隔爆水幕对瓦斯爆炸传播规律影响的试验研究*

周西华，王　原，李　昂，陈　猛

(1 辽宁工程技术大学 安全科学工与程学院，辽宁 阜新 123000;2 矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 阜新 123000;3.辽宁工程技术大学 煤炭资源安全开采与洁净利用工程研究中心，辽宁 阜新 123000)

0　引言

煤矿井下火灾事故发生时，若无法直接灭火，则封闭火区，封闭过程中常引发瓦斯爆炸事故[1-2],而瓦斯爆炸是煤矿重大灾害之一，会造成大量的人员伤亡和生产系统的破坏，合理的阻隔爆技术及装备，能够有效地减弱破坏能力，减少人员伤亡[3-5]。针对传统的隔爆技术如隔爆水槽棚、岩粉棚等对于一次性瓦斯爆炸往往达不到预想的隔爆效果，更无法对瓦斯多次爆炸起到连续阻隔爆作用，且不具有重复使用性的问题[6-9]。因此，有必要设计出一种简单、可靠、环保可重复使用的隔爆水幕装置。为此，余明高[10]、樊小涛[11]等建立了瓦斯爆炸实验平台，并进行了水幕抑制瓦斯爆炸的实验，验证了水幕对瓦斯爆炸的传播速度和火焰温度具有抑制作用。张鹏鹏[12]采用超声波雾化方法研究密闭管道内超细水雾对瓦斯爆炸抑制作用，得到其抑制效果主要原因是由于湍流扰动作用和雾滴粒径大小2个方面。李润之[13]等研制一种新的水幕抑爆系统，实验结果表明对煤矿发生的二次爆炸或多次爆炸具有更好的抑制效果。唐建军[14]运用Fluent数值模拟对比密闭容器内的瓦斯爆炸数值模拟与实验结果，得出细水雾抑爆实验和数值模拟偏差较大，对数值模型提出了修正意见。刘晅亚[15]等利用火焰加速管系统和细水雾实验系统进行了实验研究，得出水雾对气体爆炸火焰传播的抑制效果与水雾通量、雾区浓度、水雾区长度以及火焰到达水雾区的火焰传播速度有关。

上述文献主要是在小尺寸密闭爆炸管道中进行试验，而大直径的爆炸试验管道进行研究的较少。为此，笔者自行研发大直径瓦斯爆炸试验管道系统，在这基础上布置隔爆水幕，通过试验系统研究在不同工况条件下隔爆水幕装置对瓦斯爆炸的阻隔效果，利用数据采集系统测量瓦斯爆炸特性参数并对其变化规律及隔爆效果进行分析。

1　瓦斯爆炸隔爆水幕试验系统

试验系统由4部分组成，第1部分是大直径爆炸试验管道，用于模拟煤矿井下平直巷道的环境；第2部分是隔爆水幕；第3部分是控制系统，包括点火控制系统和抑爆控制系统；第4部分是数据采集系统，用于采集压力、温度以及火焰速度相关数据。

1.1　爆炸试验管道

试验管道装置包括1 m3的爆炸罐和5段试验管道，如图1所示。管道尺寸为外径为630 mm，总长为17.5 m，厚度为10 mm的不锈钢圆形管道，为了使爆炸管道在运输和组装上更加方便，整个17.5 m长的爆炸管道平均分成5段，每段3.5 m，管道连接处用圆形法兰盘连接，隔爆水幕喷头位于第2段管路上，试验管道安装于715 mm的滑轮托架上。为了模拟井下平直巷道封闭火区发生瓦斯爆炸，第5段管道末尾设置为开口与大气相连接。

图1　爆炸试验管道Fig.1　Explosion experimental pipeline

1.2　隔爆水幕

隔爆水幕系统由9个扇形喷头、压力表、流量表、调压阀以及相应供水管路组成。其中9个扇形喷头每3个组成一道水幕环，一共3道，布置方式如图2(a)所示。水幕喷头为50°角扇形喷头，材质为不锈钢，等效孔径4.4 mm，隔爆水幕装置如图2(b)所示。9个扇形喷头以及一组(火焰速度、爆炸压力、温度)传感器均布置在一段试验管道上，水泵与水箱之间采用一寸水管连接，水泵型号为ZDH-250A，最高扬程32 m。

图2　隔爆水幕装置及喷头布置Fig.2　Water curtain of explosion suppression equipment and nozzle design

主供水管路上分别布置调压阀、水压表、水表，主供水管路经过四通结构分成3条支路，支路水管为4分管(内径15 mm)，每条管路上布置1个球阀以及3个水雾喷头，每个水雾喷头喷出1条扇形水带，3条交叉形成1道水幕。

1.3　控制系统

控制系统包括点火控制系统和抑爆控制系统。

点火控制系统主要负责安全连锁监控和点燃瓦斯，面板上设置了ZN48智能双显计测器，用于设置“点火引爆”按钮按下后开始点火的延迟时间，同时用于倒计时显示。

抑爆控制系统本体主要由1 m3的爆炸罐构成，爆炸罐可以独立作封闭爆炸性试验，以模拟井下巷道发生爆炸的情况。为了方便试验操作，爆炸罐开口采用螺旋卡箍式快开结构，采用Y型迷宫式专用密封结构，罐体为不锈钢双层夹套球形结构，既可以保证正压密封，又可以实现负压密封。有效容积1 m3，设计压力为2.2 MPa，操作压力为2.0 MPa。为了保证操作安全，罐体上设置了安全阀和安全联动监控装置。

1.4　数据采集系统

数据采集系统分为3个独立的部分，这3部分数据由相应采集卡采集并由软件系统进行数据处理，最终由一台工控机记录和显示。

1)爆炸压力采集系统

采用转换频率1 MHz，采样精度12位，精度为0.2‰的PCI-1712L数据采集器和美国Dytran公司制造的2200V1型压电式高灵敏度传感器，量程0～100 psi，即0～0.685 MPa。

2)爆炸火焰温度采集系统

选用C2-7-K型热电偶和美国生产的DT9805高性能数据采集模块；C2-7-K型热电偶技术参数为沸水测试响应时为18 ms；压力最高69 MPa，温度最高2 033 K；热电偶套管/探头材料是金属、塑料或陶瓷。

3)火焰传播速度采集系统

采用英国D749高速系列型红外光电管和美国AD620系列运算放大器。红外光电管响应速度高达0.5 μs，通过智能降噪，将电路的本底噪声和环境的光噪拟制到-30 dB以下。

试验系统选取不同的测点进行爆炸温度信号、爆炸压力信号和火焰传播速度信号采集，由于瓦斯爆炸传播速度过快，为使传感器能够捕捉到瓦斯爆炸特性参数，在每节管道的中心布置传感器，但由于第2段管道安装3组水幕喷头，为使传感器不受水幕的影响在距离第3段管道0.3 m处设置传感器，使前4段管道采取4组压力传感器和温度传感器，整个管道采取5组红外火焰传感器，图3为各测点传感器布置的示意图。

图3　测点位置Fig.3　Measuring point position

2　试验设计

2.1　试验工况设计

1)瓦斯浓度9.5%，不开启水幕。

2)瓦斯浓度9.5%，水幕数量3组，喷水时间60.6 s，水压1.5 MPa，平均每个喷头水压为0.5 MPa。

3)改变瓦斯浓度进行喷水试验。瓦斯浓度分别为5.5%，7.5%，9.5%，11.5%，水幕数量3组，喷水时间60.6 s，水压1.5 MPa，平均每个喷头水压为0.5 MPa。

4)瓦斯浓度9.5%，水幕数量1组，喷水时间60.6 s，水压0.3，0.9，1.5，2.1，2.4 MPa，平均每个喷头压力0.1，0.3，0.5，0.7，0.8 MPa，平均每个喷头流量3.8，11.8，16.4，18.5，19.1 L/min。

2.2　试验步骤

1)准备试验用高纯度甲烷和引爆源。

2)根据试验工况，准备好试验用的压力传感器、火焰速度传感器和温度传感器,并且安装在管道上的传感器输出线和数据采集卡的通道一一对应。

3)按道尔顿分压定律进行配气，分别用空压机将爆炸罐抽为-9.5，-5.5，-7.5，-9.5，-11.5 kPa真空，打开瓦斯气体钢瓶，打开阀门直到真空数显表接近大气压力。

4)将压力、温度、火焰速度采集软件设置在“等待外部触发状态”。

5)开启隔爆水幕水泵开关，打开水管的球阀，通过调压阀将水压调节为0.3,0.9,1.5,2.1,2.4 MPa。

6)打开爆炸压力、温度、火焰速度响应的采集软件，并把软件调整到等待触发模式，按下“点火引爆”按钮。

7)记录数据(数据采集装置会在点火前100 ms开始记录数据)。

以上过程完成了一次爆炸测试试验。

3　试验结果及分析

通过研发的大直径试验平台进行不同工况的水幕隔爆试验，分别得到不同瓦斯浓度和不同水幕流量条件下爆炸压力、火焰温度和火焰传播速度，利用Origin软件得出压力、温度和速度与时间之间的变化规律并进行分析。由于隔爆水幕位于第2段管道即测点1，2之间，根据压力和温度采集系统得到测点2，3，4数据基本相近，只是时间滞后和轻微衰减，为对比清晰，以测点2为例进行分析，由于火焰传播速度较快，测得结果是每个测速区间的平均值，并分为4个测速区间：区间1(2.65～7.6 m)，区间2(7.6～9.65 m)，区间3(9.65～13.15 m)，区间4(13.15～16.65 m)。

3.1　不同瓦斯浓度下隔爆水幕作用效果分析

图4为不同瓦斯浓度条件下压力、温度和速度变化曲线。

图4　不同瓦斯浓度条件下压力、温度和速度变化曲线Fig.4　Change curve of stress and temperature and velocity under different gas concentration conditions

由图4(a)可知，瓦斯浓度9.5%情况下，无隔爆水幕作用时，在42 ms时压力达到峰值为64 kPa，随后在200，280，70 ms时出现3次波峰压力分别为19，6，3 kPa，450 ms时压力开始均匀下降直到趋于0；在整个瓦斯爆炸过程中，压力很快到达最大正压值后开始下降直至最大负压值后压力重新上升，压力曲线不断震荡，震荡幅度不断变小直至归零。有隔爆水幕作用时，在80 ms时压力达到峰值为39 kPa，最大峰值衰减了39%，并且第1个波峰出现时间滞后38 ms，正负压之间震荡幅度更小，压力传播更慢，爆炸压力更快接近于0；由于水幕喷淋出水雾迅速蒸发成汽态，体积膨胀，从而对压力的传播有所阻隔，并且由于温度的降低减少了爆炸气体的膨胀，从而降低了瓦斯爆炸所产生的压力，进而证明了隔爆水幕可以有效地减少瓦斯爆炸冲击波所产生的超压破坏。

由图4(b)可知，瓦斯浓度在9.5%情况下，无隔爆水幕作用时，在200 ms时火焰最高温度达到969 K，而在隔爆水幕的作用下最高温度仅为498 K，最高温度衰减了49%，极大地降低了瓦斯爆炸的温度，并且更早的使试验管道内温度达到室温，从而证明隔爆水幕可以高效的减少瓦斯爆炸传播所造成的高温伤害。

由图4(c)可知，瓦斯浓度在9.5%情况下，无隔爆水幕作用时，传播速度从爆炸源点开始逐渐加速，在区间2出现最大值为136 m/s，由于管道直径较大，持续与管壁大面积接触摩擦，并且壁面不断散热，导致加速能量的损失，最终区间4的速度降低到115 m/s。有隔爆水幕的作用时，爆炸火焰传播速度最大值为73 m/s，最大速度衰减了15%，经过隔爆水幕后区间3，4的传播速度明显低于无水幕作用情况，最终区间4的速度降低到35 m/s，这是由于隔爆水幕降低了温度，降低了气体膨胀的速度，减慢了化学反应速度，从而使火焰传播速度下降。

在隔爆水幕的作用下瓦斯浓度为5.5%，7.5%，9.5%，11.5%的爆炸压力峰值分别为23，32，39，36 kPa；瓦斯爆炸的温度峰值分别为418，467，498，473 K；瓦斯爆炸速度峰值分别为65，68，76.15，73.15 m/s，均远远小于无水幕情况下瓦斯浓度为9.5%时的压力、速度、温度峰值。

总体来说，瓦斯浓度越接近9.5%，瓦斯爆炸越剧烈，其产生的爆炸压力、火焰温度和火焰传播速度越大；瓦斯浓度为11.5%的特征变化曲线与9.5%较为接近，由于氧气不足，瓦斯活性降低，特征值开始下降，而瓦斯浓度为5.5%时的爆炸效果明显低于瓦斯浓度为9.5%，是由于瓦斯含量不足，化学反应能量供给不足所导致；隔爆水幕虽然对瓦斯爆炸有良好的阻隔效果，大幅度降低了瓦斯爆炸所产生的压力、温度以及火焰速度，但隔爆之后的爆炸效果依然受到起爆时瓦斯浓度所影响。

3.2　不同流量下隔爆水幕效果试验分析

图5为隔爆水幕喷头的压力流量曲线，从图中可以看出在0～0.5 MPa时随着水压的升高，喷头流量上升速度很快，在水压0.6～1.0 MPa的范围内流量上升速度明显变慢，流量峰值在水压为1.0 MPa的情况下接近20 L/min，这说明在0.6 MPa之后已逐渐接近喷头的流量上限。

图5　压力与流量变化曲线Fig.5　Change curve of flow with pressure

图6为不同流量条件下压力、温度和速度变化规律曲线。

图6　不同流量条件下压力、温度和速度变化规律Fig.6　Change curve of pressure and temperature and velocity under different flow rates conditions

由图6(a)可知，压力曲线的总体变化趋势基于坐标轴往复运动并且逐渐衰减最后减小为零，整体来看正压峰值明显大于负压峰值，其中流量为3.8 L/min时隔爆效果最差，压力峰值为49 kPa，比流量为19.1 L/min时高29 kPa左右。流量为16.4，18.5，19.1 L/min时对爆炸压力的控制效果比较接近。

由图6(b)可知，温度曲线的总体变化趋势为先上升后下降，其中喷头流量为3.8 L/min时隔爆效果最差，温度峰值为700 K，比流量为19.1 L/min时高100 K，温度下降为室温时间慢100 ms，说明此时供水压力不足，喷头扇面未完全形成。流量为11.8 L/min时对温度的控制效果介于流量为3.8 L/min及流量为19.1 L/min之间。流量为16.4，18.5，19.1 L/min时，温度曲线比较接近，说明当流量达到16.4 L/min已比较接近喷头的最佳工作状态，喷水扇面幅度接近最佳状态，所以在流量超过16.4 L/min之后流量的上升对于温度的限制作用不明显。

由图6(c)可知，各测点在不同水压条件下对速度的控制效果随着水压的升高而增强，且均在第1测点达到峰值，随后下降。流量为3.8 L/min和19.1 L/min下火焰最大速度差为32 m/s，可以看出流量的增加对火焰传播速度产生较大影响，但流量上升至16.4 L/min后火焰速度下降幅度明显减小，16.4 L/min和19.1 L/min下火焰速度峰值差不足10 m/s，在这种情况下，按照降低经济成本原则流量为16.4 L/min为最优选。

综合考虑隔爆水幕喷头最佳的工作流量为16.4 L/min，此时支路总流量为49.2 L/min，支路的水压为1.5 MPa。

4　结论

1)瓦斯浓度9.5%情况下，在隔爆水幕的作用下瓦斯爆炸压力峰值由64 kPa下降到39 kPa，衰减了39%；瓦斯爆炸产生的温度峰值由969 K下降到498 K衰减了49%；瓦斯爆炸火焰速度最大值由136 m/s下降到73 m/s衰减了15%。

2)隔爆水幕对不同浓度的瓦斯爆炸产生良好的抑制效果，大幅度降低了瓦斯爆炸所产生的压力、温度以及火焰速度，但隔爆之后的爆炸效果依然受到瓦斯浓度影响。

3)隔爆水幕对瓦斯爆炸的抑制效果取决于喷头流量的高低，随着流量的增加，水幕的抑制效果增强，喷头最佳的工作流量为16.4 L/min。

4)当煤矿井下布置隔爆水幕时，可以综合参考不同瓦斯浓度和水幕流量时的瓦斯爆炸特性参数与时间的变化关系，但不同组数和不同布置角度的水幕隔爆效果及瓦斯爆炸特性参数变化规律还需进一步研究。

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