管道内置障条件下瓦斯爆炸超压规律的实验研究

张迎新， 孙海波

(1.黑龙江科技大学安全工程学院，哈尔滨150022;2.瓦斯等烃气输运管网安全基础研究国家级专业中心实验室，哈尔滨150022;3.鸡西矿业集团有限责任公司，黑龙江鸡西，158100)

管道内置障条件下瓦斯爆炸超压规律的实验研究

张迎新1，2， 孙海波3

(1.黑龙江科技大学安全工程学院，哈尔滨150022;2.瓦斯等烃气输运管网安全基础研究国家级专业中心实验室，哈尔滨150022;3.鸡西矿业集团有限责任公司，黑龙江鸡西，158100)

为探求管道内置障条件下瓦斯气体爆炸超压规律，采用中型尺寸瓦斯爆炸实验装置，开展瓦斯体积分数为6.0%、9.5%、13.0%条件下无内置障碍物、含内置障碍物瓦斯爆炸实验，获取了不同条件下的瓦斯爆炸超压值。通过对不同条件下瓦斯爆炸超压分析，获得了有无障碍物条件下瓦斯爆炸超压变化规律。结果表明:无内置障条件下各测点瓦斯爆炸超压遵循特定的规律，爆炸腔体内的超压峰值均不超过1 MPa。不同瓦斯体积分数的爆炸超压峰值出现在测点2处。在支路1中加设障碍物后，各测点超压值相对于无障碍物时的爆炸超压值均有增大现象。

瓦斯;爆炸;障碍物;爆炸超压

0 引言

矿井瓦斯是威胁煤矿井下安全生产的有害气体，一旦发生爆炸，产生破坏性极强的冲击波和高热火焰。产生大量的CO、CO2等有毒有害气体，消耗大量O2，不仅造成严重的人员伤亡，还可能破坏巷道及巷道内通风构筑物，引发风流紊乱导致通风系统的破坏。衡量瓦斯爆炸破坏性程度的关键指标就是爆炸所产生的超压。因此，研究有、无内置障碍物条件下瓦斯爆炸所产生超压的传播衰减规律具有重大的理论和实践意义。

徐景德教授等［1－3］研究了瓦斯爆炸过程的激励效应，当爆炸冲击波经过障碍物时，障碍物附近的气体压力明显上升，且变化显著。林柏泉教授［4］分析了瓦斯爆炸过程中的动力学特征参数及影响作用，指出障碍物作用下瓦斯爆炸冲击波和火焰的传播表现出加速特征。王海宾等［5］研究了障碍物阻塞率和障碍物设置间距对气体爆炸压力和爆炸持续时间的影响，其结果表明，随着障碍物的阻塞率增大，气体爆炸压力增加而爆炸持续时间变短。蔺照东等［6］研究得出障碍物改变了爆炸冲击波的传播规律，增大了最大峰值超压，同时，障碍物数量越多、尺寸越大，影响越显著。文献［7］研究了瓦斯爆炸压力随着障碍物间距的变化而变化的规律关系。王凯等［8］建立了利用弱面玻璃板模拟通风设施的管路实验模型，研究了瓦斯爆炸超压波遇不同位置弱面板的超压峰值变化规律，并分析了弱面板破坏前后超压峰值的变化规律及分布特征，为风网模型中通风设施的防爆配置提供指导。

目前，瓦斯爆炸研究都是理论或通过大型巷道与管道来进行的，主要探讨瓦斯爆炸的诸多影响因素，并基于瓦斯爆炸实验，讨论爆炸的压力变化规律、火焰传播作用规律以及障碍物对其影响等，对于瓦斯爆炸后影响通风设施的研究较少。本研究以探索煤矿巷道复杂结构及多种复杂条件下瓦斯爆炸的特征为基点，研究瓦斯爆炸规律及对通风设施的影响，为科学合理设置通风构筑物、减小瓦斯爆炸对通风系统造成的损害提供理论指导和技术支持。

1 实验

1.1 实验仪器

瓦斯爆炸模拟实验系统如图1所示。该系统主要由燃爆腔体、扩散管路等组成的瓦斯爆炸模拟装置主体部件、抽真空装置、配气装置、点火装置以及数据采集分析装置构成。其中，燃爆腔体参数: DN300 mm×1 500 mm，容积109 L。单个扩散管参数:DN125 mm×2 200 mm。燃爆腔体及扩散管路是可燃气体燃爆发生和传播的场所，由于容纳爆炸介质温度压力以及导引燃爆气体扩散。为满足燃爆腔体内配气、抽真空的需要，用爆破压力小于90 kPa的塑料薄膜将燃爆腔体与扩散管隔开并实现密封，爆炸管为开口容器。图2进一步标注出本实验过程中实验管路中瓦斯爆炸超压传感器及障碍物安装位置。

图1 实验系统示意Fig.1 Schematic of experimental system

图2 实验管路中传感器及障碍物安装实验系统Fig.2 Experiment system of sensor and failities fix in pipeline

1.2 实验步骤

(1)利用压缩空气吹扫管道，吸尘器吸尘，达到清理爆炸管的目的。

(2)挑选表面光洁无损伤的聚四氟乙烯塑料膜，安装在夹持器上，并整体安装在燃爆腔体右盲板与伸缩节之间。

(3)将高能点火头安装在燃爆腔体左盲板的安装孔内，并检查点火电极间隙，确保点火成功。

(4)连接好各配气管线后，观察点火控制屏上动态压力显示框内数值，按要求完成相应实验介质配制工作。

(5)打开计算机中数据采集程序，使程序进入“数据采集等待状态”。

(6)按实验要求设置参数，点火压力0 kPa，阀门迟滞时间1 s，静电点火延时固定为60 ms，续弧电压200 V。

(7)检查管路联接是否正常，管道上阀门是否按要求打开或关闭，高速数据采集软件是否处于等待触发状态，甲烷钢瓶是否处于安全位置，所有实验人员是否处于安全位置。

(8)插上高压点火线。

(9)续弧充电，直到续弧电压稳定在设定电压附近;触发充电，确保充电满5 s后启动点火按钮。

(10)泄放剩余电压，检查实验数据。实验结束，依次关闭电源。

1.3 实验材料

本实验中所用塑料薄膜材料为聚四氟乙烯材质，实际厚度为0.3 mm，最高耐压小于90 kPa;内置障碍物为胶合板，厚度为0.005 m，极限破坏强度0.045 MPa。瓦斯气体由纯甲烷气体按实验所需浓度配比，CH4气体体积分数为99.99%，气体购置于哈尔滨通达特种气体有限公司。

2 实验结果与讨论

2.1 无内置障碍条件下瓦斯爆炸超压规律分析

图3为实验管路中置障前后不同浓度甲烷爆炸各测点超压曲线。由图3可知，三种瓦斯浓度爆炸超压均遵循特定的规律。爆炸腔体内的超压值并不是整个爆炸反应过程的超压峰值。随着扩散管路的变化。超压值相应改变，直管路传播中，从燃爆腔体到扩散管路，变径后各瓦斯浓度的爆炸超压峰值出现在测点2处(距爆源3.75 m)。实验测得体积分数为9.5%的瓦斯爆炸实验，各传感器爆炸超压值均大于其他各个浓度瓦斯气体相应各测点的爆炸超压值，且爆炸实验现象强烈。

各实验浓度气样在燃爆腔体、主管道、支路管道及拐弯管道内的超压值变化规律曲线分析显示，不同浓度瓦斯气体的超压峰值变化趋势呈波动性，爆炸超压峰值均出现在距离点火源3.75 m处。当瓦斯空气预混气体被点燃后，在管道内形成两波三区流场区域。各波形阵面受到封闭点火段反射波的叠加作用和管道内壁摩擦产生的湍流作用，随爆炸反应的持续燃烧面积增大，爆炸的强度逐渐增强，爆炸超压亦逐渐增大。随着传播距离的增加，反应过程中能量受扩散管道内壁的摩擦作用的消耗和散热作用，燃爆气体爆炸超压逐渐减小。瓦斯气体在燃爆腔体内发生爆炸后，冲击波由截面积大的腔体向截面积小的管道传播。管道连接处产生的局部能量损失使冲击波能量降低，但2#测点压力传感器曲线压力数值升高，因冲击波传播断面的变化产生了压缩波形，在传播过程中产生再次整流冲击，形成一个扰动源，诱导产生附加湍流。此时，气流湍流度增大，使瓦斯爆炸过程中冲击波传播速度迅速提高，于是在传播至2#测点压力传感器处时压力值升高，但随着管路的延长，冲击波因管壁摩擦及能量消耗而使压力数值降低，在直管路分叉前的5#测点处传感器达到低点。到达支路管道之后由于受到支路管道(相当于传播路径断面扩大)的泄压作用，爆炸超压有一定程度的降低(如测点6处传感器所测超压值降低)。无论在直管路还是支路管道，爆炸反应受能量损失及热量扩散的影响，冲击波超压衰减，爆炸超压逐渐减小，冲击破坏能力降低。尤其遇到分叉管路，在支管1和支管2处产生泄压效应，冲击波能量损失明显。

2.2 含内置障碍条件下瓦斯爆炸超压分布规律

管路中置障后各测点瓦斯爆炸超压曲线，见图3。各气样爆炸从2#传感器到5#传感器瓦斯爆炸超压为降低的趋势，到达有分岔管道之后主管道上测点6处的超压有一定的降低。支路管道1中测点7#传感器的超压要小于主管道测点5处的爆炸超压，这是因为加设施后冲击波能量衰减的结果。支路2中超压小于主管路中的超压值，拐弯支路中在测点9处的超压要大于主管道测点6处超压，并且测点9处超压大于测点8处。支路管道中，拐弯支路爆炸超压值最大，因为冲击波经过测点6处后，遇到支路2叉口，叉口处断面增大，冲击波在此分叉点处产生流态变化，经过分叉口后能量在一定距离内是衰减趋势，此冲击波在传播过程中遇到拐弯支路，拐弯处管道壁面会对冲击波压力造成弹射，湍流效应增强，波阵面会发生气流漩涡。气流受压缩后转入拐弯支路中，冲击波压力叠加，冲击波波阵面速度提高，使测点9处压力值升高，且较测点6处压力高。

图3 置障前后不同浓度瓦斯爆炸超压分布规律Fig.3 Distribution regularities of overpressure of different concentrationgas sample before and after obstruction

对比图3数据可知，在支路1中加设障碍物后，各浓度瓦斯爆炸时，每个测点超压值相对于无设施时的爆炸超压值均有增大现象。从测点6、7和8处超压值对比可以看出，在支路1中超压要小于主管道测点5处超压，即爆炸冲击波在传播过程中遇到分叉管路时，冲击波能量会产生损失，超压值降低。这是由于爆炸压力波传播到支路1处时相当于遇到了断面扩大区域，引起冲击波传播激变。断面的扩大使流体动能发生变化，冲击波会产生涡漩。涡漩通过分叉点后，冲击波超压较分叉前降低，引起测点6处超压减小。测点7处前有设施，在设施受到破坏前，在设施前方产生了波前峰的反射。反射波与后续波面相遇部分抵消后，能量降低，在瓦斯体积分数为9.5%时，引起设施破坏后测点7处超压数值下降幅度较大。瓦斯体积分数为6.0%时，因为可燃气体瓦斯体积分数不足以形成快速的链式反应过程，产生的爆炸能量较小，冲击波传至测点7处时，能量不能破坏设施;瓦斯体积分数为13.0%时，因可燃气体体积分数过高，从而导致氧气体积分数不足以支持爆炸反应的持续发生，生成的能量较少，设施亦未受到破坏，这两种体积分数条件下瓦斯爆炸冲击波传播时，测点7处压力为零。

在管路系统支路1中加入设施后，爆炸腔体内超压在各体积分数瓦斯燃爆后均有不同程度的增加。在设施未被破坏情况下，相当于两个出口，相比无设施时减少一条管路出口，所以在相同积分数、相同瓦斯量爆炸时，在各测点处冲击波能量有上升现象，但从冲击波传播规律角度分析，总体趋势与空白实验(未加设施时的实验)时相同。

3 结论

(1)无内置障碍条件下各测点瓦斯爆炸超压遵循特定的规律，爆炸腔体内的超压峰值均不超过1 MPa。各瓦斯体积分数的爆炸超压峰值出现在测点2处。

(2)在支路1中加设障碍物后，各体积分数瓦斯爆炸时，各测点超压值相对于无设施时的爆炸超压值均有增大现象。加设障碍物后，体积分数6%和13%的瓦斯爆炸产生的冲击波均未破坏分叉管路中的设施。

(3)实验中，分叉支路对冲击波有泄压效应，使得冲击波能量衰减。直角拐弯支路(距拐角0.1 m)对原直线管路冲击波能量有暂时增强作用。

［1］ 徐景德.置障条件下的矿井瓦斯爆炸传播过程数值模拟研究［J］.煤炭学报，2004，29(1):53－56.

［2］ 徐景德.矿井瓦斯爆炸冲击波传播规律及影响因素研究［D］.北京:中国矿业大学，2003.

［3］ 徐景德，杨庚宇.瓦斯爆炸传播过程中障碍物激励效应的数值模拟［J］.中国安全科学学报，2003，13(11):34－44.

［4］ 林伯泉.瓦斯爆炸动力学特征参数的测定及其分析［J］.煤炭学报，2002，27(2):164－167.

［5］ 王海宾，尉存娟，谭迎新.水平管道内障碍物对气体爆炸压力影响的研究［J］.广州化工，2011，39(4):43－46.

［6］ 蔺照东，李如江，刘恩良，等.障碍物对瓦斯爆炸冲击波影响研究［J］.中国安全生产科学技术，2014(2):28－32.

［7］ 尉存娟，谭迎新，张建忠，等.不同间距障碍物下瓦斯爆炸特性的实验研究［J］.中北大学学报，2015(2):88－190.

［8］ 王 凯，蒋曙光，马小平，等.瓦斯爆炸致灾通风系统实验及应急救援方法［J］.中国矿业大学学报，2015(4):617－622.

(编辑 晁晓筠 校对 李德根)

Experimental study on effect of obstacles on gas explosion overpressure in duct

Zhang Yingxin1，2， Sun Haibo3
(1.School of Safety Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China; 2.National Central Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation Pipeline Safety，Harbin 150022，China; 3.Jixi Mining Group Co.Ltd.，Jixi 158100，China)

This paper aims to explore the gas explosion overpressure law in the condition of pipeline with obstacle.The research using medium-sized gas explosion test device is focused on the gas explosion experiments with the gas concentration of 6.0%，9.5%，and 13.0%under the conditions of no internal obstacle and internal obstacle to derive the overpressure value of gas explosion under different conditions.The work involves analyzing the overpressure of gas explosion under different conditions，and comparing the gas explosion overpressure law under the condition of obstacleor no obstacle.The results show that without any obstacle conditions，each point of gas explosion overpressure follows a specific rule and the overpressure peak in the explosion chamber does not exceed 1 MPa.The burst overpressure peaks of the gas concentration occur at point 2.The experiment further confirms that when the gas concentration is 9.5%，the explosion pressure is the largest，and the explosion effect is the strongest.Adding the obstruction to the branch 1 yields an increases in the overpressure value of each measuring point relative to the explosion overpressure value without any obstacle.

gas;explosion;obstacles;explosion overpressure

10.3969/j.issn.2095－7262.2017.04.006

TD712.71

2095－7262(2017)04－0350－04

:A

2017－05－14

国家自然科学基金项目(51404102;51274267)

张迎新(1978－)，男，黑龙江省海伦人，副教授，博士研究生，研究方向:矿井通风，瓦斯灾害防治，E-mail:zhangyingxin01@ 126.com。