张莉聪，刘立萍，徐景德

(华北科技学院，北京东燕郊 101601)

0 引言

分析矿井瓦斯煤尘爆炸事故原因可知，一般情况是由于瓦斯煤尘达到爆炸浓度界限，遇到火源引起爆炸，然后迅速传播，在传播过程中对矿井设施和人员生命安全造成损害［1］。爆炸传播过程中火焰波的发展变化特性决定了爆炸事故破坏程度的大小［2］，因此研究瓦斯煤尘爆炸火焰、冲击波传播规律尤显重要。同时，利用先进的实验测量手段开展瓦斯煤尘灾害的发生机理、瓦斯煤尘爆炸的特性及其演化传播规律的研究有着广泛而深远的意义［3］。

1 总体设计

在煤矿井下，虽然任何地点都有瓦斯煤尘爆炸的可能性，但大部分爆炸事故多发生在采煤与掘进工作面。一般情况下，采煤与掘进工作面的巷道空间布置形式可以简化为一端封闭一端开口或两端开口的管道空间模型，本实验即基于这种管道空间模型开展研究的［4］。

瓦斯煤车爆炸的实验测试系统总体布置如图1所示:主要包括:管体系统、流场显示系统、参数测量平台、配气系统等。

图1 实验测试系统总体布置简图

2 分系统设计

2.1 管体系统设计

管体主要包括点火段(点火法兰和点火段)、转接段、实验段和真空罐。

管体尺寸。采用截面为200 mm×200 mm的冷拔方管，长40 m。内外壁可电镀，以增加寿命和便于光谱测量。

图2 管体示意图

点火段和点火系统。为低压可燃气体点火或其它面点火、单纯激波实验所需。

点火器:电容式点火器，点火能量高。可调点火能量(通过调电压和电容方式)、放电频率和脉宽。含充电电压指示器。

由于气体介电常数和初压不同，为防止点火器和管壁放电，采用低初压的点火端盖，如图3所示。主要含部件:1、管体，2、端盖，3、Teflon，4、火花塞。

图3 点火段简图

双膜机构。该机构可与爆轰起爆结合使用，也可研究爆燃波通过惰性剂的火焰演化情况，了解和评价阻燃剂作用机理和效果。

实验段设计。实验段是整个设备设计最为重要、也最为复杂的环节。各种测量，特别是光学测量主要是在实验段进行的，因此，要仔细考虑。根据瓦斯煤尘爆炸实际管道的特点，需要加工不同斜交角的分叉管和不同曲率半径弯管，用来模拟实际矿井瓦斯爆炸现象的研究。

图4 双膜段简图

实验段观察窗，如图5所示。圆形玻璃窗，透光直径为300 mm，流场光学显示采用K9玻璃，光谱测量采用石英玻璃(S1)。考虑到光学测量(光谱测量、流场成像)需要观察窗，由于冷拔管壁厚度不够，因此，我们采用在管壁外测镶焊金属框作为玻璃安装的支座。另外，为保证玻璃不受损失，将玻璃预先装入可拆卸的玻璃框中，每次实验只需拆卸金属框就可以了。

图5 实验段简图

光学测量实验段是整个设备设计最为重要、也最为复杂的环节。在光学等测量中，通常需要实验段上游位置提供触发激光器氙灯的信号(如火焰面或冲击波得到的电信号)。必要时，传感器也需要位于实验段上。

真空罐设计。经验表明:真空舱体积应为管道总体积5～10倍，这样可避免端面反射冲击波超压损坏观察窗，保证实验安全。另外，真空舱也需要一定的长度，以避免爆炸气体产物或冲击波的反射波冲进进入实验段，干扰了实验段内较慢过程的流场观察和测量;由于本系统管道是目前国内现有设备较长的实验管道，爆燃和爆轰的反射激波后压力很高，因此，在光学测量实验中，为确保安全，需要将实验管道和真空舱之间夹膜。冲击波在膜片上反射，很快将管道内的压力卸载，以确保安全。。

监测舱内状况。设计安装CCD，可检测爆炸气体射流在真空舱内的演化情况，和实验过程中真空舱是否损坏。

安全窗口。为了确保真空舱安全，需要在罐体加装覆盖橡皮的安全窗口。当舱内压力高于预定的临界值，安全橡皮自动破裂、卸压。

空舱操作。实验前需要抽真空，将上次实验的废气抽掉，并用膜片将真空舱和实验段隔开。

尺寸估算。

若a=0.4，L=40，N=10

综合考虑，我们取N=5，得到L=6.3 m，d= 1.6 m。

2.2 流场显示设计

测量孔布置。每段指定位置(通常间隔1 m)在三个侧面设置测孔，有专用支座的传感器直接安装在这些测孔上。光学测量可通过光纤将火焰发射光引到光谱仪进行组分和温度测量。压阻或压电传感器需要前置，以避免出现信号干扰和衰减严重的情况［5］。

流场显示的仪器为激光纹影系统，图6给出了典型纹影系统示意图。

激光纹影系统原理:纹影系统是通过流场中折射率变化来反映密度一阶偏导数，可捕捉到流场中的激波和接触间断等。对带自发光的燃烧流场，流场发光和光源的光会同时造成底片曝光。

红宝石激光器2的He－Ne激光器光路由另一He－Ne激光器1通过半透镜4调节并准直。凹面反射镜11的焦距为1.5 m，扩束镜6的焦距为5 mm。激光光束通过光强调节器3和光束调节器5后，由扩束镜6扩束，仅光斑中央较均匀的部分经过反射镜。直径为150 mm的准直平行光经过实验段后由另一凹面反射镜聚焦。聚焦后的光束经过照相物镜14成像于底片。采用滤光片滤去爆轰化学反应发光，允许照相机B门打开几分钟而不出现底片曝光。靠近实验段的压电传感器信号经过预设延时后触发红宝石激光器。

图6 流场光学显示设计

纹影系统包括光源系统、反射镜系统、成像系统和滤光片。

2.2.1 光源系统。

光源大致可分为连续光源和脉冲光源两类，分别适合拍摄连续变化和瞬态变化过程的流场图像。

连续光源包含:灯泡、聚焦系统、狭缝。光源为24 V，150 W卤钨灯。聚光系统:聚光镜由两组双胶合透镜组成，把灯丝成象在狭缝上，成为二次光源(实际光源)。为了准确聚焦，其中一组胶合透镜能前后移动。狭缝为两刃片同时运动型式，读数最小值0.01 mm。狭缝机构可绕光轴作360°旋转，以选择不同的取向。狭缝刃面可装有小孔插片，供阴影照相用。另外，为检查光源象是否正确位于狭缝平面上，也可备有放大观察装置。

脉冲光源包括火花放电和脉冲激光器。对于脉冲光源，需要利用外信号(如压力或应变信号)触发和带有时间延时器的同步控制电路。对于脉冲激光器，如单脉冲红宝石激光器(波长 λ= 694.3 nm)，直接采用外触发信号触发氙灯，然后通过调Q延时出光。

光源通常置于可进行三维坐标调整的支架上。

2.2.2 反射镜系统

球面反射镜焦距通常为其口径的10倍。球面镜的加工面型误差≤λ/4或 λ/8(作干涉显示)。球面反射镜需镀铝反射膜，玻璃毛坯经过精密退火，应力不大于2级，加工后面形误差。纹影镜框为特殊设计，采取三点支承方式，纹影镜放入后受力均匀，防止局部受力变形。纹影镜与镜框之间留有合适间隙，作为温度膨胀余量，防止室温变化的影响。纹影镜框有俯仰及旋转两个自由度调整机构并能锁紧。

2.2.3 成像系统

通常包括小反射镜、刀口、滤光片、特制物镜和成像介质等。刀口包括黑白和彩色刀口，是纹影仪的关键部件。它平行于光源狭缝，且位于反射镜的焦平面上。当流场无扰动时，若刀口切去一部分光源的像，则照相平面上光强均匀的减弱。黑白刀口为带有直边刀刃的钢片。彩色刀口为三种不同颜色光学玻璃精密研磨的光学组件或幻灯正片拼接构成。中间为蓝色，两边为红色和黄色。两种刀口更换方便。刀口能沿垂直于刃边方向平移，移动距离±5 mm，最小刻度0.01 mm。整个刀口机构可绕光轴作360°旋转。刀口机构能沿光轴前后移动，准确定位于反射镜的焦点处。

2.2.4 滤光片参数选择

在燃烧流场(如爆燃、爆轰等)中，为获得清晰纹影照片，必须滤除流场自发光。采取措施是: (ⅰ)光源采用红宝石激光，其脉宽约为40 ns，中心波长为694.3 nm，脉冲能量为20 mJ，光束直径为6 mm。(ⅱ)在照相机前加滤光片，允许红宝石激光通过，滤除其它光。滤光片参数如下:中心波长为694.3 nm，半带宽为15 nm，694.3－7.5 nm≤λ≤694.3+7.5 nm透过率大于60%，λ≤694.3－7.5 nm或λ≥694.3－7.5 nm透过率小于1‰。

2.3 参数测量平台

2.3.1 火焰速度测量

爆燃研究中通常关心火焰速度测量。严格地说:火焰是“工程燃烧学”的概念。火焰不是一维的，其速度测量是基于平均测量的。每个火焰速度测量通道主要部件如图7所示。采用光纤，目的是增加测量系统的适应性［6］。

图7 火焰速度测量和数据采集系统

2.3.2 组分测量(光电倍增管和光谱议)

利用3通道光谱仪，色谱仪测量爆炸和燃烧反应产物或主要自由基浓度。本系统利用发射或吸收光谱测量组分浓度的仪器系统。

图8 光谱仪测量组分浓度示意图

温度测量。利用双波长发射光谱，自研制。压力测量。20通道、多通道高速数据采集卡，压阻和压电传感器［7］。

2.4 配气、真空和控制系统

这三套子系统均集成在实验台上。配气系统主要作用是:将管道抽真空、充入指定压力和混合物浓度、显示压力。主要包括压力表、水银柱(和真空压力计)、配气罐、气瓶、电磁阀和手动阀门、连接气管等，见图9所示。

图9 配气和真空系统原理图

真空系统和配气系统连接，主要为管道、真空舱和配气罐抽真空。主要由真空压力表、真空泵和电磁阀门、连接管道组成［8］。

控制系统包括操作阀门动作、点火、数据采集、实验场地监控和示警等作用。在管路方面，与实验管道连接部分均采用手动阀，其它采用电磁阀驱动气动阀。为便于统一操作、控制，我们设计了如下图所示的操作台，将上述三个子系统集成在控制面板上(见图10)。操作台上配有阀门控制系统、报警系统、主要参数(压力、温度、速度)数据采集系统。

2.5 支架设计

图10 操作控制台

本设备支架采用支座、导轨、小车系统。小车轮轨相对运动要灵活、测向位移要小。整个导轨放在能方便调节高度和水平位移的支撑柱上。实验表明:与管道各段的定位销连接的管体相配，这是一套精度高、操作灵活的支撑系统。本套支撑为自行设计、制造。

图11 小车导轨示意图

2.6 管线布置

将气路和信号测量线路、电源和监视电缆分开安装，既保持整洁美观、又保证检查方便。进气管路利用高压软管，尽量多采用阀门快速接头，样便于操作。

3 结论

1)分系统设计模块化、操作和维修方便;测试技术(主要为光学测量)先进、能够准确显示瓦斯煤尘爆炸传播过程中高速瞬态的爆轰和爆燃流场，可捕捉到流场中的激波和接触间断等。对带自发光的燃烧流场，流场发光和光源的光会同时造成底片曝光。

2)在可调高度的支架上，管道支撑在专用轨道上，可保证前后灵活运动。

3)为保证实验安全，还设计了CCD监视系统和警灯、警铃提示系统。管道充气时，警灯开始警告。启动点火系统时，警铃提示。便于实验无关人员离开现场。

4)该测试系统能够测试高压瓦斯气体渗出、扩散、点火、DDT过程，复杂管道(弯曲和分叉管道)爆燃传播现象，冲击波或爆燃波后高速气流诱导的粉尘卷扬及其扩散，冲击波诱导气流的点火现象。

［1］ 司荣军，王春秋，张延松，李润之。瓦斯煤尘爆炸传播研究综述及展望［J］.矿业安全与环保，2007，(1):67－69.

［2］ Donald.N.H.C，Henry E.P.Mathematial Study of Propagating Flame and Its Aerodynamics in a Coal Mine Passway.Report of Investigation7908，Pisttsburgh Mining andSafety Research Center，Pisttsburgh，Califomia，USA，1974.

［3］ 张莉聪，徐景德，吴兵，杨庚宇，等.甲烷－煤尘爆炸波与障碍物相互作用的数值研究［J］.中国安全科学技术，2004，14(8):82－85.

［4］ Lin Baiquan and Qian liping.Research and application on the risk evaluation technology of gas explosion based on the WINDOM 2000［J］.Mining Science and Technology，2004，227－232.

［5］ 吴兵，张莉聪，徐景德，等.瓦斯爆炸运动火焰生成压力波的数值模拟.中国矿业大学学报，2005，34(4):423－428.

［6］ 张莉聪，徐景德.瓦斯煤尘爆炸火焰传播机理的光学测量系统研究.华北科技学院学报，2010，7(2):20－23.

［7］ Zhang licong，Xu jingde，Zhang Yulong.Numerical Simulation Of Shock Wave Structure In Gas Explosion.First International Symposium on Mine Safety Science and Engineering.2011.

［8］ 徐景德，张莉聪，黎体发，杨庚宇.煤矿瓦斯爆炸事故中矿车激励效应的数值模拟［J］.爆炸与冲击，2012，32(1):47－51.