初始瓦斯浓度对爆炸温度影响实验研究*

2022-01-21贾泉升司荣军李润之

中国安全生产科学技术 2021年12期

贾泉升，司荣军，李润之，王磊

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

0 引言

瓦斯爆炸过程中，能量的瞬间大量释放会产生高温环境。煤矿井下瓦斯爆炸位置一般发生在掘进巷道、回采工作面[1]，爆炸能量不易消散，在巷道中产生持续性高温，给井下人员、设备造成一定损害。受初始瓦斯浓度影响，爆炸产生的高温不同。因此,研究不同初始瓦斯浓度对爆炸过程中温度特性的影响，可降低煤矿瓦斯爆炸事故给人员、设备带来的危害，为煤矿瓦斯爆炸事故温度研究提供重要依据。

目前，国内外学者针对瓦斯爆炸过程中温度变化展开研究:Olsen[2]通过建立数学物理方程计算瓦斯爆炸温度;文献[3-9]通过利用FLACS、FLUENT、AutoReaGas、CHEMKIN等数值模拟软件，研究爆炸在定容或管道传播条件下的温度变化规律，认为瓦斯爆炸过程中的温度最高达2 400 K以上，爆炸过程中的温度变化具有振荡特征，且初始瓦斯浓度在9.5%时温度上升速率最高；部分学者通过模拟瓦斯室内爆炸温度变化规律，认为爆炸过程中同一时刻室内超压分布基本均匀，空间差异较小，最高温度可达2 226 K[10]。数值模拟研究一般在等温、绝热条件下进行，与实际实验数据存在一定误差，不能准确模拟实际瓦斯爆炸过程中温度变化。因此，部分学者在实验条件下对爆炸过程中的温度变化进行研究：王从银等[11]通过电压信号表示瓦斯爆炸在管道中传播时的温度变化发现，瓦斯爆炸过程中管道中上部释放的热量大于下部；文献[12-13]通过研究爆炸在管道中传播时不同位置处的温度变化规律发现，管道上部火焰温度高于管道下部火焰温度；崔建霞等[14]利用R型微细热电偶测试小型管道瓦斯爆炸温度最高为1 920 K；文献[15-16]利用C2-7-K、C2-1-K型热电偶研究爆炸传播过程中的温度变化规律，测试温度最高达1 292.27 K；刘贞堂等[17]通过分析管道爆炸传播火焰与温度关系发现，温度升高能够促进火焰的传播；Nie等[18]利用二维温度场的辐射测温法研究爆炸火焰周围温度变化规律。

目前，针对瓦斯爆炸温度的研究方法主要以数值模拟为主，实验条件下的研究也主要以不同测点处的温度变化为主，针对不同初始瓦斯浓度条件下爆炸温度特性及温度、压力之间的相互作用关系的研究相对较少。因此，本文基于爆炸实验，对不同初始瓦斯浓度条件下爆炸过程中的温度变化以及温度、压力之间的相互作用关系进行研究，研究结果可为完善瓦斯爆炸温度变化机理及灾害防控提供依据。

1 实验装置与方法

整个实验系统示意如图1所示。实验配气系统主要由电磁阀、配气压力传感器及激光CH4浓度传感器组成。实验过程中借助激光CH4浓度传感器对罐体中的CH4浓度进行准确测试，通过微调使罐体中的瓦斯浓度达到设定值，精度为0.1%。

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

数据采集系统由测试传感器和瞬态信号测试系统组成(采样频率为100 kHz)，测试传感器包括温度、压力和火焰传感器(如图1中6所示，从上至下依次是压力、温度、火焰传感器)；温度传感器采用C型热电偶，探测端距离罐体壁103 mm，传感器精度0.1 K，量程273～2 373 K，响应时间为ms级，可准确测试爆炸过程中的温度；压力传感器采用CYG400系列的高频动态压力传感器(固有频率200 kHz)，可以对爆炸过程中的压力信号进行准确测定，能够测试罐体壁面的压力；火焰传感器为CKG100型，响应时间≤10 μs，可对爆炸罐体中的火焰进行采集，并以火焰信号采集通道为内触发通道，传感器接收到火焰信号时，经瞬态信号测试系统处理后，同时触发温度、压力传感器对爆炸罐体中的温度、压力数据进行采集、分析和存储。

实验首先抽真空，并借助压力配比法将爆炸罐体中的瓦斯-空气混合气配制到0.15 MPa，静置15 min后将罐体的排气孔通过气体流量计和激光CH4浓度传感器连接，调节气体的流量使其稳定在200～300 mL/min，2 min后读取CH4浓度。通过向罐体中加入空气进行微调，直至罐体中瓦斯气体浓度达到实验所需值，然后将罐体中多余的混合气体排出，最后借助20 L球形实验系统进行点火，并采集爆炸罐中的温度、压力数据，实验结束后对罐体中的气体置换2～3次，待罐体中的温度恢复常温后进行下一次实验。实验步长为0.5%，点火能量10 J，环境温度293 K。

2 实验结果分析

2.1 瓦斯爆炸过程中温度变化规律

瓦斯爆炸过程中产生的高温伤害性极大，当初始瓦斯浓度为9.5%时，爆炸过程中温度随时间的变化规律如图2所示。

图2 初始瓦斯浓度为9.5%时爆炸过程中温度变化Fig.2 Curve of temperature change during 9.5% gas explosion

温度延迟时间指火焰出现至温度开始上升的时间。由图2可知，爆炸过程出现二次升温现象，即火焰出现后经历41 ms温度延迟后急剧上升，在爆炸时间t1即331 ms时，出现第1个温度峰值T1为909.22 K，在爆炸时间t2即450 ms时降至894.35 K，然后温度逐渐升高，在爆炸时间t2为在570 ms时，达到第2个温度峰值T2为937.66 K，随后温度逐渐降低，主要原因是爆炸温度测试点位于距离罐体中心103 mm处，受爆炸罐体约束作用及爆炸压力等因素影响，火焰在20 L罐体中出现一定振荡、叠加，火焰燃烧波的叠加在一定程度上促进温度的二次升高。

2.2 爆炸最高温随初始瓦斯浓度的变化规律

爆炸最高温指在某初始瓦斯浓度值时，所测爆炸过程中温度的最大值。爆炸极限范围内爆炸最高温随初始瓦斯浓度的变化规律如图3所示。

图3 爆炸最高温随初始瓦斯浓度变化Fig.3 Change of maximum explosion temperature with gas concentration

由图3可知，爆炸最高温与初始瓦斯浓度呈振荡变化规律。随初始瓦斯浓度升高，爆炸最高温呈升高-降低-升高-降低-升高-降低的现象。初始瓦斯浓度在6.5%、9.5%、12%时，爆炸最高温出现极大值EV1、EV2、EV3分别为995,932,1 153 K，其中当初始浓度为12%时，爆炸最高温相对最大。原因是瓦斯爆炸过程中的能量主要以气体膨胀和热能等形式释放[19]，实验中能量主要存在于高压膨胀气体、高温环境、反应产物以及热传导中，初始瓦斯浓度不同，对应爆炸前反应能量不同。爆炸过程中产生的高温环境是能量释放形式之一，爆炸最大压力随瓦斯浓度的变化规律如图4所示。由图4可知，当瓦斯浓度为9.5%时，产生的爆炸压力相对最高，爆炸以高压膨胀气体形成释放的能量大于瓦斯浓度为6.5%、12%时释放的能量，导致瓦斯浓度为9.5%时温度相对最低；初始瓦斯浓度为12%时，由于参与反应的CH4较多，爆炸释放的总能量高于初始瓦斯浓为6.5%释放的总能量，导致初始瓦斯浓度为12%时的爆炸最高温高于初始瓦斯浓度为6.5%时的爆炸最高温。不同初始瓦斯浓度爆炸过程中的火焰持续时间不同，使爆炸最高温随初始瓦斯浓度呈振荡变化。

图4 爆炸最大压力随瓦斯浓度变化曲线Fig.4 Change of maximum explosion pressure with gas concentration

2.3 温度延迟、升温时间随初始瓦斯浓度变化规律

点火源位于球形爆炸罐中心，受温度传感器安装位置影响，当点火源引爆周围瓦斯气体后,温度传感器没有即刻探测到温度的变化，出现时间延迟。初始瓦斯浓度不同，从火焰出现至温度上升时间长短不同。温度延迟时间随初始瓦斯浓度的变化规律如图5所示。升温时间即升温开始至达到最高温所用时间，一定程度可反映爆炸温度变化快慢。

图5 温度延迟时间随初始瓦斯浓度变化曲线Fig.5 Change of temperature delay time with initial gas concentration

由图5可知，温度延迟时间与初始瓦斯浓度变化曲线近似呈U型。初始瓦斯浓度在爆炸上、下限附近范围内温度延迟时间较长；当初始瓦斯浓度为9.5%时，温度延迟时间相对较短，为46 ms；当初始瓦斯浓度为5.5%～6.0%时，温度延迟时间出现断崖式缩短；当初始瓦斯浓度为11.5%～14%时，温度延迟时间快速增长，最大值达到550 ms。从链式反应(着火的电理论)角度分析，瓦斯浓度在爆炸上、下限附近变化时，能够较大程度改变爆炸反应的化学活性，从而进一步影响爆炸强度和温度延迟时间；初始瓦斯浓度在9.5%附近时，爆炸强度较大，爆炸热传递速度相对最快，爆炸过程中的温度延迟时间受瓦斯浓度影响相对较小。

升温时间随初始瓦斯浓度变化如图6所示。由图6可知，初始瓦斯浓度在爆炸上、下限附近时，升温时间较长，为1 200 ms；当初始瓦斯浓度在7%～12%时，升温时间介于475～625 ms，主要原因是初始瓦斯浓度较低，CH4分子间的距离相对较大，当点火发生时，参与反应的CH4分子较少，致使爆炸反应的链引发、传递较为缓慢，温度开始上升时间较晚；当初始瓦斯浓度逐渐升高时，点火源周围CH4分子量增加，爆炸反应敏感性迅速增强，极易形成爆炸反应链，温度快速升高，导致升温时间在爆炸下限出现断崖式缩短。当瓦斯浓度在7%～12%时，点火源周围的CH4分子运动相对活跃，受瓦斯浓度影响，升温时间变化不明显；当初始瓦斯浓度为爆炸上限时，随瓦斯浓度升高，氧浓度降低，不足以提供CH4反应需要的氧化物，成为限制爆炸发生的主要因素之一，且对爆炸影响较大，因此升温时间在爆炸上限也存在断崖式变化。

图6 升温时间随初始瓦斯浓度变化曲线Fig.6 Change of heating time with initial gas concentration

2.4 温升速率随初始瓦斯浓度变化规律

温升速率是描述瓦斯爆炸过程中温度变化快慢的物理量。对爆炸过程中温度数据进行分析得出，低浓度(6.5%)、当量浓度(9.5%)和高浓度(12%)瓦斯爆炸时温升速率变化规律，如图7所示。由图7可知，初始瓦斯浓度为6.5%时，瓦斯爆炸过程中温升速率最高为2.7 K/ms；初始瓦斯浓度为9.5%时，在97 ms时温升速率达到最大值5.41 K/ms，后逐渐降为0 K/ms，然后出现小幅度升高，再缓慢降低至-0.5 K/ms，并最终稳定在0 K/ms附近。爆炸温升速率初始阶段急剧上升，说明初始瓦斯浓度为9.5%附近爆炸剧烈，温度上升较快；当初始瓦斯浓度为12%时，温升速率最高达2.8 K/ms，小于瓦斯浓度为9.5%时的温升速率。

图7 不同初始瓦斯浓度条件下温升速率与温度的关系Fig.7 Relationship between temperature rise rate and temperature under different gas concentration conditions

不同瓦斯浓度条件下温升速率对比如图7(d)所示。由图7(d)可知，初始瓦斯浓度为9.5%时爆炸最先开始升温，说明爆炸过程中温度上升延迟时间较短，且爆炸过程中温升速率相对最高；低浓度(6.5%)和高浓度(12%)瓦斯爆炸过程中温升速率和温度延迟时间小于当量瓦斯浓度，说明初始瓦斯浓度在当量浓度时，分子运动最为活跃，且各反应物相对充足，爆炸极易发生且爆炸强度相对最大。

2.5 爆炸温度与压力关系

以初始瓦斯浓度为9.5%时的温度和压力数据为例，研究温度与压力间的关系，如图8所示。由图8可知，压力在115 ms达到峰值0.899 MPa；温度在331 ms时第1次达到峰值为909.22 K，与压力峰值时间间隔t1为216 ms；温度在570 ms第2次达到峰值936.34 K，与压力峰值时间间隔t2为455 ms。说明瓦斯在爆炸过程中，压力波的传播比火焰传播的快，因此温度达到第1个峰值的时间较压力波达到峰值的时间晚，爆炸压力波传至爆炸罐体壁后，受罐体壁反向力作用，使爆炸压力波反向传播，同时与相对的火焰波汇合，促使火焰波反向传播，正向火焰波与反向火焰波叠加，使火焰温度进一步升高。因此，在爆炸强度较大时，瓦斯爆炸温度会出现二次升温现象。

图8 初始瓦斯浓度为9.5%时爆炸压力与温度关系Fig.8 Relationship between gas explosion pressure and temperature under 9.5% concentration

以初始瓦斯浓度为6.5%，12%为例，爆炸过程中温度随时间变化规律如图9所示。由图9可知，在爆炸过程中没有出现二次升温现象，主要原因是受初始瓦斯浓度影响，在爆炸上、下限附近时爆炸强度降低，爆炸过程中压力上升速率减慢，压力达到峰值的时间较长，压力波到达爆炸罐体后反向传播能力减弱。压力、温度峰值的时间间隔t3、t4较t2明显缩短，爆炸过程中温度峰值和压力峰值的时间间隔较小，不能促进火焰波的反向传播，导致温度上升过程中的二次升温现象减弱，甚至无二次升温现象。