初始压力对矿井可燃性气体爆炸特性的影响-已阅读

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煤
炭
学
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报
测试条件
2011 年第 36 卷
井下气体爆炸的一个重要影响因素， 研究初始压力变 化对矿井可燃性气体爆炸特性的影响， 能更好地为现 抑爆工作服务。 场的防爆、 煤矿井下的可燃性气体是以 CH4 为主， 包含 CO、 C 2 H6 、 C 3 H8 、 C 2 H4 、 H2 等 的 多 元 可 燃 性 气体， 为 此， 本 文采用 20 L 近球型可燃性气体爆炸 特 性测 试 实 验 装 置， 考察了不同初始压力对矿井单元可燃性气体 CH4 及多元可燃性气体 CH4 + CO + C2 H6 + H2 爆炸特 性 的 影响， 得出的实验结果为矿井多元可燃性气体爆炸事 故的预防和控制提供了参考。
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常典型的一类。在煤矿井下实际生产过程中， 由于受 基本顶初次来压、 周 期 来 压、 冲击 地 压 及 瓦斯气体 冒 出等因素 的 影 响， 初 始 压 力 会 发 生 变 化， 通常大于 5 5 ［10 ］ 1. 01 × 10 Pa， 有时局部达 5. 05 × 10 Pa 左右 。 另 外， 如果煤矿井下已 经 发 生 气体 爆炸， 爆炸 冲击波 的 压缩作用使得矿井巷道 中 未 爆炸 的 可 燃 性 混 合气体 的压力和温度均升 高， 此 时 若 发 生二次 爆炸， 初始压
第3 期
王 表2
华等: 初始压力对矿井可燃性气体爆炸特性的影响 初始压力对不同浓度 CH4 爆炸最大爆炸超压的影响
CH4 浓度 / %
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收稿日期: 2010 － 07 － 25 责任编辑: 毕永华 50904049 ) ; 曲阜师范大学科研启动基金资助项目( bsqd20090121 ) 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50874088 ， E － mail: suzanwang@ 126. com 作者简介: 王 华( 1977 —) ， 女， 山东济南人， 副教授， 博士。Tel: 0633 － 3981088 ，
Abstract: Explosion characteristics of monocomponent and multicomponent flammable gases in coal mine were studied by using a 20 L nearly spherical explosion reactor． The experimental results were theoretically analyzed through the collision theory and mechanism of flame propagation． The experimental results show that the explosive danger of flammable gases increases with the increase of initial pressure， but the time reaching the explosion peak overpressure is extended; the flammable gases between optimum concentration and upper explosion limit are more sensitive to initial pressure than that between optimum concentration and lower explosion limit． The explosion risk of multicomponent flammable gases is higher than that of methane under the same initial pressure and its explosion destructiveness is much stronger． Key words: initial pressure; flammable gases; explosion characteristics 可燃性 气体的 爆炸 特 性 ( 如: 爆炸 极 限、 最 大爆 最 大爆 压上 升 速 率、 到 达 最 大爆 压 时 间 等 ) 炸超压、 受实际条件下的容 器 因素、 可 燃 性 气体 浓度、 爆前气 体流动状态、 点火能量、 初始压力等多种因素的影响， 会呈现不同的 变化规律
但随着反2011年第36应的进行火焰温度升高温度的提高促进分解反应从而将自由基引入到火焰中自由基起到活性中心的作用使化学反应速率提高从而提高了火焰传播速100cm时随着压力的升高火焰传播速度会进一步增加相应的反应速率及燃烧速度增大进一步使火焰温度及爆炸压力升高反过来又进一步加速火焰传播速度形成一种正反馈机制随着反应的进一步进行系统温度迅速升高反应速率迅速加快爆炸压力迅速升高使相同浓度可燃性气体在初始压力增大时其最大爆炸超压增高
5 ［11 ］ 力远大于 1. 01 × 10 Pa 。 因 此， 初 始 压 力 是煤矿
。 研究 不 同 因素对 气体
爆炸特性的影响对 实 际 工 业 生产 过 程中的 可 燃 性 气 体防爆、 抑爆及控爆工作具有实际的指导意义。发生 在煤矿井下的瓦斯 爆炸 是 可 燃 性 气体 爆炸 事故 中 非
Influence of initial pressure on explosion characteristics of flammable gases in coal mine
WANG Hua1 ， DENG Jun2 ， GE Lingmei3
( 1. School of Computer Science， Qufu Normal University， Rizhao 276826 ， China; 2 ． School of Energy， Xi ’ an University of Science and Technology， Xi ’ an 710054 ， China; 3 ． School of Chemistry and Chemical Engineering， Xi’ an University of Science and Technology， Xi’ an 710054 ， China)
［1 ］ 极值， 此时的可 燃 气体 浓度 为 最 佳 浓度， 记 为 Cm 。
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实验装置与测试条件
实验装置 XKWB － 1 型 20 L 近 球 型 可 燃 性 气体 爆炸 特 性 测试实验系统由爆炸反应 器、 配 气系统、 点 火 系统 及 测量系统组成( 图 1 ) 。
把某一特定浓度可 燃 性 气体 爆炸 超 压 － 时 间 曲线 上 的峰值压力称为该浓度气体爆炸的最大爆炸超压， 记 为 p max ， 最大压力上升速率记 为 p (d dt ) ， 到 达 最 大爆
爆炸前 温 度 t0 = 12 ～ 30 ℃ ， 爆炸前相对湿度 35% ～ 80% ， 爆炸前压强 p0 = 100 ～ 102 kPa。 采 用分 压法进行配 气， 利 用分 辨 率 为 0. 01 kPa 的 高 精 度数 字压力计来保证配气精度， 通过高精度数字压力计的 示数变化来确定充入的气体浓度。采用空气、 可燃性 气体、 空气的充气顺序 来 配 置 可 燃 性 混 合气体， 配气 完 毕后， 静置 5 min， 使可燃性气体与空气充分混合均 匀， 然后启动点火装置点火。 1. 3 符号约定 可 燃 性 气 体 恰 好 被 氧 气 全 部 氧 化 生 成 CO2 和 H2 O 时的 浓度， 称 为 该 可 燃 性 气体的 化 学 计 量浓度， 记为 C st 。可燃性气体和空气或氧气 混 合 物 的 燃烧 速 度和放热量均随可燃性气体的浓度而变化， 当混合比 达到某一值时， 其基本燃烧速度和最大爆炸压力达到
3 300 mm， 有 效 容 积 19 900 cm ， 额定承压能力为
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初始压力对可燃性气体爆炸 特 性影响的 对 比实验
单元可燃性气体 选取煤矿井下 最 主要 的 可 燃 性 气体 CH4 作为研
3. 0 MPa。该装置 按 德 国工程 师 协 会 VDI2263 标准
3 设计制造， 其实验原理与 ISO 认可 的 1 m 装置相 同，
要: 采用 20 L 近球型爆炸反应器对不同初始压力下矿井单元及多元可燃性气 体 的 爆 炸 特 性 进 行了实验研究， 并结合碰撞理论和火焰传播机理对实验结果进行了理论分析。实验结果表明: 初始 摘 压力增加使可燃性气体的爆炸危险性增强， 但使其到达最大爆炸超压的时间略有延长; 最佳浓度与 爆炸上限之间的可燃性气体较最佳浓度与爆炸下 限 之间的可 燃 性 气 体对初 始 压力 更 敏 感; 相同 的 初始压力下， 矿井多元可燃性气体较单元可燃性气体甲烷爆炸的危险性更高， 破坏性更强。 关键词: 初始压力; 可燃性气体; 爆炸特性 中图分类号: TD714. 51 文献标志码: A
max
炸超压的时间记为 t p max ; 把爆炸 极 限 范围内 最 佳 浓度 可燃性气体爆炸的最大爆炸 超 压 p max 称 为 极 值压 力， p max2 ， 记 为 Max ( p max ) ， 即 Max ( p max ) = Max{ p max1 ，
图1 Fig. 1 XKWB － 1 型实验系统
表1 Table 1 初始压力对 CH4 爆炸极限的影响 explosion limits
初始压 力 / Pa 1. 01 × 10 5 1. 52 × 10 5 CH4 爆炸极限 / % 爆炸危险度 F 下限 5. 05 4. 83 上限 15. 35 16. 67 0. 426 0. 462
Influence of different， p maxn } ， 2， 3， …， n 为 不 同 浓度可 燃 性 其中 1 ， 气体编号， 并不代表实际气体浓度的大小。
XKWB － 1 experimental apparatus
( 1 ) 爆炸反应 器。 该 实 验 系统的 爆炸反应 器 由 不锈钢制 造， 为 封 闭 式 近 球 形， 长 径 340 mm， 短径
5 采 用 XKWB － 1 型 实 验 装置 考 察 1. 01 × 10 究对象， Pa 和 1. 52 × 10 5 Pa 两种不同初始 压 力 对 CH4 爆炸 极 2， 限和爆炸 超 压 的 影响， 实验结果见表 1、 根据压力
传感器所采集的数据， 绘制 2 种初始压力下 3 种不 同 浓度 CH4 爆炸过程中爆炸超压随时间变化的曲线， 如 图 2 所示。
现在已被 IEC 定为国际通用的测试装置
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( 2 ) 配 气系统。 该 实 验 系统的 配 气系统 均 由 色 CO、 C 2 H6 、 H2 等 气体 钢 瓶、 谱纯的 CH4 、 空气 压 缩 机、 真空泵及压力表等组成， 采用分压比方法来配置爆炸 性混合气体。 ( 3 ) 点 火 系统。 该 实 验 系统的 点 火 源为 电 起 爆 烟火点火具， 点火位 置 位 于爆炸反应 器 中心， 点火能 1 J 。 量为 ( 4 ) 测量 系统。 实 验 过 程中 真 空 度 与 常 压 的 测 量采 用 NTS － 2A 型 精 密 数 字 压 力 计 ( 量 程 为 0 ～ ± 101. 3 kPa; 分辨率 为 0. 01 kPa ) ; 爆炸 压 力 的 测量 采用 CY － DB 1303 型 压 力 传 感 器 ( 量 程为 0 ～ 1. 0 MPa， MFBZ 控制 器 及 工 控 测量精 度 为 0. 3% F. S ) ， 机联合进行测量。
第 36 卷第 3 期 2011 年 3月
煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Vol． 36 Mar．
No． 3 2011
文章编号: 0253 － 9993 ( 2011 ) 03 － 0423 － 06
初始 压力 对 矿井可 燃 性气体 爆炸 特 性的影响
1 2 3 王 华， 邓 军， 葛岭梅 ( 1. 曲阜师范大学 计算机科学学院， 山东 日照 西 西安 710054 ) 276826 ; 2. 西 安 科 技 大 学 能 源学院， 陕西 西安 710054 ; 3. 西 安 科 技 大 学 化 学与 化 工学院， 陕