管道内金属网对瓦斯爆炸冲击波抑制作用的实验研究

徐景德，张延炜，胡 洋，秦汉圣

（华北科技学院 安全工程学院，北京065201）

瓦斯爆炸事故使我国煤矿安全生产面临着严重威胁，有效地隔离瓦斯爆炸冲击波与火焰的传播，减轻瓦斯爆炸事故带来的危害，是煤矿安全应急工作的重要组成部分。目前矿井抑爆主要是在瓦斯爆炸可能传播路径上布设水棚、岩粉棚，在实际应用中不能达到预期的抑爆效果，因此研发新型的有效抑爆材料及抑爆装置迫在眉睫。多孔材料具有优异的火焰淬熄性能，同时内部包含大量孔隙、具有较高的比表面积。当冲击波在多孔材料中传播时，超压迅速衰减[1]，起到对冲击波和火焰传播的抑制作用，因此常用作抑爆材料，这一类材料典型的有各种材质制作的网状材料。近年来国内外学者已在多孔材料的材质上开展了较多研究[2-4]，但对于多孔材料不同特定参数对抑爆效果的影响研究还涉及较少。金属丝网具有细小的三维孔隙结构，相当于多孔介质，可以快速衰减爆炸波的传播，同时具有优异的火焰淬熄性能，而且其成本较低，非常适合用作抑爆材料。因此，在管道末端加入金属网抑爆装置进行实验，模拟矿井巷道内发生瓦斯爆炸，风门前的抑爆装置使爆炸波破坏作用降低。

1 金属网抑爆机理

当爆炸发生时，瓦斯气体吸收能量膨胀产生无穷多道压缩波，压缩波向前传播的同时不断叠加形成了爆炸激波的波阵面。波阵面过后，气体温度、压力上升，即内能增加，并使原来静止的气体产生一定的速度，即动能增加。爆炸波对气体做功，使其内能动能增加，而气体能量增加是需要能量的，爆炸波本身是一个波面，不具有能量，但是，可以把能量理解为爆炸波过后，气体能量的增加量[5]。因此在研究对爆炸激波的抑制作用时，可以从限制爆炸波对气体做功着手。金属网体内部具有大量孔隙结构，进入到金属网体内部的冲击波与不同角度的孔隙发生碰撞，并产生各个方向的反射、散射作用，反射散射的冲击波再次遇到孔隙后又产生新一轮反射、散射[6]。在反复的作用过程中，激波能量被消耗，即使得气体动能、内能的部分增加量转变为对金属网做功。由此可见，激波进入到金属网时，在不断的碰撞过程中，除机械能的损耗外，还会使得金属网发生弹性形变与塑性形变，即部分动能转变为金属网的弹性势能；另外由于温度差异大，在气体与金属网之间产生热传递，金属网的内能也会增加。总得来说，由于金属网的内能与弹性势能的增加使得气体能量衰减，从而造成爆炸波减弱。因此若使金属网的吸收作用增强，便可以更有效的降低爆炸波的破坏作用。

实验通过增加圆柱状金属网体长径比（增加金属网体轴向长度，径向直径保持不变），即增加了抑爆装置产生应力的极限以及导热能力；同时随着长径比的增加，激波与金属网孔隙碰撞的可能也大大增加，使得抑爆装置吸收作用增强。综合达到抑制冲击波的目的。

2 实验条件

2.1 材料选取

抑爆材料选用丝径0.187 mm 的40 目（380 μm）方孔平纹黄铜网和丝径0.4 mm 网孔规格为2 mm×4 mm 的菱形铝格网。抑爆装置由2 种丝网混合叠加卷制为圆柱状金属丝网体，每卷金属丝网体轴向长度为1 m，径向直径为200 mm，共3 组。铜丝网和铝格网分别如图1、图2。

图1 铜丝网Fig.1 Copper wire mesh

图2 铝格网Fig.2 Aluminum mesh

2.2 实验装置及方案

实验装置为中尺度(长38 m、截面200 mm×200 mm、壁厚10 mm）密闭方形瓦斯爆炸管道（激波管），激波管如图3。沿激波管壁面开有间隔特定距离的传感器孔座，并装有PCB 公司ICP 压电传感器进行压力测量，通过动态测试分析系统进行记录；在管道末端（盲板前）放置抑爆装置，金属网体的轴向与激波管轴向一致，放置金属网时，要尽可能的填充满所处管道的空间；压力传感器安装位置距离点火端位置 分 别 为9.83、14.83、18.16、22.3、25.8、29.3、31.8、34.08 m，实验系统示意图如图4。实验中激波管内气体为甲烷空气预混气体（甲烷气体体积分数为9.5%）；另外点火系统是实现预混气体爆炸的主要装置，其原理是采用电容充放电，通过变压器使火花塞形成高压放电火花，引爆激波管内预混气体；整个系统由多通道触发装置控制实现1 个信号触发点火与数据采集。

图3 激波管Fig.3 Shock tube

图4 实验系统示意图Fig.4 Schematic of experimental system

在管道末端放置金属网体，以金属丝网体长径比为变量共设计4 组工况，实验工况见表1。

表1 实验工况Table 1 Experimental condition

矿井环境下的瓦斯爆炸多是瓦斯伴随诱导冲击波在巷道内传播发生爆燃，然而矿井巷道中存在风门等障碍物，使得冲击波在障碍物壁面发生反射，增加了爆炸事故的威力，该现象已被实验和数值计算所证明[7]。因此在管道末端（盲板前）放置金属网抑爆装置，使得爆炸破坏作用降低，并分析长径比对抑制作用的影响。

2.3 实验步骤

1）根据不同工况，沿激波管轴向放置不同组数的金属丝网体于管道末端，金属网体要尽可能的填充满所处管道的空间。

2）检验气密性后，充入9.5%体积分数的甲烷空气预混气体，直至激波管内预混气体初始压力为100 kPa。

3）在点火端将能量调至5.0 kV 通过同步触发装置控制点火并采集记录数据。

3 实验结果

3.1 管道内激波超压变化

为对比金属网的抑爆效果，首先分析了无金属网工况。激波超压变化曲线如图5。从图5 可看出，在密闭管道内激波超压（金属网前）整体呈先减小后增大的趋势，距离点火端15 m 处，爆炸激波超压峰值为36 kPa，激波到达末端后，在盲板的固壁反射作用下产生反射激波，反射波从管道末端向点火端传播，并与当地压力叠加产生更高的超压[8-10]。无金属网工况下，激波在盲板处发生反射，超压增强，该反射现象是增大瓦斯爆炸破坏作用的主要原因之一。

图5 激波超压变化曲线Fig.5 Shock wave overpressure variation

定义空管实验激波超压减去金属网衰减后激波超压，然后再除以空管实验激波超压表示超压衰减率。各测点所测爆炸超压衰减作用均效果明显，工况Ⅱ中各测点所测超压衰减率在4.6%～12.9%之间；工况Ⅲ各测点所测超压衰减率在9.5%～28.2%之间；工况Ⅳ各测点所测超压衰减率在37.1%～47.8%之间。随着长径比的增加，金属网对激波超压的抑制作用显著增强。经拟合后，长径比与超压衰减率呈增长率不断增大的幂函数型变化，拟合曲线如图6。冲击波的衰减是金属网体内部大量孔隙的吸收作用导致。激波传播至金属网体内部与孔隙撞击，在反复的反射与散射作用下，原本激波使气体动能增加的部分能量被消耗，转变为金属网的弹性势能；另一方面，由于热传递的作用，原本激波对气体做功使气体内能增加的部分能量导致金属网内能增加。2 种因素的耦合作用下，金属网达到对激波的抑制作用。

图6 拟合曲线Fig.6 Fitting curve

3.2 管道末端（金属网前）传感器超压变化

进一步分析了长径比对超压抑制作用的影响，各工况末端传感器（金属网前）压力变化曲线如图7。

图7 各工况末端传感器压力变化曲线Fig.7 Pressure change curves of sensor at the end of each working condition

从图7（a）可看出，在0.143 s 时刻激波波阵面扫过激波管末端（金属网前）传感器，超压为32.8 kPa。当无金属网时，激波在盲板反射作用下，0.162 s 时再次到达该传感器，超压为34.7 kPa。在图7（b）工况Ⅱ中，反射所需时间从0.019 s 增加到0.034 s，反射超压减小为30.25 kPa。将图7（a）和图7（b）对比发现，长径比为1/0.2 的金属网对爆炸激波的超压影响不大，但对激波的速度起到了有效的抑制效果，说明此工况下，气体动能的降低是造成冲击波衰减的主要原因，即长径比1/0.2 的金属网将气体动能转变为自身弹性势能在抑制作用中起主导地位；金属网长径比为2/0.2 与3/0.2 时，爆炸激波经过金属网衰减和盲板反射作用后，已无法形成强间断（图7（c）、图7（d））且无金属网时，仅受盲板反射作用的压缩波仍能形成强间断，说明该衰减作用由金属网所致，不受盲板影响。将图7（c）与图7（d）对比发现，长径比大于2/0.2 以后激波的速度与1/0.2 相比，波速有上升的趋势，说明金属网在吸收作用的同时，作为障碍物的激励效果不可忽视。随着长径比的增加，金属网弹性形变的范围有限,即将气体动能转换为自身弹性势能能力有限，金属网内能的增加在抑制作用中逐渐占主导地位。

由此可见，随着金属网体长径比在一定范围的增大，对爆炸激波超压的抑制效果逐渐增强，并且金属丝网成本低，重量轻，在高温条件下不会产生有害物质，因此适合应用于实际当中。

4 结 语

1）管道内圆柱状金属网体对预混瓦斯气体爆炸冲击波超压有着重要的影响，随着长径比在一定范围内的增加，金属网对超压的抑制作用与之呈正相关，且衰减率的增长速度越来越大。

2）金属网长径比对爆炸波抑制作用的影响主要体现在随着长径比的增加，激波在金属网中与孔隙碰撞的可能性增加，金属网产生应力的极限和导热能力增强，2 方面因素综合导致金属网将冲击波能量转换为自身内能与弹性势能的能力增强。

3）当长径比为1/0.2 时，金属网弹性势能的增加在抑制作用中起主导地位；长径比为2/0.2、3/0.2时，弹性势能的转换有限，在障碍物激励作用下逐渐淡化，内能的增加在抑制作用中开始占主导地位。综合考虑，长径比2/0.2 的金属网抑爆装置对爆炸超压有明显的抑制作用，且激励效果不明显（波速增加幅度不大），适合选定为最佳抑爆参数。

4）研究结果为矿井抑爆技术提供了一种新的研究思路，为瓦斯爆炸抑爆技术的进一步发展和新材料的探索提供了依据，具有重要的理论意义和实用价值。