受限空间内障碍物数量对瓦斯爆炸激励作用实验研究

姚礼琳,王学强,席国军,徐景德,周振兴

(1. 华北科技学院 矿山安全学院,北京 东燕郊 065201;2. 陕西煤业股份有限公司,陕西 西安 710000;3. 陕西彬长胡家河矿业有限公司,陕西 咸阳 712000;4.华北科技学院 高等教育研究所,北京 东燕郊 065201)

0 引言

瓦斯爆炸是矿井常见的恶性事故之一,其事故破坏性大,一直都是研究的热点问题。煤矿井巷发生瓦斯爆炸时,胶带机、矿车、液压支护等机械设备都是障碍物,将致使巷道内湍流度急剧上升,激励火焰阵面快速传播并显著增强爆炸冲击波超压。深入分析障碍物的激励效应,有助于瓦斯爆炸事故机理调查研究。

国内外学者对障碍物促爆机理与障碍物形状、数量、间距与摆放方式开展了大量研究。针对促爆机理的研究中,A.M. Na'inna等[1]认为:未燃气体平动造成障碍物附近湍流度上升,燃烧波抵达该区域时,湍流能加速燃烧波阵面运动。Zhang等[2]研究发现,孔板形障碍物能明显加速管内火焰阵面的运动。景国勋等[3]进行实验发现,矩形板状障碍物对可燃气体爆炸超压影响最大。罗振敏等[4]使用FLACS软件模拟受限空间内瓦斯爆炸,发现圆柱形障碍物的存在导致管道末端爆炸超压出现大幅上升,爆炸反应时间明显缩短。Masri等[5]进行实验发现截面为圆形的障碍物对火焰加速作用最小。赵永鑫等[6]通过数值模拟发现,单个圆柱形障碍物后方区域存在压力波动;比例距离增大,压力波动幅度随之下降。林伯泉等[7]通过实验发现障碍物数量的增加能迅速提升火焰传播速度,显著减慢火焰速度衰减。Hall等[8]研究了障碍物数量对湍流预混火焰的影响,发现障碍物数量的增加会加剧火焰锋面扭曲形变。Dong等[9]发现增加障碍物数量,能大幅提升爆炸超压峰值。尉存娟等[10]通过实验发现,管道内放置不同数量的环形障碍物时,爆炸火焰传播速度与爆炸压力随障碍物数量增加先增后减。宋晓婷等[11]发现管道内多个竖放柱状障碍物时,火焰阵面拉伸程度最为严重。陈道阳等[12]通过数值模拟发现,管道内火焰传播速度随障碍物间距的增加,先增大后减小。管道内障碍物摆放方式能直接影响火焰经过障碍物表面面积,其中圆柱形障碍物竖放时火焰经过障碍物表面面积最大,对火焰传播速度[13]的提升最为显著。

实际生产中,煤矿井巷内液压支护往往队列式密集分布。然而现有研究侧重于3～ 5个障碍物队列式分布,针对管道内4～8个柱状障碍物对瓦斯爆炸激励作用实验研究较少。冲击波遇到单个圆柱形障碍物后,会发生绕射,并在后方形成涡旋;障碍物数量的增加,导致流场内湍流分布复杂,障碍物对瓦斯爆炸激励作用规律进一步复杂。因此,本文采用阻塞率为16.74%的圆柱形障碍物,探究4～8个障碍物对瓦斯爆炸激励作用的影响。

1 圆柱形障碍物激励效应的机理分析

图1为圆柱形障碍物对冲击波传播影响示意图,管道壁面约束作用导致冲击波发生规则反射与非规则反射[14],逐渐形成均匀的类平面波不断向前传播。管道中冲击波一接触到障碍物,随即发生壁面反射。冲击波沿障碍物两侧绕行过程中与障碍物迎波面接触逐渐增多,随之产生一道向外扩张的、弯曲的反射波。当冲击波经过圆柱形障碍物前半部分后,障碍物后方形成冲击波绕射并驱动未燃气体形成涡旋。

图1 圆柱形障碍物对冲击波影响示意图

密闭管道内,正激波与反射激波平动驱动未燃气体在管道内往复运动,致使障碍物迎火焰面方向与火焰传播方向均有涡旋存在。工况2原始纹影图像如图2所示,障碍物附近存在涡旋,诱导火焰锋面开始发生形变失稳,如图2(b)所示。当越过障碍物后,火焰锋面快速湍流化;其燃烧释热速率迅速提升并加速向前运动,如图2(c)所示。

图3 实验装置

根据瓦斯爆炸“两波三区”理论,火焰阵面经多个障碍物加速后,将诱导更强的冲击波产生,极大加强瓦斯爆炸事故的严重性。

2 实验装置与方法

2.1 实验装置

基于瓦斯爆炸尺寸效应[15]与实际巷道断面尺寸与类型,选用六段方形中尺度激波管作为爆炸容器,末端使用盲板密封,如图(3)所示;激波管截面尺寸为200mm×200mm,爆炸容器总长度为17.05m。管道最左端为圆形截面的点火段 (长750mm、内径150mm)。点火电极位于点火段最左端壁面中心位置,电极间隙为2mm。点火器为自主研制,同步装置触发时输入TTL 电平,产生高压火花,引燃激波管内预混气体。

使用东华公司DH8302数采系统采集并分析压力、火焰信号。压力传感器为美国PCB 公司ICP 压电传感器(型号为111A22),谐振频率f≥500KHz,上升时间t≤1μs,灵敏度为0.145mV/kPa,满足本实验压力数据采集要求。光电二极管(型号为GT-101)为火焰传感器主体,完成火焰光电信号转换工作;由 AD卡记录分压电路中的电信号,信号初始上升时刻与信号强度表征火焰抵达时刻与火焰强度。纹影系统光路为Z 字型,使用双凹球反射镜 (直径260mm、焦距2.6m)在观察视窗附近对称排布;纹影系统光源使用绿激光模块 (激光强度5W,波长532nm),高速相机选用加拿大MegaSpeed 公司相机(型号Ms70k),采样频率为5000Hz,可获得清晰的激波、火焰纹影图像,同步串联系统协调所有系统同时运行。

2.2 工况设置

为研究圆柱形障碍物激励作用,在管道中部玻璃视窗处使用阻塞率为16.74%的钢制实心圆柱体(直径40.34mm、高166mm)竖放于管道底部。本实验共计3 种工况。工况1 全管道充入9.5%体积分数的甲烷-空气预混气(当量比取1)点火能量为225mJ。如图4所示,置压力、火焰传感器于管道顶部与侧面2m、4.5m、7.3m、8.75m、9.35m、10.8m、13.3m、15.8m 处设。使用高速相机在观察窗处拍摄爆炸流场图像。表1为试验工况,以工况1为基础,工况2 、工况3及工况4分别在P 4与P 6测点间,间隔20cm设置4、6、8 个障碍物,模拟井下封闭空间内液压支护存在时发生的瓦斯爆炸。每个工况重复实验三次,确保实验数据准确。

表1 试验工况

图4 工况示意图

2.3 实验步骤

依据Dalton分压定律配制体积分数为9.5% 甲烷空气预混气体,在预混气体罐内依次充入甲烷、空气,充分静置8～12h。断开中部视窗与其后方激波管,在P 4与P 6测点间依次安装柱状障碍物,密封管道并检查气密性。真空泵将全管道抽真空后,充入预混气体直至管内气压恢复至101.325kPa。设定点火器的实验放电电压为15kV,使用同步系统控制同时触发采集、测试系统与高速相机,实现点火及数据采集。

3 压力、火焰传感器信号分析

图5为工况1未加入障碍物时P4测点超压图像。密闭管道内,尾端盲板反射作用使正激波与反射激波相互作用,爆炸超压持续震荡。由图5 可得,a为瓦斯爆炸初始阶段弱扰动,b为前驱激波。爆炸初始阶段,燃烧波产生多道扰动,提升前方未燃气体温度,致使后续扰动传播速度不断提升。多道扰动在管道内相互追赶,最终合并为一道前驱激波b。随后经尾端盲板反射作用,产生首道反射激波d。

激波管道为方形,而点火段管道截面为圆形,二者管道截面差异导致波系进一步复杂。点火段壁面反射的激波经过截面突变区域后形成类环形激波,远离点火段运动;同时反射一道圆面激波,向点火段壁面逼近。随后激波聚焦使类环形激波重新发展为一个平面,由于管壁的约束作用,致使圆面激波重新生成一个新的平面。因此,截面突变区域的存在导致一道激波阵面演变为两道激波阵面。

已燃气体与未燃气体存在密度差,激波穿过火焰后进一步加剧波系紊乱程度。因为已燃气体密度低,未燃气体密度高,火焰锋面在激波由已燃气体穿过进入未燃气体后,其后方生成透射波与反射波,这两道波本质都为激波[16]。反射波继续向点火段前进,随后经截面突变区域再次与火焰锋面作用,致使爆炸流场波系进一步复杂,因此爆炸超压曲线由“突跃-缓降”转变为“起伏不定”。

观察图6各工况前驱激波超压曲线图可得,管道中无障碍物时,前驱激波超压先沿程缓慢上升,后平稳传播,在管道末端迅速下降。加入障碍物后,各测点超压均有明显上升。障碍物数量为0～6个时,各测点前驱激波超压随障碍物数量增加而增大。与激波管空载时超压演变不同,前驱激波在障碍物附近测点超压急剧上升,随后继续升高至超压峰值。激波越过障碍物时发生绕射,其部分动能转化为压力势能,进而引起障碍物附近测点压力快速升高。但障碍物数量继续增加至8个时,各测点前驱激波超压演变趋势与工况2、工况3大致相同,但超压数值明显降低。由此可知,本实验条件下前驱激波超压随障碍物数量先增加后降低,同时工况2、工况3、工况4前驱激波引起的超压峰值出现在P 7测点。

图6 各工况前驱激波超压

图7为各工况火焰速度图,V1为F1-F2测点间平均速度、V2为F2-F3测点间平均速度以此类推。观察图7可知各工况爆炸火焰速度曲线均呈双峰状;F 4与F 5测点间距为0.6m,其余测点间距均为2.5m。各工况中F 4与F 5测点间的平均速度V5均远小于各工况的速度峰值,表明本实验条件下较短距离设置测点可稳定获得管道内火焰速度震荡现象。激波管空载时,爆炸火焰在管道中部速度略有增加后逐渐回落至0,速度峰值为25m/s。当障碍物为4个时,火焰逼近首个障碍物过程中速度下降,在经过障碍物扰动区域后速度达到峰值45.312m/s。管道内置障数量为6个时,障碍物前方与后方流场扰动程度达到最大,双峰状结构最为显著,速度峰值为145m/s。随着置障数量的进一步增加,管道内爆炸火焰传播速度显著下降,速度峰值为55.769m/s。爆炸火焰传播速度随障碍物数量先增加后减小,速度峰值区间紧邻障碍物设置区域,因此在实际巷道中需要加强障碍物密集分布区域的阻燃抑爆措施。

图7 各工况火焰速度图

图8为各工况测点最大超压图,各工况测点最大超压峰值出现在P 7测点,分别为96.297kPa、135.517kPa、182.157kPa、119.056kPa,随着障碍物数量的增加,最大超压峰值先升高后明显降低。火焰速度包含火焰运动速度与燃烧速率,火焰速度的增加表明管道内火焰阵面燃烧释热速率不断加强,诱导更强的冲击波在管道中相互作用,致使各测点最大超压不断升高。与前驱激波相同,工况2、工况3、工况4测点最大超压峰值出现在P 7 测点,该测点距障碍物放置区域存在一段距离,因此矿井隔爆水袋可在采区间巷道[17]支护后方一段距离内布置。

图8 各工况测点最大超压

4 结论

(1) 密闭管道内,火焰速度具有震荡传播特征,本实验工况下,较短距离设置相邻火焰传感器能稳定获取火焰速度震荡情况。

(2) 障碍物对火焰传播速度的激励效应随障碍物数量的增加呈非线性关系,火焰速度峰值先增大后减小。

(3) 前驱激波超压峰值与测点最大超压峰值也随障碍物数量的增加先增大后减小,且二者峰值出现位置相同,都与障碍物设置区域存在一定间距,因此矿井巷道设置隔爆装置可与障碍物保持一定距离。

(4) 在实际生产中,应加强障碍物密集分布区域的阻燃抑爆措施,缩小瓦斯爆炸波及范围,减少井下操作人员伤亡;通过瓦斯爆炸对巷道毁伤情况,可判别火源位置及障碍物参与情况。