T型管道不同封闭状态瓦斯爆燃火焰传播特征*

2019-09-06解北京王广宇董春阳

中国安全生产科学技术 2019年8期

解北京，王广宇，董春阳，王亮

(1.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京，100083；2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作，454000)

0 引言

目前我国能源消费结构中煤炭的所占比例仍为62%，而且在今后相当长的时间，煤炭作为我国主导能源仍然拥有不可替代的地位[1]。我国煤矿井下开采占比为95%以上，随着开采深度和范围地不断推进，煤层中普遍拥有较高的瓦斯赋存量，导致煤层瓦斯爆炸成为矿山安全生产的主要危害之一[2-3]。瓦斯爆炸时会产生3个致命因素：火焰锋面、冲击波和井巷大气成分的变化，从而造成生产人员的伤亡和物资的损害[4]。

国内外学者一直把煤矿瓦斯爆燃火焰在管道内传播研究工作作为热点问题，许多学者开展了瓦斯爆燃火焰在直管管道内传播规律的实验和模拟研究。Wada y,Yum等[5-6]研究了火焰阵面通过障碍物的传播过程，并用高速摄像记录到火焰阵面离开障碍物后发生了剧烈反应，并产生较高的超压；Xiao h等[7]对火焰阵面通过障碍物进行数值模拟，显示在障碍物后产生的火焰旋涡沿着管道壁面被火焰带出，火焰阵面产生破裂的现象；徐景德等[8]在51.8 m长的模拟巷道中研究了点火位置、浓度对爆炸火焰传播的影响，认为不同尺寸的模拟巷道内爆炸火焰传播有着明显的尺度效应；郑万成[9]在管长20 m的实验管道内模拟研究了掘进巷道内瓦斯爆燃火焰传播的速度和压力，瓦斯爆燃后火焰传播的速度先增长后减小，超压峰值随着火焰传播呈“双凹形”分布；罗振敏等[10]采用高速摄影系统发现瓦斯浓度越大爆炸感应期越短，瓦斯爆燃的浓度越大火焰达到突变所用时间越短；解北京等[11-12]综合利用光电传感器、离子探针、热电偶、压力传感器研究发现管道内障碍物导致瓦斯爆炸火焰湍流程度加大。

针对复杂管道内瓦斯爆燃火焰传播规律现有的研究成果主要侧重90°弯管内火焰传播的规律。张一博等[13]利用压力测试系统和速度测试系统研究了弯管不同角度对火焰阵面速度和产生超压的变化规律；何学超等[14-15]运用高速摄像系统、离子探针和微细热电偶等方法发现了火焰通过90°弯曲管道后，火焰阵面发生畸变，火焰震荡前行；翟成等[16-18]研究了结构异常管路中拐弯处的瓦斯爆燃传播是火焰复杂流动和压力波相互作用的过程，弯管的爆炸火焰传播过程中速度、超压值均有大幅提高。

煤矿井下分岔巷道十分常见、错综复杂，目前所取得的成果基本上是针对小尺寸直管或简单弯管内瓦斯爆炸火焰形态、传播速度以及爆炸超压来模拟和分析井下巷道瓦斯爆炸火焰的传播情况[19]，对于分岔管路不同闭口情况下瓦斯爆燃火焰传播的研究成果较少。参考文献[19-20]，对点火位置与分岔角度对火焰阵面的传播特征的影响进行了研究。本文采用自行设计的一种支管与直管呈90°的T型分岔管道，对分岔管支管完全封闭，直管左侧弱封闭，直管右侧设置完全封闭与弱封闭2种对比情况，研究瓦斯爆燃火焰阵面在支管、直管左侧和直管右侧不同截面位置的光电信号、阵面传播速度和压力的参数变化因素，分析不同封闭状态对井下分岔巷道发生瓦斯爆燃火焰阵面传播规律影响。

1 实验系统设计

1.1 实验装置

实验装置主要包括瓦斯爆炸管道、充气系统、发爆系统、信息采集记录系统4个部分组成，如图1和2所示。

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

图2 实验系统实物Fig.2 Material object of experimental system

瓦斯爆炸分岔管道由有机玻璃直管(长度400 mm、厚度15 mm、内径为80 mm)，有机玻璃分岔管、方形法兰和方形硅胶垫圈连接而成。分岔管道的支管端处于封闭状态，直管左端口用薄膜弱封闭，直管右端2种封闭状态。充气系统由甲烷气瓶、压力表和配气罐连接而成。点火系统由发爆器(SFK-300型)和自制的起爆针组成。数据采集系统由数据采集仪、光电信号传感器和压力传感器组成。

1.2 信息采集系统及设备

如图1所示，压力传感器和光电传感器分别从上下两侧深入管内，各截面测点均为压力传感器从管道上侧，光电传感器紧挨着压力传感器。在直管侧架设索尼D7200摄像机对瓦斯爆燃过程以25帧/s进行拍摄。采用CY-YD-205压电式压力传感器，测压范围为0～10 MPa，配套YE5853电荷放大器。采用Risym光敏二极管模块，工作电压9 V。采用具有32个完全隔离通道的HIOKI 8826存储记录仪进行数据记录，最高采样速率为1 MS/s[21]。实验中所有通道的采样速率设置为1 KS/s。

2 T型分岔管道不同封闭状态瓦斯爆燃火焰传播实验

实验方案见表1，实验所选T型分岔管道支管端处于完全封闭状态，直管左端口用塑料薄膜弱封闭，直管右端口分别采取塑料薄膜弱封闭或完全封闭开展2种对比实验。其中，弱封闭指仅采用保鲜膜封堵，而完全封闭指采用厚有机玻璃法兰封堵。管道内充入体积浓度9.5%的甲烷-空气预混气体，点火位置选在距离管道闭口端300 mm的分岔管道支管端部。

表1 实验方案Table 1 Experimental scheme

2.1 直管右端弱封闭瓦斯爆燃火焰传播实验结果

T型分岔管道直管左右两端皆做弱封闭处理，点火时刻，起爆器点火发出了明亮的光，由于瓦斯爆燃后产生的中间产物受到高温进一步燃烧，爆炸火焰阵面传出管道后有微弱的淡蓝色火焰。

2.1.1 直管右端弱封闭火焰阵面传播光电信号分析

直管右端弱封闭状态下T型分岔管内瓦斯爆燃火焰传播过程光电信号曲线，如图3所示。

图3 直管右端弱封闭火焰传播光电信号Fig.3 Photoelectric signals of flame propagation when right end of straight pipe was weakly closed

由图3可知，点火后，火焰迅速向未燃区域传播，30 ms时刻分岔处传感器最先采集到的光电信号，通过分岔角后，沿着瓦斯爆燃火焰阵面继续传播的方向，各光电传感器依次起跳，在火焰阵面接近各感应器时光电信号曲线直线上升，火焰阵面通过后信号曲线呈现逐渐下降的趋势；由于火焰阵面传播过程的不稳定性，曲线在下降过程中除去了明显的波动，在80～90 ms时光电信号消失，管内瓦斯消耗殆尽。通过火焰传播后经过的1个光电传感器和直管左右两侧距离开口最近的传感器的起跳时刻，可以算出火焰从分岔处传播到直管左右端离分岔处600 mm光电传感器的时间皆为9 ms。

2.1.2 直管右端弱封闭火焰传播速度与压力分析

光电传感器对火焰光有很强的敏感性，火焰阵面通过到达各个光电传感器时，光电传感器会立即响应，将光电信号峰值时刻作为火焰阵面到达各光电传感器位置的时间，通过相邻2个光电传感器信号的变化得出各区间位置的平均速度，从而得到T型分岔管道内瓦斯爆燃火焰传播过程中至各区间平均速度情况，如图4所示。同时通过压力传感器测得T型分岔管道内瓦斯爆燃火焰阵面传播过程各截面测点超压曲线，如图5所示。

图4 直管右端弱封闭火焰传播各区间平均速度Fig.4 Average velocity of flame propagation in each section when right end of straight pipe was weakly closed

图5 直管右端弱封闭火焰传播各截面超压曲线Fig.5 Overpressure curves of flame propagation in each cross-section when right end of straight pipe was weakly closed

由图4可知，“Ⅰ”表示支管内距离分岔处400～600 mm的区间，“Ⅱ”表示支管内距离分岔处200～400 mm的区间，“Ⅲ”表示支管内距离分岔处0～200 mm的区间，“Ⅴ”，“(Ⅴ′)”分别表示直管左、右两侧距离分岔处0～200 mm的区间，“Ⅳ”，“(Ⅳ′)”分别表示直管左、右两侧距离分岔处200～400 mm的区间，“Ⅵ”，“(Ⅵ′)”分别表示直管左、右两侧距离分岔处400～600 mm的区间。

通过速度曲线可以发现，分岔管道内点火后瓦斯爆燃火焰阵面在支管内传播时，速度呈现先增大后减小的趋势。当火焰经过分岔处后火焰阵面传播速度急速升高，火焰阵面从左侧出口处传出时Ⅵ区间的速度为86.29 m/s，右侧出口处传出时Ⅵ′区间的速度为88.07 m/s。可见，火焰阵面经过直管左右两侧对称位置时的速度基本相同，传播速度曲线基本吻合，这也验证了火焰几乎同时到达支管两端光电信号传感器。

由图5可知，点火后各截面超压曲线随火焰传播方向依次起跳，先升高至峰值在70 ms左右开始下降，至200 ms左右达到最低值，最后在600 ms左右时恢复至正常大气压。这是由于瓦斯爆燃火焰传播过程中产生的冲击波在到达截面测点时，超压会迅速上升到达峰值，当冲击波波阵面通过截面测点后，受压缩的气体膨胀和冲击波后面的瓦斯爆燃产物的振动和高温影响，会使超压持续下降[22]。瓦斯爆燃火焰向直管两端出口传播过程中超压有逐渐下降的趋势。

当冲击波波阵面传播到管道分岔处时，管道断面突然增大2倍，波阵面表面积增大，单位面积能量减小，超压值减小，也印证了火焰阵面到达分岔处时速度降低。而经过管道分岔处后，形成两股超压值较小的新冲击波向直管两侧继续传播，压力波在传播过程不断产生的反射压力波会降低火焰传播的速度；由于直管两端处于薄膜弱封闭状态，燃烧不够充分，没能增大冲击波的能量，导致瓦斯爆燃火焰经过分岔后超压值最小。此外，支管与直管左右两侧之间均是直角，直管两侧所处的环境相同，直管左右两侧截面压力传感器所测得超压峰值基本一致。

2.2 直管右端完全封闭瓦斯爆燃火焰传播实验结果

T型分岔管道直管左端做弱封闭处理，右端完全封闭，瓦斯爆燃火焰传播过程实景用摄像机进行了拍摄，由于实验相机条件所限，直管右端封闭状态火焰传播过程中只选取了6帧图片，如图6所示。

图6(a)所示为火焰传播到分岔处时刻图；由图6(b)～6(d)可以看出在支管端点火后火焰向直管左侧传播速度较快，向直管右侧传播过程中火焰阵面由凸型变成了凹型并且强度减小；由图6(e)～6(f)可以看出火焰接近封闭端时火焰强度突然变大，之后火焰逐渐消失。

2.2.1 直管右端完全封闭各截面的光电信号

图7为分支管右端完全封闭状态下T型分岔管内瓦斯爆燃火焰传播过程光电信号曲线。

支管端点火后，管道壁面上的光电传感器随着火焰阵面的传播依次起跳。直管最右端光电测点(距离分岔处600 mm)起跳的时间比直管最左端光电测点的起跳的时间晚了38 ms，而且直管右侧距离分岔处200，400 mm处的光电信号曲线出现明显的震荡，如图7(b)虚线标注所示，说明火焰经过分岔后向直管右端传播过程中，火焰阵面出现了正向-反向不断震荡传播。直管右侧距离分岔处400 mm处的光电信号曲线在200 ms时出现了一个很陡的波峰，距离分岔处200 mm处的光电信号也在此时出现了一个明显的波峰，曲线从波峰下降后直接趋于零，说明火焰传播到直管最右端时燃烧忽然剧烈，出现了很明亮的光，然后火焰随即熄灭，这与摄像机拍到的实际情况图6(e)相吻合。

2.2.2 直管右端完全封闭火焰传播速度与压力

T型分岔管道内瓦斯爆燃火焰传播过程中的速度曲线如图8所示。T型分岔管道内瓦斯爆燃火焰阵面传播过程各截面测点超压曲线如图9所示。

由图8可知，火焰阵面在支管内传播速度先增大后减小，火焰阵面经过分岔向直管左侧传播时速度急剧升高，这与实验一火焰阵面传播规律相同；火焰阵面在直管左侧传播过程中，速度呈现了先减小后增大的趋势，在开口处速度达到最大为166.67 m/s，主要是由于直管左侧属于薄膜弱封闭状态，火焰传播到分岔处产生的高温膨胀会使瓦斯气体溢出，瓦斯浓度降低传播速度减小，火焰在临近出口时，压力减小速度增大；火焰阵面经过分岔向直管右侧传播时，速度逐渐减小至4.84 m/s。

图6 直管右端完全封闭火焰传播实景拍摄Fig.6 Real photographs of flame propagation when right end of straight pipe was completely closed

图7 直管右端完全封闭火焰阵面传播光电信号曲线Fig.7 Photoelectric signals of flame front propagation when right end of straight pipe was completely closed

图8 直管右端完全封闭火焰传播各区间平均速度Fig.8 Average velocity of flame propagation in each section when right end of straight pipe was completely closed

图9 直管右端完全封闭火焰传播各截面超压曲线Fig.9 Overpressure curves of flame propagation in each cross-section when right end of straight pipe was completely closed

由图9可知，支管处截面测点、分岔处截面测点、直管左侧截面测点的超压曲线较为平滑；直管右侧截面测点的超压曲线如局部放大图所示前期有小的波峰，大的波峰在上升和下降过程中超压曲线出现轻微的震荡，而且由峰值下降到负压以后曲线出现明显的波动。火焰阵面在传播过程中支管处截面测点、分岔处截面测点、直管左侧截面测点、直管右侧截面测点的峰值超压分别为0.064，0.057,0.043，0.187 MPa。可知，火焰阵面向直管左侧传播时峰值超压逐渐减小，直管左端属于薄膜弱封闭状态，右侧属于完全封闭状态，因此左侧截面测点的超压值较小，直管右侧截面测点的超压峰值最大。

3 不同封闭情况瓦斯爆燃火焰传播实验结果探讨

通过2组实验结果对比分析发现，火焰阵面在不同封闭状态T型分岔管支管中的传播规律是一致的，瓦斯爆燃后火焰阵面在支管中加速传播，受T型管道直管与支管90°夹角的影响，火焰在传播到临近分岔处时会受到反射冲击波的作用在接近分岔处时减小，由于火焰在分岔处充分燃烧产生的高温气体产物会加剧火焰湍流的程度使得火焰经分岔处向直管两侧分别传播时速度再次快速增大。通过对比平均速度曲线，当直管右侧保持弱封闭状态时，火焰阵面在直管两侧传播过程中的传播特性基本一致，传播速度最高都达到了88.29 m/s，且两侧截面超压的变化趋势一致；而当直管右端被完全封闭时，火焰经过分岔处后向直管左侧传播的速度最大值达到了166.7 m/s，而向右侧传播时速度则不断减小至4.84 m/s，因为直管右端属于完全封闭状态，当火焰阵面的前驱压力波传播向直管右封闭端时，由于法兰的阻挡导致局部压力快速上升，并对空隙中的未燃气体加热和压缩，进一步加剧了湍流[22]，进而对火焰阵面起反馈作用，从而产生了火焰震荡的现象，导致传播速度不断减小。

煤矿井下T型分岔巷道较为常见，从相机拍摄的实物图及光电信号曲线可以看出，火焰阵面不断接近直管右端完全封闭壁面时，锋前未燃气体在高压的作用下充分燃烧，火焰再次变大，然后火焰逐渐消失。因此，管道封闭状态对瓦斯爆燃火焰阵面的传播特性有明显的影响，对井下T型分岔巷道内瓦斯爆燃火焰传播规律及其抑制措施地研究具有一定参考价值。