分岔处点火T型管道内瓦斯爆燃火焰传播规律研究

解北京，董春阳，王广宇，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，河南 焦作 454000)

随着煤矿开采深度的不断增加，被开采的煤层的瓦斯含量逐渐增加，发生瓦斯爆炸事故的危险性也随之增加[1，2]。井下巷道错综复杂呈立体交错网络状，一旦发生瓦斯爆炸事故，巷道交接的分岔处受爆炸冲击破坏尤为明显[3]。国内外许多对学者已经对煤矿瓦斯爆燃火焰在管道内的传播进行了大量的理论分析与实验研究。

多数学者是基于直管道或者简单的弯曲管道来开展瓦斯爆燃火焰的传播规律的实验研究[4-16]，对于分岔等复杂管道中瓦斯爆燃火焰传播的研究成果较少。因此，采用自制T型透明分岔管，其支管端口和直管右端口为完全封闭，直管左端口为弱封闭，由分岔处点火并测试瓦斯爆燃火焰阵面在分岔管道内传播过程中的光电信号、离子电流、温度信号、超压信号的变化，分析瓦斯爆燃火焰阵面在分岔管道内的传播规律，为井下分岔巷道发生瓦斯爆燃传播机理及防治措施制定提供参考。

1 实验系统

1.1 T型实验管道及测试装置

实验系统主要由T型透明分岔实验管道、配气系统、发爆器、数据采集系统4个部分组成，实验系统如图1所示。

图1 实验系统

其中，T型分岔管道由三个方形直管和一个方形直角三通分岔管组成，管道材质为壁面厚度15mm的有机玻璃，管道内径断面为80mm×80mm。分岔管内接于以分岔处的中心为圆心半径为300mm的圆，三个直管通过法兰连接于分岔管三个接口。分岔处的中心点定义为分岔处截面，在分岔处的中心点(圆心)距离左侧直管端口、右侧直管端口和上侧支管端口均为400mm的位置分别定义为直管左侧截面、直管右侧截面和支管处截面。T型分岔管道的支管端、直管右端处于完全封闭状态，直管左端薄膜弱封闭。数据采集系统由热电偶、压力传感器、离子探针和光电传感器及高速记录仪组成。实验管道侧面均匀分布10组光电信号以及4组温度、离子电流和3组压力测点，温度和离子电流测点布置在四个截面并对称分布，压力的测点布置在管道支管处截面、直管右侧截面和直管左侧处截面处[3]。

1.2 测试设备

采用具有32个完全隔离通道的HIOKI 8826 存储记录仪对瓦斯爆燃火焰各参数进行同步采集与储存，采样率最高可达1MS/s，实验中采用1KS/s。

采用0.011mm线径的K型铁氟龙极细热电偶测量爆炸时的火焰温度，该热电偶的瞬时测温范围为0～1300℃，记录时采用HIOKI 8937温度/电压模块；爆燃压力的测量采用的是联能电子技术公司研制的 CY-YD-205 压电式压力传感器和与其配套的YE5853电荷放大器；离子电流使用双BNC接头线缆自制离子探针进行测量；爆炸火焰的光电信号使用Risym光敏二极管进行测量；用GJGX100(M)本安型激光甲烷传感器对实验时瓦斯浓度进行检测；采用尼康D7200数码相机以每秒25帧对瓦斯爆燃火焰传播过程进行拍摄[3]。

1.3 配气准备

实验采用的简易配气方法，将纯甲烷气体充进配气罐中，根据配气罐的体积和罐内压力的大小确定充入管道内的气体体积。定量的甲烷充入管道后，将69OS-ILGS-10-14-M激光甲烷传感器的进气口通过螺纹孔放进管道内，用螺丝拧紧螺纹孔，使管道内甲烷气体充分混合半个小时左右，电脑上的监测界面确定管道内浓度为9.5%后即可进行实验。

2 T型管道内瓦斯爆燃火焰传播实验

T型分岔管道内不同时刻瓦斯爆燃实验火焰传播形态的动态变化过程如图2所示。

由图2可知，分岔处点火T型管道内瓦斯爆燃火焰向三个方向传播，直管左端火焰传播速度相对较快，其余两端相对较慢，并有自发光现象。t=0ms时刻点火，产生的瓦斯爆燃火焰迅速向直管左侧弱封闭端口传播，如图2(a)、(b)所示；t=160ms左右传播至管外，如图2(c)所示；随后分岔处产生亮度较低的层状火焰，向直管右端和支管端缓慢传播，并有明显的自发光现象[17]，如图2(d)所示。

图2 T型分岔管道分岔处点火瓦斯爆燃火焰传播过程实景拍摄

3 瓦斯爆燃火焰传播规律分析

瓦斯爆燃火焰传播速度、火焰温度、火焰阵面的冲击波强度是研究瓦斯爆炸的重要参数[18]。分岔处点火后，通过测试火焰传播过程速度、温度和爆燃超压、离子电流强度变化，可以综合分析分岔处点火T型管道内瓦斯爆燃火焰的传播规律。

3.1 T型管道内火焰传播速度

T型分岔管道瓦斯爆燃火焰阵面在传播过程中光电信号曲线变化如图3所示。

图3 分岔处点火时各光电传感器信号曲线及火焰平均速度

其中，图3(a)、(b)、(c)的纵坐标为光敏二极管模块检测到光源后产生的电压示数U；横坐标为从点火起计时经过的时间t。图3(d)的纵坐标为求得的平均速度v，横坐标为爆燃火焰阵面传播到达的位置区间。

由图3(a)可知，火焰阵面向直管左侧弱封闭端口传播过程中，出现两次火焰光峰值信号，第一次出现在0～200ms之间，第二次出现在310ms后，直管左侧的三个光电传感器依次出现了小的光电信号，而且距离分岔处越近信号强度越大，说明此时有火焰通过分岔处再次向左侧传播。由图3(b)可知，火焰阵面向直管右侧传播时，在300ms后直管右端距离分岔处200mm测点的光电信号突然增强；距离分岔处400mm测点的光电信号在690ms出现信号，980ms信号再次增强，说明有火焰再次经过此测点。由图3(c)可知，在320ms时分岔处和支管内距离分岔处200mm的光电信号依次忽然增强，说明有新生火焰从分岔处传到支管内。由于支管上距离分岔处200mm测点的光电信号在490ms时趋于零，但是在580～830ms之间又出现了较弱的光电信号，距离分岔处400mm的光电信号曲线跨度较大，分岔处测点在780ms时出现了光电信号，均说明火焰阵面向支管封闭端口传播过程中也发生了逆流现象。

图3(d)为实验中不同分支管内各测点之间的瓦斯爆燃火焰传播平均速度，主要通过测点间距和光电信号触发间隔计算获得。由图3(d)可知，火焰阵面向弱封闭端口传播时，从15.38m/s增加到了33.17m/s。火焰阵面向两个完全封闭端口传播过程时传播速度均较低，在0.49～1.32m/s范围之内。这是由于火焰传播过程中受到的气体膨胀作用越来越大，火焰传播过程中压缩波对火焰传播的负反馈作用，导致管道内火焰发生了逆流现象。

3.2 T型管道内火焰传播温度

T型分岔管道内瓦斯爆燃火焰阵面传播过程各截面测点温度曲线如图4所示。

图4 火焰阵面各截面测点温度变化

由图4可知，分岔处点火后，分岔处截面测点、直管左侧截面测点、支管处截面测点、直管右侧截面测点的热电偶依次起跳，各测点最高温度：分岔处1042K大于支管处928K大于直管左侧793K大于直管右侧669K。这是由于分岔处断面较大、瓦斯储存量较多，而且支管端和直管右端处于封闭状态，分岔处截面瓦斯能得以充分燃烧，与热电偶接触时间较长，所以峰值温度最高；火焰传播到支管处截面的时间快于传播到直管右侧截面的时间，因为点火后向支管方向传播时，火焰阵面受到的反射冲击波再经过分岔处壁面反射后能形成一定强度的正向压缩波，对火焰传播过程有一定的促进作用；而火焰向直管右侧传播时，反射冲击波作用于火焰阵面后直接传出管外，对火焰前方未燃瓦斯浓度有极大的稀释作用，所以直管右侧截面测点瓦斯爆燃火焰阵面峰值温度低于分岔处截面峰值温度，火焰率先传播到支管处截面而后传播到直管右侧截面。直管左侧截面测点的温度曲线与分岔处截面测点的一致性较好，主要是由于管道内产生的高温热量会通过直管左侧开口进行热交换，直管左侧截面测点受到了管内高温热传导、热辐射的作用，所以峰值温度较高一些；直管左侧截面测点与分岔处截面测点的两个温度曲线在875ms又先后出现了一个波峰，再次说明在封闭端口传播过程中火焰产生了逆流传播。

3.3 T型管道内爆燃超压规律

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5 瓦斯爆燃火焰阵面传播过程的超压变化

由图5可知，由于分岔处截面压力传感器换成了起爆针作为瓦斯起爆点，所以分岔处点火时，仅测试了直管左侧、支管处、直管右侧三个截面测点的超压信号，其峰值超压：支管处0.162MPa大于直管右侧0.135MPa大于直管左侧0.036MPa。支管处截面测点的峰值超压大于直管右侧截面测点的峰值超压且支管处截面测点先于直管右侧截面测点到达峰值超压，与其温度大小变化的趋势一致，也由于主要是由于支管内火焰传播过程中高温气体产物经分岔壁面反射后的正反馈激励所致；直管左端处于薄膜弱封闭状态，能够及时泄压，所以直管左侧截面测点的峰值超压较小。同时从图5中也可看出，分岔处点火后，火焰阵面向支管、直管右侧方向传播时测得的超压曲线出现了轻微的震荡，峰值下降后曲线出现明显的波动，可能与火焰传播的状态相关。

3.4 T型管道内火焰阵面离子电流强度

T型分岔管道内瓦斯爆燃火焰阵面传播过程各截面测点离子电流信号曲线如图6所示。

图6 瓦斯爆燃火焰阵面传播过程离子电流信号曲线

由图6可知，分岔处点火后，火焰阵面向三个方向传播过程中，分岔处截面测点、直管左侧截面测点、支管处截面测点、直管右侧截面测点的离子电流强度分别为0.62μA、0.31μA、0.022μA、0.024μA，点火处和弱封闭端的离子电流强度峰值远大于完全封闭端离子电流强度峰值。由图6(a)可知，分岔处截面测点在304ms、762ms时出现了较弱的电流信号；由图6(b)可知，直管左侧截面测点在312ms、781ms时出现了较弱的电流信号；由图6(c)可知，支管处截面测点离子电流信号较强区域持续了58ms，在446ms时离子电流信号趋于零，487ms到913ms之间又出现了脉冲式的离子电流信号，信号明显的振荡特征；由图6(d)可知，支管右侧截面测点的离子电流信号较强区域持续28ms，在762ms时趋于零，在787ms时又出现了离子电流信号；佐证了在向两封闭端传播的火焰的确发生了逆流现象。分析可知，分岔处截面测点的离子探针在10ms后出现了很强电流信号，说明在分岔处点火时，化学反应速率大，加速了火焰的传播，迅速形成了大强度火焰[19]；信号曲线从波峰下降过程中出现了小的波峰，这是由于在分岔处点火后火焰传播时不连续的层流火焰所产生，所以火焰向直管左侧传播时，截面测点离子电流信号曲线也出现了小的波峰。支管处截面先于直管右侧截面到达离子电流强度峰值，与温度和超压变化规律一致。尤其是火焰阵面向支管端传播过程中，离子电流信号出现了明显的振荡特性，而且时间跨度很大，持续了426ms，说明火焰向支管完全封闭端口传播过程中，不仅与火焰直管右侧传播一样具有逆流现象，同时传播过程中火焰呈现出慢速振荡前行特征。其更本原因应该是由于分岔壁面的存在，火焰传播形式更为复杂，在压缩波负反馈和高温气体产物正反馈的共同作用下，导致火焰传播呈现出振荡燃烧慢速前行的状态。

4 结 论

1)由分岔处点火T型管道内瓦斯爆燃火焰向三个端口传播过程中，由火焰阵面的传播图像、速度、超压、温度、离子电流各参数变化规律分析，三个局部管道内火焰表现出层状火焰、振荡火焰、爆燃火焰三种典型状态。

2)分岔处点火时，瓦斯爆燃火焰向支管、直管右侧两个封闭端口传播其速度、离子电流强度均较小，速度最大值为1.32m/s，离子电流强度峰值为0.024μA；向直管左侧开口方向传播，其传播速度、离子电流强度相对较大，速度峰值为33.17m/s，离子电流强度峰值为0.31μA，两者相差一个数量级。

3)分岔处点火T型管道内瓦斯爆燃火焰在各截面测点峰值温度，分岔处1042K大于支管处928K大于直管左侧793K大于直管右侧669K，而峰值超压，支管处0.162MPa大于直管右侧0.135MPa大于直管左侧0.036MPa；爆燃火焰向两个完全封闭端口传播过程中，由于压缩波的负反馈作用产生逆流现象。

4)在分岔处点火T型分岔管道内瓦斯爆燃火焰向支管完全封闭端口传播过程中，由于分岔壁面的存在，火焰传播形式更为复杂，在压缩波负反馈和高温气体产物正反馈的共同作用下，火焰又呈现出振荡前行特征。