煤塵二次爆炸試驗(yàn)研究

煤塵二次爆炸試驗(yàn)研究

0瓦斯和煤塵混合爆炸中國(guó)一些煤礦經(jīng)常發(fā)生磚瓦爆炸，其中大部分是來(lái)自煤炭垃圾。一般瓦斯爆炸只是初始階段,隨后爆炸波在煤礦巷道內(nèi)將沉積在底部的煤塵或瓦斯、煤塵混合物點(diǎn)燃而引發(fā)二次爆炸,且瓦斯爆炸波在傳播過(guò)程中遇到風(fēng)門或密閉墻,沖破后會(huì)產(chǎn)生激波,更容易引起二次爆炸。而煤塵的參與不僅會(huì)增大瓦斯爆炸的威力,還會(huì)延長(zhǎng)爆炸的持續(xù)時(shí)間,同時(shí)產(chǎn)生炙熱顆粒物及有毒氣體等。這類事故往往造成傷亡人數(shù)眾多,設(shè)備損毀嚴(yán)重。與單純的瓦斯爆炸相比,煤礦井下瓦斯、煤塵復(fù)合爆炸產(chǎn)生的爆炸波傳播過(guò)程更為復(fù)雜,深入研究其發(fā)生的規(guī)律和特點(diǎn),對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn),減少事故發(fā)生是非常必要的。近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)外一些專家、學(xué)者利用試驗(yàn)或數(shù)值模擬方法,對(duì)激波誘導(dǎo)下的瓦斯煤塵爆炸進(jìn)行了相關(guān)研究。如譚迎新等針對(duì)激波誘導(dǎo)下煤塵的爆炸壓力進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得出了煤塵粒度及濃度對(duì)其爆炸指數(shù)的影響規(guī)律;胡雙啟等則利用自制的試驗(yàn)裝置,測(cè)試不同濃度煤塵在激波點(diǎn)火下的爆炸壓力;王新等利用大型試驗(yàn)巷道研究瓦斯爆炸誘導(dǎo)煤塵爆炸,結(jié)果發(fā)現(xiàn),瓦斯爆炸引起煤塵爆炸過(guò)程中壓力波存在回傳現(xiàn)象;司榮軍針對(duì)礦井瓦斯煤塵爆炸過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。但這些文獻(xiàn)主要是針對(duì)激波點(diǎn)火下單純的瓦斯或煤塵進(jìn)行研究。而在實(shí)際煤礦巷道中,除了沉積煤塵外,可能會(huì)有少量瓦斯(報(bào)警濃度以下)存在。因而,煤礦一旦發(fā)生爆炸,常常是瓦斯、煤塵混合爆炸。為此,筆者將利用自建的模擬煤礦巷道的水平爆炸裝置,研究激波點(diǎn)火下混有少量瓦斯的煤塵爆炸過(guò)程,以期為煤礦安全生產(chǎn)及防爆提供理論依據(jù)。1試驗(yàn)系統(tǒng)的組成和試驗(yàn)原理1.1點(diǎn)火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)利用中北大學(xué)自建的水平管道式氣體、粉塵爆炸裝置模擬煤礦巷道內(nèi)的環(huán)境,采用高壓室內(nèi)瓦斯爆炸破膜產(chǎn)生激波,激波卷?yè)P(yáng)低壓室內(nèi)預(yù)置好的煤塵或煤塵-瓦斯(甲烷)混合物的方式,對(duì)瓦斯爆炸激波點(diǎn)火下煤塵及煤塵、瓦斯混合物(更準(zhǔn)確地說(shuō)是甲烷-煤塵-空氣混合物)二次爆炸特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。文中所使用的試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括水平爆炸管道、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分,如圖1所示。水平爆炸管道總長(zhǎng)度為3.1m,管道內(nèi)徑為0.14m,在距離管道左端0.7m法蘭處安放隔爆膜片,整個(gè)爆炸管道被隔爆膜片分隔為高壓氣室和低壓氣室,其中高壓氣室(圖1中第Ⅰ部分)長(zhǎng)為0.7m,低壓氣室(圖1中第Ⅱ部分)長(zhǎng)2.4m。高壓氣室主要用來(lái)進(jìn)行瓦斯爆炸產(chǎn)生卷?yè)P(yáng)煤塵激波的試驗(yàn)。低壓氣室主要用來(lái)進(jìn)行激波卷?yè)P(yáng)煤塵或煤塵瓦斯混合物的二次爆炸試驗(yàn)。為了保證試驗(yàn)時(shí)人員和設(shè)備的安全,爆炸管道一端裝有安全閥,如圖1所示。當(dāng)爆炸管道內(nèi)部壓力高于2MPa時(shí),安全閥將自動(dòng)泄壓。水平爆炸管道實(shí)物如圖2所示。點(diǎn)火系統(tǒng)由高壓點(diǎn)火電極、互感器等組成。其中互感器是點(diǎn)火系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件,其性能對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠點(diǎn)火影響較大。配氣系統(tǒng)主要包括空壓機(jī)、真空泵、瓦斯氣瓶、真空壓力表等。瓦斯?jié)舛纫罁?jù)分壓比加以控制。壓力用真空壓力表顯示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具體包括壓力傳感器、放大器和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析儀3部分,具體見(jiàn)文獻(xiàn)。1.2煤塵或煤塵瓦斯混合物開(kāi)爆試驗(yàn)進(jìn)行瓦斯爆炸激波誘導(dǎo)煤塵爆炸試驗(yàn)時(shí),首先在高壓氣室中充入一定濃度的瓦斯氣體,而低壓氣室內(nèi)則根據(jù)需要放入一定量煤塵或煤塵瓦斯混合物,2氣室之間用一隔爆膜片隔開(kāi)。試驗(yàn)時(shí)先通過(guò)點(diǎn)火系統(tǒng)將高壓氣室中的瓦斯氣體點(diǎn)火引爆,氣體爆炸后產(chǎn)生的爆炸波將膜片沖破,卷?yè)P(yáng)并引爆低壓氣室中的煤塵或煤塵瓦斯混合物,造成二次爆炸。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將記錄下爆炸壓力隨時(shí)間變化的P-t曲線。2激波點(diǎn)火下純煤塵的爆炸試驗(yàn)為了對(duì)比研究單純煤塵和混入少量瓦斯的煤塵、瓦斯混合物在激波點(diǎn)火下的爆炸特性,首先進(jìn)行激波點(diǎn)火下純煤塵的爆炸試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上,再加入少量瓦斯,進(jìn)行激波點(diǎn)火下煤塵、瓦斯爆炸試驗(yàn)。2.1激波點(diǎn)火純煤塵爆炸試驗(yàn)相關(guān)研究表明,在文中試驗(yàn)條件下,瓦斯體積分?jǐn)?shù)為9.5%時(shí),其爆炸反應(yīng)最完全,且爆炸威力最大。為此,高壓氣室內(nèi)充入體積分?jǐn)?shù)為9.5%的瓦斯氣體,用來(lái)產(chǎn)生激波;低壓氣室內(nèi)煤塵粒徑為45μm,質(zhì)量濃度分別為100,200,300和400g/m3的4種煤塵,進(jìn)行激波點(diǎn)火純煤塵爆炸試驗(yàn),圖3是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制的激波點(diǎn)火純煤塵爆炸測(cè)點(diǎn)2處爆炸壓力與濃度的關(guān)系曲線。通過(guò)圖3可知,激波點(diǎn)火下純煤塵的爆炸壓力隨其濃度的增大呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律,當(dāng)煤塵質(zhì)量濃度為200g/m3時(shí)爆炸壓力最大。這主要是由于煤塵質(zhì)量濃度較低(如100g/m3)時(shí),由于煤塵較少,密閉管道內(nèi)處于富氧狀態(tài),爆炸壓力較小;而當(dāng)煤塵質(zhì)量濃度增至200g/m3時(shí),氧氣和煤塵反應(yīng)較完全,故爆炸壓力增大;之后,隨著煤塵濃度的繼續(xù)增加,管道內(nèi)反而處于貧氧狀態(tài),多余煤塵不僅無(wú)法參與反應(yīng),還會(huì)對(duì)爆炸波產(chǎn)生冷卻、摩擦等作用,進(jìn)而使爆炸壓力下降。2.2激波點(diǎn)火下煤塵、瓦斯爆炸壓力的關(guān)系煤塵與瓦斯混合爆炸試驗(yàn)時(shí),高壓氣室內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)同樣選定為9.5%,低壓氣室內(nèi)煤塵粒徑為45μm,煤塵質(zhì)量濃度為200g/m3,低壓氣室除了煤塵外還分別充入了體積分?jǐn)?shù)為1%和2%的瓦斯氣體,然后進(jìn)行激波點(diǎn)火下煤塵、瓦斯混合爆炸試驗(yàn)。圖4是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制的激波點(diǎn)火下煤塵、瓦斯爆炸壓力在4個(gè)測(cè)試點(diǎn)的關(guān)系曲線。通過(guò)圖4可知,4個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)得的爆炸壓力隨煤塵中瓦斯量的增加,爆炸壓力都明顯的增大,低壓氣室即測(cè)點(diǎn)1處的爆炸壓力受高壓氣室爆炸波反射作用影響,也隨之增大。在試驗(yàn)條件下,混入煤塵中的瓦斯?jié)舛仍酱笃浠旌衔锏谋▔毫驮酱?而其爆炸威力和破壞作用也越大;爆炸作用持續(xù)時(shí)間和作用范圍也會(huì)隨之增大,說(shuō)明瓦斯的存在使得煤塵更容易發(fā)生燃燒或爆炸現(xiàn)象,對(duì)其爆炸產(chǎn)生了促進(jìn)作用,使爆炸反應(yīng)更加徹底、完全。此外,由于爆炸波反射作用,高壓室內(nèi)的爆炸壓力隨低壓室內(nèi)爆炸壓力的增高而增高。無(wú)瓦斯混入時(shí),質(zhì)量濃度為200g/m3的煤塵在高壓室內(nèi)的爆炸壓力為0.3672MPa,而混入體積分?jǐn)?shù)為2%的瓦斯氣體時(shí),混合物在高壓氣室的爆炸壓力為0.4416MPa,后者比前者高約0.08MPa。3激波點(diǎn)火下煤塵、瓦斯混合物的火焰依靠試驗(yàn)2.針對(duì)煤塵、瓦斯復(fù)雜混合物的爆炸特性進(jìn)行試驗(yàn)研究,主要得到以下結(jié)論:1)激波點(diǎn)火下純煤塵的爆炸壓力隨其濃度的增大呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律,當(dāng)煤塵質(zhì)量濃度為200g/m3時(shí)其爆炸壓力最高。2)激波點(diǎn)火下煤塵、瓦斯混