和反射压力随传播距离变化的情况.2 m位置的反射压力值是超压的8.5倍，10 m位置的反射压力值是超压的10倍，爆炸超压出现在4 m左右的位置，这说明瓦斯的参加不仅增加了爆炸威力，也使煤尘更易爆炸，而且爆炸最大超压出现的位置与单一瓦斯爆炸相比更接近爆炸点，与单一瓦斯爆炸比，它的反射压力更大、破坏性更强.

图3　测点爆炸超压与反射压力曲线 Fig.3　Overpressure and reflected pressure for each test point with distance

表2　煤尘与9.5%瓦斯耦合爆炸各测点超压与反射压力 Tab.2　Overpressure and reflected pressure of 9.5% gas and coal in points

2.3　瓦斯及瓦斯煤尘爆炸不同位置的超压与反射压力比较

图4为瓦斯弱爆炸与瓦斯煤尘弱爆炸不同测点的超压和反射压力比较曲线.由图4可知，弱爆炸时，瓦斯和瓦斯煤尘爆炸的反射压力是峰值超压的1.8~2.0倍，而且瓦斯煤尘爆炸的最大超压明显高于瓦斯爆炸，反射压力的强度也远大于瓦斯爆炸，更具破坏性.从表1与表2可以看出，强爆炸时瓦斯和瓦斯煤尘爆炸的反射压力是峰值超压的8~21倍.

图4　瓦斯、瓦斯煤尘爆炸最大压力沿管道变化的比较 Fig.4　Maximum pressure variation compared with gas or gas and coal dust explosion along the pipeline

3反射压力的理论分析

假设瓦斯爆炸的冲击波沿巷道传播遇巷道壁反射，冲击波与巷道壁成α角入射出现冲击波斜反射，反射与巷道壁成β角，α与β不全相等，θ为冲击波与水平方向的夹角.公式中，0区为空气未扰动区，1区为入射波经过而反射波尚未通过区，2区为反射波经过区，D1为入射冲击波速度，u1和u1分别为1区和2区的空气流动速度.速度为向左移动的动坐标，u0=D1/tan α.利用入射波阵面的两侧动量和质量守恒得到以下式子：

ρ0u0sin α=ρ1u1sin(α-θ)，

再由入射波和反射波冲击绝热方程可推出：

式中，χ=(k+1)/(k-1)，k为等熵绝热指数，ρ1，ρ2为空气密度.

运用上述各式，可求解出参数p2，ρ2，u2，β和θ，简化斜反射公式为

若入射波和反射冲击波均是一维定常数，由边界条件和基本关系式可以得到以下式子：

假定巷道壁面是刚性的，故u0=0，u2=0, 可得

(p1-p0)(ρ1ρ2-ρ0ρ2)=(p2-p1)(ρ0ρ2-ρ0ρ1).

令χ=(k+1)/(k-1)，k为空气等熵绝热指数，由原始的空气冲击波的绝热方程变形得到

则入射波和反射波的超压分别为

Δp1=p1-p0，Δp2=p2-p0,

式中，Δp1, Δp2为峰值超压和反射压力，MPa.综上可得反射波的峰值超压

Δp2=2(p1-p0)+χ(χ-1)(p1-p0)2[(χ+3)(χ-1)p1]-1.

极强冲击波马赫数远大于1，可得到超压与反射压力的比较系数

瓦斯和瓦斯煤尘实验结果表明,弱爆下瓦斯和瓦斯煤尘爆炸的反射压力是峰值超压的1.8~2.0倍，強爆下瓦斯和瓦斯煤尘爆炸的反射压力是峰值超压的8~21倍，理论计算与实验值基本吻合.

4结论

(1)瓦斯和瓦斯煤尘与空气混合爆炸，在弱爆炸条件下爆炸的反射压力均是峰值超压的1.8~2.0倍，強爆炸下瓦斯或瓦斯煤尘爆炸的反射压力是峰值超压的8~21倍.

(2)理论推导证明，当马赫数|MS|远大于1时，反射压力是入射超压的8～23倍；当马赫数|MS|→1，反射压力约是入射超压的2倍.

(3)巷道反射压力强度取决于冲击波在巷道空间内的反射过程，爆炸超压强度随爆炸传播距离的增加而降低，反射压力也随传播距离增加而相对降低，但遇巷道固壁则反射强度增大.

参考文献：

[1]程五一，刘晓宇，王魁军,等．煤与瓦斯突出冲击波波阵面传播规律的研究[J].煤炭学报,2004,8(1):57-60．

[2]张连玉，汪令羽，吴维．爆炸气体动力学基础 [M]．北京：北京工业学院出版社，1987：370-374．

[3]费国云．瓦斯爆炸沿巷道传播特性探讨[J].煤矿安全，l996，27(2)：32-34.

[4]王大龙．煤矿瓦斯爆炸火焰波和冲击波传播规律的理论研究与试验分析[J].矿业安全与环保，2007，34(2)：1-3．

[5]王海燕,曹涛,周心权，等.煤矿瓦斯爆炸冲击波衰减规律研究与应用[J].煤炭学报,2009，34(6)：771-782.

[6]杨书召，吴金刚.半封闭空间瓦斯爆炸冲击波传播距离研究[J].湖南科技大学学报:自然科学版，2014，29(1)：8-11.

Study on reflected pressure of gas and coal dust explosion in tunnel

YANG Shuzhao，LIU Xingkui

(CollegeofSafetyEngineering，HenanInstituteofEngineering，Zhengzhou451191,China)

Abstract:In order to reveal the gas, gas and coal dust explosion reflected pressure changes along with the spread of mine tunnel, relationship between quantitative changes of explosion overpressure and reflected pressure is tested with the pipe explosion experiment system. The results show that in the gas and coal dust and gas mixed with air explosion, reflected pressure explosion in the weak condition is 1.8~2.0 times of peak overpressure, in strong explosion the reflected pressure of gas or gas and coal dust explosion is about 8~21 times of peak overpressure. The experimental results were in accordance with the theoretical calculation, showing that the reflected pressure intensity depends on the reflection of shock wave in the process of roadway space. The explosion overpressure strength increases as the distance from the explosion propagation decreases in the tunnel, but before solid wall the reflection intensity of pressure will increase, which aggravates the equipment damage and human injuries.

Key words:gas and coal explosion; over pressure; reflected pressure; weak explosion; strong explosion