杨前意，石必明，张雷林，张鸿智，王 超

(安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

近年来，随着煤矿开采深度的加深，瓦斯涌出量随之增加，井下瓦斯积聚的空间增多，更容易引起瓦斯爆炸。由于井下沉积煤尘较多，瓦斯爆炸往往引起沉积煤尘二次爆炸，造成重大事故。研究瓦斯爆炸诱导不同含水率煤尘二次爆炸的传播规律，可有助于防治煤尘二次爆炸事故。

国内外许多学者对瓦斯爆炸诱导沉积煤尘二次爆炸传播规律及原因进行了研究。Torrent等[1]、Amyotte等[2-3]研究了瓦斯对煤尘爆炸的影响，增加瓦斯、减小煤尘粒径和挥发分增加均能够降低煤尘爆炸的最小点火能量和浓度下限；候万兵[4]使用平直圆管式气固混合爆炸实验装置，研究得出了瓦斯和煤尘混合物的爆炸传播规律等；李润之等[5-7]采用数值模拟方法对不同量沉积煤尘在瓦斯爆炸诱导下二次爆炸传播规律进行了分析，同时利用大型实验巷道对瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸发育、传播过程进行了研究，得出了沉积煤尘二次爆炸规律；景国勋等[8]使用自制实验装置，研究了煤尘爆炸传播特性，得出了煤尘量、断面对气流衰减的影响规律；王成等[9]利用水平直实验管道研究了障碍物形状对爆炸火爆传播的影响，得出了不同工况下爆炸火焰传播规律；周西华等[10]利用管道爆炸系统研究隔爆水幕对瓦斯爆炸规律影响，得出了随着喷水流量的增加，水幕的隔爆效果增强。

以上研究大多针对瓦斯爆炸引起煤尘爆炸的影响条件，传播规律及爆炸后抑爆措施，尚未单独研究沉积煤尘本身含水率的影响。由于含水率对煤尘二次爆炸有很大影响，针对不同含水率煤尘二次爆炸传播规律有待进一步深入研究。为此，采用自建水平直管管道煤尘二次爆炸规律测试系统，对不同含水率煤尘在瓦斯爆炸诱导的爆炸传播规律进行实验研究，以期为井下煤尘在瓦斯爆炸诱导下的二次爆炸事故的预防和治理提供依据。

1 实验系统

1.1 实验系统组成

本次实验所采用的直管管道爆炸规律测试系统主要由配气子系统、管道子系统、点火子系统和数据采集子系统4部分共同组成，如图1所示。其中，配气子系统由瓦斯气瓶、真空泵、空气压缩机、循环泵、数字真空压力表等组成；管道子系统由直圆管和不同角度的拐弯管道拼接组成，管径为200 mm，厚度为10 mm，长度可为0.5，1.5和2 m不等；点火子系统由电源、导线、电极和熔丝等组成；数据采集子系统由工作机电脑、数据采集器、火焰传感器、压力传感器和变送器，压力传感器采用JAS13C2A1高频动态压阻式压力传感器，精度等级为0.5%FS，量程为0～3 MPa；火焰传感器采用成都泰斯特公司生产的CKG100型火焰传感器，数据采集器为TST5206高速数据采集器，精度等级为0.1%FS，采样率最高为20 Msps。

图1 管道爆炸规律测试系统Fig.1 Pipeline explosion law test system

1.2 测点布置

管道爆炸试验系统选取不同的测点对爆炸冲击波压力信号和火焰传播信号进行采集，由于沉积煤尘二次爆炸威力大，传播速度快，为了更好地获得爆炸特性参数，共布置8个压力传感器(编号分别为a，b，c，d，e，f，g，h)和8个火焰传感器(编号分别为1，2，3，4，5，6，7，8)。管道全长24 m，开口爆炸，瓦斯填充段长8.5 m，压力传感器a，b和火焰传感器1，2均距离隔绝瓦斯的膜片1.5 m，以后每2个相邻压力传感器之间距离为1.5 m，每2个相邻火焰传感器之间的距离为1.5 m。图2为各测点传感器布置的示意图。

图2 传感器布置示意Fig.2 Schematic diagram of sensor arrangement

2 实验方法

2.1 实验方案

根据前期进行的爆炸实验和查阅到的相关文献，确定了实验的基础参数，管道内填充瓦斯浓度为9.5%，瓦斯填充管道长度为8.5 m，每次铺设煤粉总量12 g(保德煤矿中等变质气煤，煤粉粒径55目)，点火能为10 J，主要进行以下7组实验，每组实验进行5次，实时监测管道内各个位置的冲击波压力和火焰相关数据。7组实验方案如下：

1) 铺设含水率为0的煤粉；

2) 铺设含水率为10%的煤粉；

3) 铺设含水率为20%的煤粉；

4) 铺设含水率为30%的煤粉；

5) 铺设含水率为40%的煤粉；

6) 铺设含水率为50%的煤粉；

7) 无沉积煤尘，单一瓦斯爆炸。

2.2 实验步骤

采用以下实验步骤：

1)按照实验方案要求将管道安装好，在管道8.5 m处添加膜片，在传感器a与膜片间的管道内均匀铺设含水率不同的煤粉，同时检查每个连接处的气密性；将每个实验仪器打开并调试好，使仪器处于正常运行状态。

2)实验所用浓度瓦斯气体采用分压混合配置。首先抽真空，打开真空机泵，对填充瓦斯段的管道进行抽真空，当真空度达到实验要求后，关闭真空泵，配送实验爆炸时需要的高纯度瓦斯气体。

3)进行气体预混合，打开循环泵，对管道内混合气体进行30 min混合搅拌，将充入的高纯度瓦斯气体和空气混合，当实验仪器报警混合完毕时，关闭循环泵，此时形成均匀浓度9.5%的瓦斯气体。

4)启动高速数据采集器，设置好相关参数。关闭各阀门，防止爆炸产生的冲击波产生伤害，使用点火器进行点火，同时火焰传感器和压力传感器实时采集传送数据，数据采集器获得数据信息，并进行处理和图形显示。

5)排除废气，打开空气压缩机，对爆炸管道进行正压通风，排除爆炸后管道内残存瓦斯及各种有毒有害的废气。

3 实验结果及分析

3.1 冲击波峰值超压分析

不同含水率煤尘在瓦斯爆炸诱导下二次爆炸产生的冲击波到达各测点峰值超压曲线如图3所示，不同含水率沉积煤尘二次爆炸冲击波超压最大值曲线如图4所示。

图3 各测点峰值超压曲线Fig.3 Peak overpressure curve of measuring point

图4 不同含水率时冲击波超压最大值Fig.4 Maximum shock wave overpressure at different moisture contents

由图3分析可知，当含水率小于40%时，瓦斯爆炸产生的冲击波逐渐增强，到达测点b时，瓦斯爆炸产生冲击波压力最大，之后由于管道壁的摩擦和空气阻力等原因，冲击波压力减弱，当到达测点c的时候，这时候由于前驱冲击波卷扬起沉积煤尘，引起煤尘的二次爆炸，冲击波压力叠加，突然升高。当沉积煤尘含水率为10%～30%时，沉积煤尘的二次爆炸在测点c处，爆炸迅速发生，压力升高。当沉积煤尘含水率小于10%时，由于管道内处于贫氧状态，二次爆炸较缓慢，冲击波二次极值出现在测点e，当沉积煤尘二次爆炸后，冲击波沿管道直线传播，受到空气阻力和管道壁的摩擦力，逐渐降低。当含水率大于40%时，此时水分较大，部分煤尘无法扬起，不能达到爆炸需要的能量，二次爆炸没有发生，冲击波压力值不断减小。

由图4可知，冲击波最大超压峰值与函水率存在二次函数关系：y=-0.112 1x2+ 0.688 7x+0.311 5。当均匀铺设含水率为20%的煤尘时，沉积煤尘二次爆炸产生的冲击波峰值超压最大，1.657 MPa。当铺设的沉积煤尘含水率在0～20%之间，随着含水率的增加，产生的冲击波峰值超压增大。当含水率大于20%时，沉积煤尘二次爆炸产生的冲击波峰值超压随着含水率的增大而减小。这主要是由于沉积煤尘在瓦斯爆炸产生的作用下，首先要扬起，形成煤尘云，煤尘云达到爆炸条件，才会产生二次爆炸，增大爆炸威力[11]。当含水率较低时，管道内沉积煤尘受瓦斯爆炸作用后全部扬起，形成煤尘云，但是管道由于密闭作用，处于贫氧状态，煤尘无法全部参与爆炸，同时还会对爆炸波产生冷却、摩擦等作用，进而使爆炸压力下降[12]。当含水率升高，部分煤尘扬起，管道内氧气刚好供给煤尘云二次爆，氧气和煤尘反应较完全，爆炸产生的冲击波威力增大；含水率超过20%，由于部分沉积煤尘无法扬起，不能完全形成二次爆炸，导致二次爆炸的威力减小。当含水率达到40%时，此时沉积煤尘已经全部无法扬起，形成二次爆炸，同时煤尘会在管道内成为障碍物，影响爆炸瓦斯产生的冲击波传播，降低峰值超压[13-14]。

在煤矿井下，可以利用这个原理，给沉积煤尘较多处洒水，当水量合适时，煤尘无法扬起，同时会阻碍瓦斯爆炸传播。

3.2 火焰传播速度分析

实验过程中，火焰传感器接收的是光信号，监测爆炸火焰到达时间，计算火焰传播速度时，仅仅能得到火焰传播在2个测点之间的平均速度，由于传播速度快，时间短，将该段平均速度视为该段中间点瞬时速度[15]。火焰在7个阶段的中间速度分别为vA，vB，vC，vD，vE，vF，vG。以速度vA为例，速度计算公式如式(1)：

vA=L/(T2-T1)

(1)

式中：L为测点1和测点2之间的距离，m；T1为到达测点1的时间，s；T2为到达测点2的时间，s。

经计算，不同含水率条件下瓦斯爆炸诱导沉积煤尘二次爆炸管道内火焰传播速度如图5所示。

图5 不同含水率下火焰传播速度Fig.5 Flame propagation speed at different water contents

由图5可知，当煤尘含水率小于30%时，瓦斯爆炸过后，由于管道内残存瓦斯气体，火焰不断燃烧，传播速度加快，到达10.75 m后，由于气体消耗殆尽，火焰传播速度减小；当沉积煤尘发生二次爆炸后，火焰变大。当含水率大于40%，由于含水率过大，导致沉积煤尘无法卷扬，形成煤尘云，进而发生二次爆炸；火焰在10.75 m处，达到最大值后，由于能量损失和煤尘的水分蒸发吸热，导致火焰不断减小，火焰传播速度不断下降。

由图5可知，当铺设的煤尘含水率为20%时，沉积煤尘二次爆炸火焰传播速度峰值最大，为468.060 m/s；当铺设的沉积煤尘含水率为0～20%时，随着含水率的增加，火焰传播速度峰值不断增大；当煤尘含水率大于20%时，火焰传播速度峰值随着含水率的增大而减小。分析可知，当含水率较低时，沉积煤尘全部扬起，由于扬起的煤尘量较多，这些煤尘吸收了大量的火焰热量，部分没有达到爆炸燃点，同时管道内氧气量一定，无法全部参与二次爆炸，火焰速度较小[16-18]；随着含水率增加，部分煤尘无法扬起，此时煤尘云全部爆炸，威力最大，火焰速度增加最大；当含水率大于20%时，由于水分过多，煤尘扬起量很低，同时水分蒸发会吸收爆炸火焰面的能量，导致爆炸威力降低，火焰速度减小；当含水率大于40%，煤尘不扬起进行二次爆炸，水分蒸发吸热，此时，火焰传播速度衰减比无煤尘下爆炸更快，煤尘阻碍瓦斯爆炸产生的火焰传播，起到抑爆的作用。

4 结论

1)铺设煤尘的含水率为20%时，沉积煤尘二次爆炸产生的冲击波峰值超压和爆炸火焰传播速度峰值最大，峰值超压最大值为1.657 MPa；爆炸火焰传播速度峰值最大值为468.060 m/s。

2)煤尘含水率在0～20%时，冲击波峰值超压随着含水率的增加而增大；煤尘含水率大于20%时，冲击波峰值超压随着含水率的增大而减小；煤尘含水率超过40%后，沉积煤尘不参与二次爆炸，起到抑爆作用。

3)煤尘含水率在0～20%时，随着含水率的增加，火焰传播速度峰值增大；含水率大于20%时，火焰传播速度峰值随含水率的增大而减小；含水率超过40%后，水分蒸发吸热，火焰传播速度衰减较无煤尘的单一瓦斯爆炸更快，阻碍瓦斯爆炸产生的火焰传播，从而起到抑爆作用。