杨书召，刘星魁

(河南工程学院安全工程学院，河南郑州451191)

煤尘参与下的瓦斯爆炸是煤矿重大事故之一［1］.在瓦斯爆炸冲击波的作用下，巷道沉积煤尘形成煤尘云被瓦斯爆炸火焰点爆或点燃，沿巷道的煤尘均参与反应，使爆炸得以自身延续和发展，使原来弱的或较弱的瓦斯爆炸发展成为煤尘参与的强爆炸［2-3］，造成了更多的人员伤亡和财产损失.因此，国内外学者对瓦斯和煤尘爆炸的基础现象、爆炸作用效果、爆炸特性参数及爆炸过程等方面进行了广泛的研究，认为甲烷发生燃烧爆炸是一个复杂的物理化学过程，是热反应和链反应机理共同作用的结果［4-5］.煤尘受热后挥发并燃烧放出热量，这些热量传递给邻近的煤尘颗粒，使邻近的煤尘受热燃烧、范围扩大、氧化反应加快、温度快速升高，在火焰前形成冲击波，当反应放出的热量大于损失的热量时，反应自行维持，达到突跃，发生爆炸［6-7］.

本课题用一端开口的半封闭管道爆炸实验装置，通过改变瓦斯与煤尘耦合爆炸浓度及点火条件，研究了半封闭受限空间瓦斯煤尘耦合爆炸火焰的传播速度、火焰温度、超压及爆速等特征参数随煤尘和瓦斯浓度变化的规律以及瓦斯浓度、煤尘浓度对混合物爆炸超压及爆速的影响.

1 实验系统组成及条件

1.1 实验系统的组成

本项目设计并研制了煤尘与瓦斯煤尘云的生成系统，与中国矿业大学煤尘爆炸管道系统对接，形成煤尘与瓦斯耦合爆炸实验系统，如图1所示.该系统包括9个部分，即煤尘与高压瓦斯气体混合装置、煤尘与瓦斯及空气混合爆炸腔体、抽气和压气装置、爆炸实验管道、动态采集分析系统、火焰速度测量系统、爆炸压力测量系统、毒害气体采集装置和爆炸点火装置.实验管道为断面80 mm×80 mm的方形钢管，总长24 m，由长度为0.5 m，1.0 m，1.5 m和2.5 m的4种管道分节组合而成.在管道上有各种传感器及阀门的安设孔，整个管道用厚12 mm的锰钢板焊制，耐压20 MPa以上.设计腔体为直径300 mm、长1.5 m的无缝钢管，与球形阀及爆炸管道连接，腔体上有可自由卸下的点火装置、煤粉喷出装置、抽气和压气控制装置、量程0～0.1 MPa的真空表以及压力、火焰、冲击气流和毒气采集装置.

图1 爆炸实验系统示意图Fig.1 Equipment system of gas explosion experiment

1.2 实验条件

点火装置采用弱点火电容储能高压电火花，输出功率为0.2 kJ;强点火采用10 kJ化学点火源，与6 V的直流电源相连接，点火位置均在封闭端.甲烷-煤尘-空气混合物爆炸实验时关闭控制阀，对爆炸管道抽真空至-0.08 MPa，配气系统利用虹吸原理配入混合物至腔体形成煤尘云，而后打开控制阀至常压，点火起爆并启动系统自动采集.点火延迟时间为0.31 s，煤粉粒径为45～74 μm，每次实验前将煤样置于105℃的干燥箱中干燥24 h以上.实验所用的煤样(无烟煤和烟煤)经国家煤炭质量监督检验中心测试，水分为0.50% ～0.70%，灰分为10.26% ～14.86%，挥发分为21.34% ～41.08%，固定碳为24.36% ～43.82%，高位发热量为26.50 MJ/kg，全硫为0.32% ～0.63%.

2 实验结果及分析

2.1 封闭管道内瓦斯煤尘耦合爆炸火焰传播

图2和图3分别给出了甲烷空气爆炸、甲烷与煤尘耦合爆炸的火焰轨迹和火焰速度沿管道变化的情况.其中，实验瓦斯浓度为7.5%，煤尘浓度为500 g/m3.

图2 火焰传播位置随时间变化关系Fig.2 Relationship of the flame position with the time

图3 火焰传播速度与传播距离的关系Fig.3 Flame propagation speed relations with propagation distance

可以看出，封闭管道内浓度为7.5%的甲烷与煤尘混合后，因煤尘参与爆炸，放热速率增大，火焰提前到达各测点，火焰传播的速度显著增加.瓦斯爆炸与瓦斯煤尘耦合爆炸火焰的传播规律基本相似，均为爆炸初期火焰加速增长，达到峰值后快速衰减至层流火焰速度以下.这是由于耦合物被点燃后，火焰面呈球形向外快速扩展，层流火焰突变为湍流火焰，高速火焰增强了火焰前端未燃气体的流动速度和湍流度，速度很快达到极值，而后受壁面散热效应及压力波的抑制作用使火焰速度迅速下降.

2.2 半封闭管道内瓦斯煤尘耦合爆炸火焰的传播

瓦斯煤尘爆炸火焰的传播距离与耦合体聚集不同长度的关系见图4.可以看出，爆炸火焰传播的距离基本上是混合体原聚集长度的2倍左右，这一点给爆炸事故火焰伤害范围的判断提供了依据.图5给出了半封闭管道爆炸实验中浓度为7.5%的瓦斯与不同浓度的煤尘耦合爆炸的火焰沿管道速度变化的情况.可以看出，在瓦斯浓度相同的条件下，煤尘浓度不同，火焰传播的最大速度不同.距离点火端较近处的火焰传播速度较慢，随着传播的逐渐加快，传播速度达到最大之后火焰的传播速度逐渐降低衰减，与封闭状态相比，开口状态的火焰传播速度最大值出现的位置较远.这是由于混合物受热加速分解，气体增加并快速膨胀所致.

图4 混合物火焰传播距离与聚集长度的关系Fig.4 The relationship between flame distance and the length

图5 混合物火焰速度随传播距离变化关系Fig.5 Flame velocities change with propagation distance

2.3 封闭与半封闭管道内瓦斯煤尘爆炸压力传播

(1)浓度9.5%的瓦斯与不同煤种煤尘的爆炸实验结果如图6所示，煤尘瓦斯耦合爆炸的最大压力峰值明显高于瓦斯爆炸.在相同条件下，瓦斯爆炸的最大压力峰值为0.23 MPa，而瓦斯煤尘耦合爆炸的最大压力峰值为1.5 MPa.瓦斯爆炸各测点的最大压力沿管道传播基本上是均匀变化的，而瓦斯煤尘爆炸各测点的最大压力传播过程中出现了波动现象.结果表明，瓦斯煤尘爆炸的最大压力明显高于瓦斯爆炸，瓦斯煤尘爆炸的强度远大于瓦斯爆炸.

(2)煤尘与1%瓦斯耦合爆炸压力随传播距离的变化见图7.可以看出，瓦斯煤尘耦合爆炸压力在各个测试点都远大于瓦斯空气混合物的爆炸压力，说明加瓦斯后的煤尘爆炸更加完全，爆炸压力更大，传播更远.

图6 瓦斯、瓦斯煤尘爆炸最大压力沿管道变化情况Fig.6 Gas coal dust explosion pressure change along the pipeline

图7 煤尘与1%瓦斯浓度耦合爆炸测点压力随传播距离变化情况Fig.7 Changes in relationships of coal dust and gas explosion pressure with distance

(3)煤尘与3%瓦斯耦合爆炸压力随传播距离的变化规律见图8.可以看出，第一点的爆炸压力为0.432 MPa，压力明显增加;第二个测试点的爆炸压力明显高于第一点，说明煤尘瓦斯耦合发生了爆炸;后面各点的爆炸压力下降，但第三点的压力测试值仍很大，达到了0.36 MPa.这表明煤尘瓦斯的耦合体爆炸较为完全，产生的爆炸压力波克服了管道摩擦、热量散失等因素的影响尚能传播到很远的距离.上述实验表明，低浓度瓦斯参与的煤尘爆炸，爆炸相对强度随瓦斯浓度的增加而增加，传播距离更远.

图8 测试点爆炸压力变化曲线Fig.8 The curves of test point explosion pressure changing with distance

3 瓦斯煤尘爆炸传播距离的理论计算

建立煤矿半封闭掘进工作面因瓦斯突然涌出易产生爆炸的一维模型［8］，如图9所示.当|MS|→1时，冲击波相对于波前气流的传播速度总是亚音速的，且v0=0，v1=u1，冲击波波阵面参数借助于弱冲击波公式［9-10］，可得如下关系式:

图9 爆炸平面冲击波物理模型Fig.9 The physical model of explosive shock wave

式中，MS=(DS-v0)/c0，MS为冲击波相对于波前气流运动的马赫数，γ为绝热指数，DS为冲击波速度，v0为空气流速，c0为当地音度.

以点爆火源点为原点、距波阵面距离为x建立坐标系.波阵面附近积聚了爆炸冲击波卷来的气体，被冲击波压缩过的气体质量都集中在厚度为Δx的冲击波内，冲击波厚度极薄，故Δx很小，此薄层内密度为常数并等于波后密度ρ1，即此厚度为Δx的薄层质量m=Sρ1Δx=Sρ0x.其中，S为巷道截面积，x为冲击波所经过的距离.若厚度Δx的薄层内气流速度等于波阵面后气流速度u1，薄层内压强用p表示，它等于波后压强的φ倍，即p=φp1，其中φ待定，波前压强p0与p相比可忽略.忽略冲击波与壁面的摩擦损失以及热传导、热辐射等其他能量损失，仅考虑冲击波对波前气体做功的损失，冲击波对气体介质所做的功等于冲击波阵面内气体的动能和内能.设Er被包含在薄层围成的长度为x、断面为S的巷道内的气体中，则薄层气体内能.薄层气体动能，冲击波对气体介质所做的功

当瓦斯积聚量一定时，E为常数.鉴于冲击波对气体介质所做的功与x无关，则

因爆炸传播过程中冲击波处于爆燃极弱状态，可推出冲击波在传播过程中超压与距离的关系

4 结论

(1)封闭下的瓦斯煤尘耦合体爆炸火焰传播速度较开口状态下快，但极值出现距点火位置较近，开口爆炸火焰传播距离是积聚耦合体长度的2倍左右.

(2)瓦斯煤尘爆炸的最大压力明显高于瓦斯爆炸，瓦斯煤尘爆炸的强度远大于瓦斯爆炸，低浓度瓦斯与煤尘耦合随瓦斯浓度的增加，爆炸相对强度增加，传播距离更远.

(3)若不考虑壁面散热效应及压力波的抑制作用，半封闭状态下瓦斯与煤尘耦合爆炸的传播距离与爆炸能量的平方根成正比，与巷道断面积的平方根成反比.

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