障碍物对瓦斯煤尘爆炸火焰传播规律的影响*

2019-10-16景国勋吴昱楼郭绍帅邵泓源张胜旗

中国安全生产科学技术 2019年9期

景国勋，吴昱楼，郭绍帅，邵泓源，刘闯，张胜旗

(1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454000； 2.安阳工学院，河南安阳 455000)

0 引言

在煤矿生产发生的事故中，瓦斯和煤尘耦合爆炸是较严重的事故之一，并且井下开采大多数情况下瓦斯和煤尘是并存的，瓦斯和煤尘任一发生爆炸，会引发另一种的爆炸，煤尘和瓦斯共同参与爆炸，往往会造成更为严重的伤害和破坏。瓦斯和煤尘爆炸过程中产生的火焰会造成人员伤亡、设备损坏，甚至引发二次爆炸，具有极大的危险性。在实际矿井生产中，爆炸多发生于环境复杂的井下巷道中，爆炸区内往往存在大量障碍物，障碍物的存在会改变火焰的形状，提升火焰的传播速度，使爆炸的危险性提高。因此，研究置障管道内火焰的传播规律对于预防瓦斯煤尘爆炸事故的发生及降低灾害损失有着重要意义。

关于爆炸产生的火焰前人已进行了许多研究。LI等[1]研究了煤尘/空气混合物的爆炸严重程度，火焰传播特性，气体和固体残留物的特性及系统地分析了残留物特征与爆炸严重程度之间的相关性；邓浩鑫等[2]在有机玻璃管道中研究了瓦斯爆炸火焰在对称障碍物阻隔下的传播过程；余明高等[3]在小尺寸实验平台上研究了障碍物阻塞比和形状对甲烷/氢气爆炸特性的影响；韩蓉等[4]用数值模拟的方法研究了密闭空间内障碍物对瓦斯爆炸火焰传播过程的影响；余明高等[5]研究了交错障碍物对爆炸火焰的形状、速度和压力的影响；尉存娟等[6]研究了瓦斯爆炸火焰和压力在不同间隔距离障碍物下的变化规律；陈鹏等[7]采用实验和大涡模拟结合的方法研究了方孔障碍物对瓦斯/空气爆炸产生的火焰形状、传播速度和火焰流场结构的影响；张莉聪、魏嘉等[8-9]使用数值模拟的方法研究了障碍物对瓦斯与煤尘混合物爆炸超压和火焰温度上升速率的影响；赵丹等[10]从不同形状的障碍物等角度分析了瓦斯爆炸冲击波、火焰传播速度的影响规律；林柏泉等[11]实验研究了瓦斯爆炸火焰在障碍物作用下的传播规律及障碍物对火焰的加速机理；余明高等[12]实验研究了障碍物条件下不同浓度的氢气对甲烷燃烧火焰传播规律的影响，研究表明，障碍物对火焰的形状和速度有较大影响；何学秋等[13]采用实验和数值模拟结合的方法研究了障碍物作用下火焰的结构及加速机理；杨春丽等[14]采用数值模拟的手段研究了障碍物的个数和阻塞比对瓦斯爆炸火焰、压力和温度产生的影响；丁以斌等[15]在自行设计的火焰加速试验系统中研究了不同立体结构障碍物对甲烷预混火焰传播影响。

从前人的研究可以看出，障碍物的参与对瓦斯和煤尘爆炸的影响显著，但以往的研究多侧重于单独的瓦斯爆炸和其他可燃性气体爆炸，多是在密闭空间内实验和数值模拟，对半封闭空间内障碍物对瓦斯和煤尘耦合爆炸产生的火焰传播规律的影响研究较少。本文在自行搭建的有障碍物的半封闭垂直管道内进行了瓦斯和煤尘耦合爆炸火焰传播规律的试验，分析障碍物对爆炸火焰传播规律的影响，为深入了解障碍物对火焰传播规律的影响机理提供依据。

1 实验装置与测试系统

1.1 实验装置

实验系统由爆炸腔体、传播管道、配气系统、扬尘系统、点火系统、数据采集系统、高速摄像图像采集系统等构成。爆炸腔体为120 mm×120 mm×500 mm的透明有机玻璃管道，实验时，考虑到约束端面对火焰传播的影响[16]，传播管道上端开口，为120 mm×120 mm×1 000 mm的透明有机玻璃管道，耐压强度为2 MPa，爆炸腔体与传播管道连接处选用PVC薄膜进行密封；配气系统由甲烷、空气气瓶组成，分别通过安装在输气管路上的2个Alicat流量计来调整气体流速；扬尘系统位于爆炸腔体的底部，由高压储气瓶、锥形喷嘴和一碗状储尘器组成；点火系统由高热能点火器、点火电极组成，点火电压为6 kV；数据采集系统由USB-1608FS数据采集卡和计算机中的数据采集软件组成；高速摄像图像采集系统由High Speed Star 4G高速摄像机、控制器和高速计算机组成，高速摄像机的拍摄速度可以达到2 000帧/s。实验装置如图1所示。

图1 爆炸实验系统示意Fig.1 Schematic diagram of explosion test system

实验中采用同步控制器来控制时间，可以实现对扬尘系统、点火系统、数据采集系统、图像采集系统的精确时间控制。为保证喷尘后煤尘在爆炸腔体内均匀分布，喷尘后300 ms点火；为确保实验时能拍摄火焰传播的完整过程，将数据采集系统和图像采集系统的启动时间设置在点火前10 ms。

为了研究障碍物对瓦斯煤尘爆炸火焰传播规律的影响，在传播管道内安装一个40 mm×40 mm×60 mm的障碍物。障碍物安装位置如图1所示，障碍物距离点火装置600 mm。

配气方式采用2个质量流量计分别控制瓦斯和空气的流量，将不同浓度瓦斯/空气预混气体由管道底部进气口通入至上端排气口排出的定压配气法。为排尽管内空气，使预混气体混合均匀，实验中通入不少于管道4倍容积的预混气[17-18]，通气时间不少于6 min。通气结束后，同时关闭进气阀和排气阀；喷粉方式采用高压瓦斯/空气预混气携带煤尘，使其均匀分布于管道中。实验前，将煤尘预先平铺于储粉器中，利用正对储粉器的喷头，将煤尘快速扬起充满整个管道。实验时，利用同步控制器控制喷粉和启动点火，触发高速摄像机，爆炸结束后清洗与干燥实验管道，进行下一次实验。

1.2 实验条件

实验中所使用煤尘粒径为48～75 μm，在60 ℃烘箱中烘干24 h以上，煤尘指标见表1。

表1 煤尘各组分的质量分数Table 1 Mass fraction of coal dust components %

本文主要研究的是半封闭垂直管道内障碍物对瓦斯煤尘耦合爆炸产生的火焰传播规律的影响，试验环境温度为17～20 ℃。为保证喷粉时薄膜破裂的同时煤尘在爆炸管道中均匀分布，实验前经过多次试验，确定喷粉压力为0.3 MPa。

2 实验结果与分析

2.1 火焰面移动轨迹

图2给出了浓度为9%的瓦斯和浓度为50 g/m3煤尘混合爆炸的火焰面在无障碍物和有障碍物管道内随时间的变化情况。

图2 火焰面移动轨迹Fig.2 Movement track of flame front

由图2中火焰面的位置可以看出，在到达传播管道出口位置时，有障碍物的实验组所用时间为47 ms左右，无障碍物的实验组所用时间为60 ms左右，火焰到达管道末端的时间大大提前，这是因为障碍物的存在提高了火焰传播过程中的湍流程度，爆炸产生的火焰传播速度随着湍流程度的增大而加快，使爆炸的放热速率增大，提高了反应速度。

2.2 障碍物对瓦斯煤尘爆炸火焰传播速度的影响

根据高速摄像机拍摄的火焰传播图片，量取不同时刻的火焰长度，传播速度即为相邻火焰锋面位置的距离差与时间差的比值，能够简单准确地计算火焰传播速度。

为保证实验结果的准确性，每组工况进行3次以上的实验，选取实验效果较优的3组。表2为障碍物对浓度为9%的瓦斯和浓度为50 g/m3的煤尘耦合爆炸实验组的火焰传播速度的影响，火焰速度为火焰出现时到火焰传至传播管道出口这段距离的火焰传播速度。

根据表2中的数据绘制障碍物对瓦斯煤尘耦合爆炸火焰传播速度的图像，如图3所示，图中各数据点均为3次实验结果的平均值。

表2 火焰传播速度Table 2 Flame propagation speed m/s

图3 障碍物对瓦斯煤尘爆炸火焰传播速度的影响Fig.3 Influence of obstacle on flame propagation speed of gas and coal dust explosion

瓦斯煤尘耦合爆炸主要有2个过程，即点火阶段与传播阶段。在点火阶段，爆炸产生的火焰以较慢的速度沿管道向开口端传播，并产生前驱爆炸压力波。前驱压力波作用于火焰阵面前方未燃的瓦斯煤尘混合物，使混合物温度升髙，加快燃烧速度的进行。燃烧速度的加快，又会进一步推动前驱压力波，使反应进一步进行。同时，混合物快速反应产生的气流又会反向阻止混合物的反应速度。所以火焰传播过程中，火焰加速度会出现波动。如图3中，有障碍物的火焰在距离点火端600～1 200 mm位置处加速度先增大后减小，这是因为火焰产生的反向气流对火焰传播的抑制作用；在火焰传播到上端管口附近火焰的加速度增大，这是因为在管口附近火焰产生的反向气流随火焰的传播排出管外，对火焰的抑制作用减小。

由图3可知：在爆炸初期，在火焰未传播到障碍物所在位置时，火焰传播几乎不受障碍物的影响，速度变化曲线基本保持重合且传播速度较为缓慢，在距离点火端600 mm的位置处，无障碍物的实验组火焰传播速度为51.6 m/s左右，有障碍物的实验组火焰传播速度为52.2 m/s左右，火焰速度相近，管道内火焰呈层流燃烧状态；穿过障碍物后，在距离点火端900 mm的位置处，无障碍物的实验组火焰传播速度为84.7 m/s左右，有障碍物的实验组火焰传播速度为117.4 m/s左右，有障碍物实验组的火焰传播速度增大了38.6%。这是因为瓦斯发生爆炸时，火焰的传播会推动未参与反应的瓦斯和煤尘向前运动，障碍物会影响气体的流动，流场发生变形，气体流速增大会加快反应的速度；当火焰通过障碍物时，火焰的传播路径发生变化，火焰的表面会被拉伸并出现褶皱，增加火焰与未燃瓦斯气体的接触面积，使更多的气体参与反应，进而使放热速率增加，火焰传播速度也随之迅速上升。在传播管道末端，有障碍物的实验组火焰速度为274.1 m/s左右，无障碍物的实验组火焰传播速度为227.8 m/s左右，有障碍物的实验组火焰传播速度比无障碍物的实验组火焰传播速度高20.3%，造成这种现象的原因是火焰在通过障碍物后，传播速度和放热速率都大大增加，火焰推动未反应瓦斯和煤尘的速度加快，增加了火焰与未燃气体的反应速率，火焰速度迅速上升。

2.3 障碍物和煤尘对瓦斯爆炸火焰传播速度的影响

图4给出了浓度为9%的瓦斯-有障碍物的爆炸实验组和浓度为9%的瓦斯+浓度为50 g/m3的煤尘在无障碍物情况下耦合爆炸实验组的火焰传播速度图像。

图4 障碍物和煤尘对瓦斯爆炸火焰传播速度的影响Fig.4 Influence of obstacle and coal dust on flame propagation speed of gas explosion

由图4可知：2个实验组的火焰传播速度曲线基本重合。在距离点火端900 mm的位置处，瓦斯-有障碍物的实验组火焰传播速度为97.4 m/s左右，瓦斯+煤尘-无障碍物的实验组火焰传播速度为84.7 m/s左右，瓦斯-有障碍物的实验组火焰传播速度略高于瓦斯+煤尘-无障碍物的实验组火焰传播速度；在距离点火端1 500 mm的位置处，瓦斯-有障碍物的实验组火焰传播速度为219.8 m/s左右，瓦斯+煤尘-无障碍物的实验组火焰传播速度为227.8 m/s左右，瓦斯+煤尘-无障碍物的实验组火焰传播速度超过瓦斯-有障碍物的实验组火焰传播速度。通过对比可以发现，本次实验条件下，在障碍物附近，障碍物对瓦斯爆炸的影响比煤尘对瓦斯爆炸的影响大，在离障碍物较远的位置处，有煤尘参与爆炸的实验组反应速率较快，这是因为煤尘的参与相当于增加了燃烧物的量，相同反应速率的情况下，有煤尘参与反应的爆炸组燃烧时间更长，传播距离更远。

2.4 障碍物条件下瓦斯煤尘爆炸火焰传播过程

图5和图6分别显示了爆炸火焰在有障碍物和无障碍物管道中传播至障碍物位置时的火焰传播状态图，选用的是瓦斯浓度为9%、煤尘浓度为50 g/m3实验组的火焰传播图像。

图5 无障碍物时火焰传播图像Fig.5 Flame propagation image without obstacle

图6 火焰通过障碍物时的图像Fig.6 Image of flame when passing through obstacle

通过对比图5和图6的火焰传播图像可以发现，无障碍物的实验组的火焰锋面呈较为光滑的椭圆形状，有清晰的轮廓结构且面积较小，瓦斯煤尘混合物与空气的接触量较少，燃烧反应较为温和，火焰传播速度较低；此时，瓦斯煤尘爆炸产生的火焰和气体的膨胀推动气流向上流动，传播管道内的火焰呈层流燃烧状态。

有障碍物的实验组在火焰到达障碍物前，火焰锋面较为平滑，穿越障碍物时，火焰锋面开始出现褶皱并被拉长，火焰锋面不断扭曲变为不规则的形状；穿越障碍物后，火焰锋面逐渐变为较为规则的椭圆形。造成这一现象的原因是在火焰到达障碍物前，未参与反应的瓦斯煤尘混合物在障碍物的阻隔作用下前进路径发生变化，流场发生变形，在障碍物前后形成一个伴随绕流场。当火焰到达障碍物时，由于障碍物和伴随绕流场的共同作用，火焰传播由层流向湍流转变，火焰锋面被迅速拉伸并发生褶皱，这种形状的改变和伴随绕流场的产生使火焰的燃烧面积及瓦斯煤尘混合物与空气的接触面积变大，大量未燃烧瓦斯煤尘混合物与高温燃烧的混合物发生反应，从而使反应速度大大增加，放热速率快速增加，火焰传播速度迅速上升；火焰速度的加快会进一步提高湍流程度，进而提高瓦斯煤尘混合物的移动速度，导致火焰锋面发生更强的褶皱，形成气体流动与火焰燃烧传播之间的正反馈，这种正反馈结果使火焰在障碍物附近的速度迅速上升。火焰在通过障碍物后，由于已燃气体混合物的膨胀作用和气体压力的压缩作用，火焰迅速填满管道右侧的空隙，火焰锋面的形状逐渐恢复到较为规则的椭圆形状。