段玉龙，杨燕铃，李元兵，裴 蓓，姚新友，王 硕，米红甫

(1.重庆科技学院 安全工程学院，重庆 401330； 2.河南理工大学 瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培养基地，河南 焦作 454003)

0 引言

瓦斯爆炸是最危险的煤矿事故之一，爆炸产生爆炸超压与火焰严重威胁人们生命与财产安全，一旦发生二次爆炸，后果不堪设想[1-2]。近年来，为了解瓦斯爆炸特性，国内外学者展开理论与实验研究[3-4]，为抑爆技术开发提供一定理论基础。

目前，工业领域常用抑爆方法包括被动式和主动式2种，但仍存在促爆缺陷，细水雾液滴直径过大或雾通量不足，均会加剧爆炸反应[5-6]。多孔材料抑爆临界条件主要取决于孔径大小，当多孔材料孔径过大，将促进爆炸进行[7-8]。多孔材料放置位置与爆炸强度有关，Zhhusng等[9]发现当泡沫金属距点火端1 200 mm时,爆炸火焰速度增加，火焰无法熄灭，较低质量粉体不能淬熄火焰，甚至会促进爆炸发生[10-11]。材料和装置响应速度较慢，因老化失效等问题存在许多不确定性，传统隔爆装置不能有效衰减爆炸超压。而滑移装置经济实用、环保且易于实现，可有效衰减压力波[12]。

本文基于滑移装置研究爆炸超压冲击波和爆炸火焰传播特性，通过与固定装置对比，分析滑移装置对甲烷爆炸影响规律，研究结果对甲烷爆炸事故预防和应急处理具有一定价值和指导意义。

1 实验平台

实验装置如图1所示。实验装置由爆炸激波管、数据采集系统、高速摄像机、点火系统、配气系统组成。爆炸激波管为1 000 mm×100 mm×100 mm的有机玻璃管道，最大耐压2 MPa；配气系统由高纯甲烷(甲烷含量>99.99%)气瓶、空气压缩机和流量计组成，流量计量程0～ 5 L/min；点火系统由电源、点火装置和脉冲高压模块组成；数据采集系统主要由型号为NUXI-1004测试主机、高频压力传感器(-0.1～0.1 MPa)及相应配件组成，采样频率最高1 MHz，采样长度单位为K样点；高速摄像机(Phantom V710L)采样频率2 000 fps，曝光时间490 μs，分辨率1 280×800像素；滑移装置由机械弹簧与高强度轻碳板(HLCP)组成，HLCP尺寸100 mm×100 mm，厚度10 mm；机械弹簧弹性系数为0.85，1.63 N/mm；固定装置由HLCP组成。为便于观察装置在爆炸过程中运动轨迹，在轻碳板上方安装耐高温LED。

图1 实验装置Fig.1 Experimental device

当甲烷浓度为9.5%时，爆炸威力最大[13]，因此，本文分析不同装置对浓度为9.5%甲烷/空气预混气体影响。触发点火系统，同时触发高速摄像机和数据采集系统。9.5%甲烷/空气预混气体爆炸火焰传播速度如图2所示。由图2可知，在管道距点火端0.40 m处火焰前锋速度达最大值，在管道0.70 m处火焰速度出现第2次小幅度递增，因此滑移装置位置为距点火端0.40，0.70 m处。实验前初始压力0.1 MPa，通气8 min，为保证实验数据准确性，每组实验至少重复3次。

图2 9.5%甲烷/空气预混气体爆炸火焰传播速度Fig.2 Flame propagation speed of 9.5% methane/air premixed gas explosion

2 结果与讨论

2.1 爆炸火焰分析

固定装置距点火端0.40，0.70 m时，对爆炸火焰传播影响如图3所示。由图3可知，火焰传播初始阶段(t=10 ms)预混气体被点燃，火焰面以球形向管道右侧传播；当t为20～40 ms，火焰速度逐渐增加，火焰锋面呈指形；当t=53，58 ms时，火焰呈“郁金香”形，由火焰前沿、火焰前沿后侧漩涡及火焰诱导逆流相互作用形成[14]；当t>60 ms，火焰锋面进一步“湍流化”；当t=170 ms时，固定装置火焰逐渐熄灭。

距点火端不同位置处滑移装置对火焰传播影响如图4所示。与图3类似，火焰形状经历“球形”-“指形”-“平面形”-“郁金香”变化，由图3～4可知，固定装置和滑移装置均能成功抑制火焰传播。图4(a)～(d)火焰淬熄时间分别为130，110，150，130 ms，与固定装置相比，滑移装置火焰传播时间明显缩短，这是由于轻碳板可以阻挡部分能量通过热传递和分子热扩散形式传播至预混区，在滑移过程中，增加自由基碰壁断链时间，降低燃烧速度，使火焰淬熄。

滑移装置与固定装置距点火源0.70，0.40 m处火焰锋面传播速度如图5所示。根据火焰前缘最大轴向距离随时间变化计算火焰传播速度。由图5(b)可知，滑移装置火焰传播时间小于固定装置，说明滑移装置对火焰反向抑制作用较好；第2个峰值是由于轻碳板反向压力波和正向燃烧波共同作用，导致气体流动速度加快形成正反馈，使火焰传播速度形成波峰。

由图5可知，轻碳板距点火源越远，火焰传播时间越长，结论与图4相似。此外，距点火源0.40 m处，火焰传播速度明显低于距火源0.70 m处，原因是爆炸火焰传播过程中，随滑移距离增加，正向抑制爆炸火焰时间增加，表明随滑移距离增加，抑制效果显著增强。由图5可知，滑移装置弹性系数0.85 N/mm距点火源0.40 m处最大火焰传播速度为 14.29 m/s，滑移装置弹性系数1.63 N/mm距点火源0.40 m处最大火焰传播速度为14.29 m/s，滑移装置弹性系数0.85 N/mm距点火源0.70 m处最大火焰传播速度为16.67 m/s，滑移装置弹性系数1.63 N/mm距点火源0.70 m处最大火焰传播速度为14.29 m/s；固定装置距点火源0.40，0.70 m处最大火焰传播速度分别为 12.5，12.5 m/s。对比可知，滑移装置比固定装置分别上升14.32%，14.32%，33.36%，14.32%。原因是在滑移装置机械弹簧压缩过程中，管道处于可变容空间，火焰锋面接触滑移装置时间延迟，火焰锋面速度略高于固定装置。由图2与图5可知，滑移装置与常规爆炸火焰传播速度18.20 m/s相比下降21.48%，21.48%，8.41%，21.48%。

图3 固定装置对火焰传播结构影响Fig.3 Influence of fixation device on flame propagation structure

图4 滑动装置对火焰传播结构影响Fig.4 Influence of sliding device on flame propagation structure

图5 固定装置和滑移装置的火焰传播速度Fig.5 Flame propagation speeds of fixation device and sliding device

2.2 滑移装置效果分析

由图4可知，轻碳板先向右(即泄爆端)快速运动，随后向左(即点火端)运动。轻碳板距点火端最大滑移距离分别为0.88，0.66，0.85，0.66 m，较最初位置轻碳板滑动0.18，0.26，0.15，0.26 m，表明弹性系数为0.85 N/mm轻碳板比弹性系数为1.63 N/mm轻碳板滑动距离更远；轻碳板最终位置距点火端距离分别为0.66，0.34，0.72，0.41 m。

不同条件下轻碳板运动速度随时间变化如图6所示。由于轻碳板速度与火焰速度成正比，所以4组工况下轻碳板均经历2次加速；当轻碳板速度达到最大值时，超压峰值最低，表明轻碳板速度与超压峰值相关。此外，当火焰前锋传播至滑移装置时，轻碳板处于 “冷态”，可降低部分燃烧释放的热量；随滑移距离和反向滑移距离增加，火焰前锋与壁面接触面积增大，燃烧区域超压得到有效缓解。

图6 滑移装置轻碳板速度Fig.6 Speeds of light carbon plate in sliding device

2.3 爆炸超压分析

图7 固定装置距点火端0.70，0.40 m处超压Fig.7 Overpressures at positions of 0.70 m and 0.40 m from ignition end for fixation device

固定装置距点火端0.70，0.40 m处，爆炸压力随时间变化如图7所示。由图7可知，爆炸压力呈先增大后减小，再增大后减小趋势，与火焰传播速度相对应。整个过程共出现2个压力峰值：第1峰由于反应速率加快，甲烷爆炸正向压力波与轻碳板反向压缩波形成正反馈，使甲烷爆炸压力快速上升；第2峰由于管道中气体通过右侧泄压孔泄压，当管道中压力过大，为达到平衡状态，压力冲出泄压口形成泄爆压力[15]。由图7可知，固定装置距点火源 0．70 m处P3、固定装置距点火源 0．40 m处P2以及固定装置距点火源 0．40 m处P3的爆炸超压均在 0 kPa附近浮动，原因是受固定装置轻碳板作用，后方压力传感器无法采集压力数据，同时表明轻碳板可有效隔绝压力传播；固定装置距点火端0.40 m处超压峰值均低于距点火端0.70 m处超压峰值。

当滑移装置距点火端0.70，0.40 m处弹性系数为0.85，1.63 N/mm时，爆炸压力抑制效果如图8～9所示。由图8～9可知，未出现与固定装置超压类似情况(即超压值没有在0 kPa附近浮动)，原因是轻碳板可压缩性使其随压力变化作相似运动，压力传感器可以采集压力数据；由图9可知，滑移装置距点火源 0．70 m处P1出现 3个超压峰值，前2个峰值出现原因与固定装置一致，第3个峰值由于泄压口作用，使管内产生负压，部分新鲜空气被吸入，形成第3个峰值压力[15]。由图8～9可知，滑移装置弹性系数0.85 N/mm距点火端0.70，0.40 m达到压力峰值时间分别为 106.5，42．5 ms ；滑移装置弹性系数1.63 N/mm距点火端0.70，0.40 m达到压力峰值时间分别为139．3，42.7 ms，较常规爆炸达到压力峰值时间42 ms均有所延迟。弹性系数1.63 N/mm且距点火端0.70，0.40 m处，滑移装置压力峰值为76.1，54.9 kPa，比常规爆炸压力峰值45.0 kPa上升69.1%,22%；弹性系数0.85 N/mm且距点火端0.70 m处滑移装置压力峰值为46.6 kPa，与常规爆炸相比上升3.6%；弹性系数0.85 N/mm且距点火端0.40 m处滑移装置压力峰值为40 kPa，与常规爆炸相比下降11.1%，表明弹性系数0.85 N/mm滑移装置对爆炸压力抑制作用优于弹性系数1.63 N/mm滑移装置。在滑移装置作用下采用相同弹性系数，轻碳板距点火端位置距离越近，抑制效果越明显。

图8 弹性系数0.85 N/mm且距点火端0.70， 0.40 m处滑移装置超压Fig.8 Overpressures at positions of 0.70 m and 0.40 m from ignition end with elastic coefficient of 0.85 N/mm for sliding device

图9 弹性系数1.63 N/mm且距点火端0.70， 0.40 m处滑移装置超压Fig.9 Overpressures at positions of 0.70 m and 0.40 m from ignition end with elastic coefficient of 1.63 (N/mm) for sliding device

由图7～9可知，固定装置压力峰值远高于滑移装置。固定装置距点火端0.70，0.40 m处最大爆炸压力分别为 129．5，116．8 kPa。表明固定装置无法抑制爆炸超压。固定装置与滑移装置在不同条件下平均压升率如图10所示。由图10可知，固定装置平均压升率明显高于滑移装置，验证滑移装置对爆炸压力抑制作用优于固定装置。

图10 不同工况条件下固定装置与滑移装置平均压升率Fig.10 Average pressure rise rates of different devices

3 结论

1)滑移装置与固定装置相比，火焰速度有所增加，火焰传播时间缩短40，60，20，40 ms；滑移装置与常规爆炸火焰传播速度18.20 m/s相比下降21.48%，21.48%，8.41%，21.48%。

2)滑移装置弹性系数0.85 N/mm距点火源0.70 m处超压峰值46.6 kPa，滑移装置弹性系数1.63 N/mm距点火源0.70 m处超压峰值76.1 kPa，较固定装置距点火源0.70 m处超压峰值129.5 kPa分别下降64.02%、41.23%；滑移装置弹性系数0.85 N/mm距点火源0.40 m处超压峰值40.0 kPa，滑移装置弹性系数1.63 N/mm距点火源0.40 m处超压峰值54.9 kPa，较固定装置距点火源0.40 m处超压峰值116．8 kPa分别下降65.75%、53.00%。弹性系数为1．63 N/mm的滑移装置对爆炸超压有促进作用；距点火端0．70 m处且弹性系数为0．85 N/mm的滑移装置压力峰值与常规爆炸压力峰值45.00 kPa相比上升3．6%，上升幅度较小；距点火端0．40 m处且弹性系数为0．85 N/mm的滑移装置压力峰值与常规爆炸压力峰值相比下降11．1%。

3)滑移装置中弹簧对爆炸抑制效果影响较大。弹簧弹性系数越小，火焰传播时间越短；弹性系数相同时，轻碳板距点火端越近，超压峰值越小；距点火端位置相同时，弹性系数越小，超压峰值越小。

4)弹性系数为0.85 N/mm且距点火端0.40 m滑移装置抑爆性能最佳；火焰传播速度较固定装置有所提升，爆炸压力峰值与郁金香火焰出现时间明显延迟，火焰传播时间和超压持续时间减小。