障碍物对瓦斯爆炸压力传播规律的研究.pdf

2011年第3期
能源技术与管理
do:10.39695issn.1672-9943.2011.03.001
矿业技术
障碍物对瓦斯爆炸压力传播规律的研究
李迎春,杨胜强
(中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州22116
摘要]针对近年来煤矿瓦斯爆炸事故频发的情况,自行设计了内径80mm、壁厚6mm和
总长1050mm的瓦斯爆炸试验管道,模拟煤矿巷道中障碍物对瓦斯爆炸压力传播
规律的影响。实验结果表明,障碍物的存在对瓦斯爆炸压力具有显著影响,障碍物
的数量越多,对瓦斯爆炸压力影响越大;单片障碍物的情况下,瓦斯爆炸压力在一
定范围内随着阻塞率的増大而増大,超过这个范围,瓦斯爆炸压力反而下降;经试
验得出,当阻寒率为50%时,对瓦斯爆炸压力的影响最为显著。
关键词]障碍物;瓦斯爆炸;管道;爆炸压力;阻塞率
[中图分类号]TD712.72[文献标识码]B[文章编号]1672-9943(20113000103
所示。
0引言
5.5m
煤矿瓦斯爆炸是影响煤矿安全生产最主要的
灾害事故,一直是我国煤矿安全生产的“第一杀
手”。因此对煤矿瓦斯爆炸影响因素的分析显得十
分重要。本文利用自制的水平管道实验平台,研究
障碍物对瓦斯爆炸压力传播规律的影响,对预防
1.瓦斯爆炸试验管道;2真空表;3.瓦斯爆炸点火装置;
和控制煤矿瓦斯爆炸具有指导意义。
4.真空泵;5.配气系统;6.压力测量系统
图1瓦斯爆炸试验系统示意图
1研究现状
试验介质是浓度为10.1%的瓦斯一一空气预
障碍物对瓦斯爆炸的激励效应是显著的,并混气体,此浓度为最佳浓度,在该浓度下基本燃烧
且构成压力波火焰的正反馈机制。自 Chaman和速度及其相应的爆炸反应热达到极大值,即爆炸
Wheeler率先开创有障碍物管道中火焰传播研究威力最大,破坏最严重;选用此浓度,可以得出更
工作后,20世纪70年代末至90年代初,出现一加有效、可靠性更高的实验数据结果。
个研究管道中火焰加速现象的高潮,中科院力学
实验是在半开口管道中进行的,即点火端封
所、北京理工大学、煤炭科学研究总院重庆院、中闭,爆炸时出口端是完全敞开、无约束的。为了达
国矿业大学等分别在不同形状的管道或容器中研到这一点,在管道出口端用纸片封口,再加盖法兰
究障碍物对燃烧波加速的影响-?。
封闭,待实验管道内抽完真空并充满瓦斯气体后,
于点火端取下法兰,此时仍要保持纸片封住端口
2实验方案
这样,瓦斯爆炸就在半开口状态下进行了。
瓦斯爆炸实验系统如图1所示,主要包括:瓦
实验装置的压力系统采用CYG1402H压阻
斯爆炸试验管道、瓦斯爆炸点火装置、配气系统、式压力传感器来测量爆炸产生的压力;点火系统
压力测量系统等。
采用手动方式点火,由点火电极、电源、高压变压
试验采用的瓦斯管道内径80mm,壁厚6mm,器等组成;采集器采样频率1kHz~50MHz可调。
总长105m,由三段无缝钢管组成,分别为一个1m、3实验结果及分析
一个4m和一个5.5m,中间由法兰连接,管道点
火端封闭,另一端开口。障碍物设置在1m管道和3.1实验数据整理
4m管道连接处,靠螺栓紧固密封,水平管道设计
表1和表2为各工况实测实验爆炸压力参
的最大承受压力为5MPa,其中测点布置如图1数,其中每个测点的数据都是三次有效测量的算
李迎春,等障碍物对瓦斯爆炸压力传播规律的研究
2011年第3期
术平均值。
碍物时增加了近3倍,爆炸威力及破坏危险性很
表1障碍物影响下瓦斯爆炸压力试验结果
大
平均爆炸压力/MPa
从图2中还可以看出,存在障碍物的情况下
传感器长径比无障1片2片4片6片爆炸压力都在长径比为24附近形成一个低压区,
碍物障碍物障碍物障碍物障碍物
而随后压力急剧上升。实际上在长径比为24之前
60.19570.48320.52640.58940.5911
240.22070.41470.45640.45370.5385
有一个压力迅速升高阶段,那是由于爆炸波在多
480.23730.49050.55310.59220.6535
道障碍物中间穿行过程中发生湍流,再加上爆炸
7003921063540825709310562波经障碍物的反射波,压力迅速升高,但经过障碍
5960.53680884102171.283214753物后,附近压力有所下降;另外在长径比96以后.
表2不同阻寨率障碍物影响下瓦斯爆炸压力试验结果
由于实验管壁散热的影响和气体泄漏而带走能
量,瓦斯爆炸反应放出的能量低于向周围散热而
平均爆炸压力MPa
传感器长径比单片阻单片阻单片阻单片阻单片阻
损失的能量,压力开始逐渐下降。
塞率塞率塞率塞率塞率
实际上,瓦斯爆炸压力的传播过程与火焰传
20%30%40%50%60%
播规律密不可分。由此可分析造成管道瓦斯爆炸
60.33280.48320.55640.61940.5653
压力升高的两种情况:①对于管道内的瓦斯爆炸,
240.38260.41470.46490.55370.5074
燃烧波从闭口端向开?端传播。由于波后的燃烧
480.42570.49050.59230.67270.6302
700.65710.73540.81980.92840.7537
产物被闭口限制,从而燃烧波后的压力和温度迅
s9608340884093171590954速升高,使燃烧波的传播速度逐渐加速,由此在它
3.2障碍物对瓦斯爆炸压力的影响
的前方形成压缩波,其传播速度等于声速,燃烧波
障碍物使用其环形,其阻塞率为30%,多片在被压缩波经过后的气体内通过;当经过障碍物
障碍物之间的间距为120mm,分別取1、2、4和
时,波后的燃烧产物不仅被闭口限制,而且在障碍
片障碍物来研究障得物数量对瓦斯爆炸压力的影物中间形成多个方向的限制汇总,从而进一步加
响
剧燃烧波前的温度与压力不断提高,燃烧波在逐
利用表1中得到的试验数据,可以得到管道步加速,并不断向波前发射压缩波,在一定时间与
内不同数量障碍物影响下的瓦斯爆炸压力传播变距离上将发展成为冲击波间断。冲击波与压缩波
化曲线图,如图2所示。
相互作用而达到一定强度,从而发展成爆轰波。增
大爆炸压力的微分加速机理,是基于压缩波和冲
击波的相互作用,从而提高了未燃气体的温度和
坛
压力,进而增加了燃烧的速度,燃烧波加速再次向
前形成压缩波,再次增加未燃气体的温度和压力
0.6
这个渐进的过程,最终导致爆炸压力达到峰值。(②
0.2
管道内瓦斯点燃时,火焰面以宏观层流,微观湍流
l00120
状态火焰的形式在管道中传播。当遇到障碍物时
长径比
诱发湍流,火焰传播形式变以宏观湍流为主,微观
→无障得物→单片障得物2片障碍物
层流为辅的状态,此时会在障碍物表面的边界层
4片障碍物6片障碍物
和尾迹中形成速度梯度,在火焰通过障碍物的过
图2障碍物影响下瓦斯爆炸压力变化曲线
程中,在火焰未到达之前,未燃混合物的平移流动
从图2可以看出,无障得物的条件下,在长径建立了一个