管道内置障条件下瓦斯爆炸传播规律的综述及展望*

2018-01-02刘振乾屈英杰王孟飞

安全 2018年7期

刘振乾屈英杰王孟飞

中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院

我国95%的煤炭生产是井工开采，煤矿生产过程中的事故灾害有瓦斯爆炸、顶板塌陷、火灾、水灾、煤尘爆炸5大灾害；而在煤矿事故中，瓦斯爆炸事故发生频率最高，造成的灾害最严重，占煤矿总事故的30%以上[1]。煤矿瓦斯爆炸严重限制矿井的生产，造成巨大的经济损失和人身伤亡。煤矿瓦斯爆炸经常发生在存在障碍物群（如通风设备、机械设备、测试仪器、各种管道、隧道支架、矿井风门等）的巷道中，而障碍物对煤矿瓦斯爆炸的火焰传播及爆炸超压等其他表征爆炸破坏能力的参数有重要影响。大量的研究表明，障碍物的存在对瓦斯爆炸压力和火焰传播速度具有显著的激励作用，障碍物的存在导致瓦斯爆炸的火焰传播速度极大地增加，形成更强烈的爆炸超压。掌握障碍物对瓦斯爆炸的影响，对维护人们的生命和财产安全具有重要的作用，故对管道内置障条件下瓦斯爆炸传播规律的研究有重要意义[2]。

1 瓦斯爆炸传播机理分析

在瓦斯爆炸机理方面，国内外许多学者都对于预混瓦斯气体爆炸的化学反应机理进行了研究。他们提出瓦斯燃烧和爆炸是一种复杂的物理化学过程，是热爆炸和链式反应机理综合作用的结果，两者相互促进，从而使甲烷的链式反应持续进行下去[3]。

矿井巷道中瓦斯爆炸绝大多数都可分为爆燃和爆轰2个阶段。在爆炸初期，爆炸是以爆燃波的形式向前传播，这时也会形成较大破坏作用的爆炸冲击波，随着可燃气体的完全反应，爆燃波演变为爆轰波，最后衰减为声波[4]。爆燃是一种带有压力波的燃烧；当燃烧阵面后边界有约束或障碍时，燃烧产物建立起一定的压力，波阵面两侧就建立起一个压力差，形成压力波，并以当地声速向前传播。由于压力波传播速度比燃烧阵面快,在燃烧阵面之前，因此也叫前驱冲击波；气体爆炸一般由前驱压力波和燃烧阵面构成典型的“两波三区”结构[5]。对于瓦斯爆炸来说，爆燃过程产生的危害不大，而一旦形成爆轰，其破坏作用大大增强，对爆燃转爆轰过程（DDT）的研究具有实际意义。

2 障碍物对瓦斯爆炸传播规律的研究

在实际情况中，煤矿瓦斯爆炸多发生在像通风设备、机械设备、测试仪器、各种管道、隧道支架、矿井风门、隔板及其类似物的障碍物存在的地方。而障碍物的存在对瓦斯爆炸压力和火焰传播速度具有显著的激励作用[6]。障碍物对气流和火焰的扰动会导致加速形成湍流现象，从而火焰传播速度极大地增加，形成更为强烈的爆炸超压[7]；障碍物的存在使爆炸波受到阻塞，火焰传播速度迅速提高，爆炸波的传播曲线变化幅度增大，很有可能出现爆炸波的突变界面和马赫数Ma≥1的现象，可能诱导激波的产生[8]；当激波产生后，会加强对附近构筑物及巷道的破坏作用，从而产生更大的事故，造成巨大的经济损失和人身伤亡。

2.1 障碍物的数量对瓦斯爆炸传播的影响

在管道瓦斯爆炸传播过程中，障碍物数量对瓦斯爆炸压力具有明显的激励效应，而且障碍物数量越多，对瓦斯的激励作用就越明显，对火焰的扰动就越明显[9]。随着障碍物数量的增多，瓦斯爆炸压力也相应增大，峰值超压增长也越快，而且距点火点越远的地方爆炸压力越大，在管道末端处达到顶峰；随着障碍物数量的增多，火焰传播速度迅速增大，火焰传播的最大速度也越大，但到达最大火焰传播速度的时间减小；随着障碍物数量的增多，火焰锋面传播的最大距离增大，火焰波及范围变大，但到达最大距离的时间变小[10]。

2.2 障碍物的形状对瓦斯爆炸传播的影响

障碍物的形状对火焰传播速度、最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率的影响程度是不同的[11]，其对最大瓦斯爆炸压力影响效果较小，对火焰传播速度与最大爆炸压力上升速率的影响效果较大[12]。王成、回岩等利用实验研究表明：对于挡板、弓型、圆环型、四孔圆环平面障碍物而言，挡板障碍物的影响最为明显，弓型次之，四孔圆环形影响最小，这是由于挡板障碍物阻塞部分位于管道的中央，导致气流流动扭曲最强，导致火焰形态产生褶皱和弯曲变形，使气体产生的湍流效应明显，加速火焰的传播；而弓型和圆环型障碍物放置在底部或边缘，引起的湍流效应相对较小，对最大气体爆炸压力上升速率影响相对较弱，四孔圆环障碍物由于孔数多、孔径小，反射作用强，导致能量损失增大，造成的影响效果最小[13]。

2.3 障碍物的阻塞率对瓦斯爆炸传播的影响

障碍物的阻塞率对瓦斯爆炸压力具有显著影响。障碍物在同一结构下，其阻塞程度在一定范围内与超压峰值呈正比，而最显著的超压增加发生在阻塞率较低的情况下，不同阻塞程度所呈现的压力峰值变化幅度不同。随着障碍物阻塞率的增加，导致火焰的传播速度加快，气体爆炸压力也相应增大；但火焰的能量损失会随着阻塞率的增加而增大，不利于火焰的传播，当单片障碍物的阻塞率为50%时，激励效果最显著，瓦斯爆炸压力也最大[11]；而在障碍物的阻塞率达到70%左右时，其最大压力峰值超压有减小的趋势，火焰速度就不会增加，反而会下降，甚至可能导致火焰淬熄[14]。

2.4 障碍物的位置对瓦斯爆炸传播的影响

障碍物的位置同样影响着火焰加速，障碍物的位置会改变火焰与其接触的时间点，从而导致障碍物对瓦斯爆炸的影响存在一定的差异[15]。障碍物靠近点火点时，所形成的湍流强度也相对较弱，而且随着与障碍物距离的增大，导致能量发生较大的损失，火焰传播速度上升不明显，气体爆炸超压峰值较低；当障碍物位于泄爆口时，火焰到达障碍物的时间晚，层流传播的时间较长，爆炸压力上升速度缓慢，而此时气体不断向外排出，故造成的湍流效果不显著，形成的气体爆炸超压峰值也相对较低；而当障碍物位于中心时，爆炸效果相对较强，气体爆炸超压峰值也相对较高[16]。障碍物的存在对管道内气体爆炸超压峰值的影响具有距离效应[17]。

2.5 障碍物的间距对瓦斯爆炸传播的影响

不同间距的障碍物对气体爆炸波所引起的扰动以及叠加效果是不同的，瓦斯爆炸压力随着障碍物间距的增大而增大，但是随着障碍物的间距的增大，瓦斯爆炸压力增大的幅度逐渐变小；总体来说，与障碍物数量、阻塞率相比，障碍物间距对瓦斯爆炸压力的影响效果是最小的[18]。随着障碍物间距越大，瓦斯爆炸火焰的传播速度呈现缓慢增长的趋势，较小间距的障碍物不利于火焰的增加，随着障碍物间距的增大，火焰在障碍物之间的传播距离也相应增大，从而参与气体爆炸反应的气体的量增大，导致气体爆炸压力和火焰传播速度随之增大。

2.6 障碍物的结构对气体爆炸传播的影响

在矿井巷道中，不可避免的存在许多结构的障碍物，这些障碍物有立体结构障碍物与平面结构障碍物，立体障碍物有：通风设施、机械设备、测试仪器、车辆、管道、支架等；平面障碍物有矿井风门、风窗、隔板等。郭丹彤等利用流体力学软件AutoReaGas模拟研究表明：障碍物在同一结构下（即平面结构、立体结构），瓦斯爆炸的超压峰值在一定的程度范围内与障碍物的阻塞率成正比，但在不同结构障碍物下的压力峰值变化幅度是不同的；在障碍物数量、位置、阻塞率、间距等一定的情况下，立体障碍物对爆炸压力的影响程度大于平面障碍物[19]。

3 问题与展望

国外在气体爆燃和爆燃转爆轰的研究方面已经取得了大量成果，国内也进行了一些研究，但是研究成果与国外相比仍存在明显的差距。而且大多学者都是在均匀浓度工况下做的爆炸研究，对非均匀可燃气体浓度分布条件下的爆炸研究相对较少，急需做进一步的研究。针对目前国内外瓦斯爆炸传播研究现状和存在问题，在今后可以将以下方面作为研究方向：

（1）不同浓度梯度下的非均匀分布瓦斯爆炸传播规律研究；不同浓度瓦斯爆炸产生的冲击波、压力是不同的，同理，在非均匀瓦斯分布的环境下，不同浓度下的瓦斯爆炸产生的压力、冲击波也会不同。因此为了科学准确的研究出瓦斯的爆炸传播规律，研究不同浓度梯度下的非均匀分布瓦斯爆炸传播规律是很有必要的。

（2）不同障碍物情况下的非均匀分布瓦斯爆炸传播规律研究；障碍物可以提高火焰的传播速度，使火焰加速甚至发生爆燃转爆轰；障碍物的数量、位置、间距、阻塞率、形状和结构都能对瓦斯爆炸火焰速度与压力造成不同程度的影响。因此障碍物对非均匀分布瓦斯爆炸传播的影响是一个需要研究的问题。

[1] 《煤矿瓦斯治理与应用总体方案》编写小组.煤矿瓦斯治理与应用总体方案[M].北京:国家安全生产监督管理总局,2005

[2] 董杰,李希建,李国祯.基于FTA方法的矿井瓦斯爆炸安全评价[J].矿山机械,2011,39(12):109-112

[3] 蔺照东.井下巷道瓦斯爆炸冲击波传播规律及影响因素研究[D].山西:中北大学,2014

[4] 司荣军.瓦斯煤尘爆炸研究现状及发展趋势[J].矿业安全与环保,2014,41(1):72-75,79

[5] 高玉刚.管道中可燃气体燃爆特性研究[D].安徽:安徽理工大学,2011

[6] 吴红波,陆守香,张立.障碍物对瓦斯煤尘火焰传播过程影响的实验研究[J].矿业安全与环保,2004,(3):6-8,1

[7] 李国庆,杜扬,齐圣,等.障碍物对油气-空气混合气体泄压爆炸火焰传播特性影响[J].中国安全生产科学技术,2017,(1):163-168

[8] 林柏泉,周世宁,张仁贵.障碍物对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的影响[J].中国矿业大学学报,1999,(2):6-9

[9] 侯万兵,谭迎新,袁宏甦.障碍物影响下瓦斯爆炸压力传播规律研究[J].中国煤层气,2009,6(6):43-46

[10] 杨凡,陶刚,张礼敬,等.障碍物对气体爆炸压力场影响数值模拟[J].中国安全生产科学技术,2013,9(2):59-63