煤礦井下瓦斯爆炸事故是最為嚴(yán)重的礦井災(zāi)害之一，為了預(yù)防和控制礦井瓦斯爆炸，國內(nèi)外學(xué)者對瓦斯爆炸特性進(jìn)行了大量的研究，取得的研究成果多是基于宏觀靜止?fàn)顟B(tài)下的瓦斯氣體爆炸。但是，煤礦井下大量瓦斯集中噴出或涌出時，釋放到井巷風(fēng)流中，由于濃度梯度和風(fēng)流脈動作用在風(fēng)流中逐漸擴(kuò)散稀釋，被風(fēng)流攜帶而流動 [1]。所以，研究流動氣體爆炸問題具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值。H.W.Emmons 等[2]推算過擬動態(tài)條件下爆炸的管道出口壓力；陳愛平[3]研究了管道內(nèi)流動氣體流動阻礙作用和流量對爆炸特性的影響；王寶興[4]研究了通風(fēng)對強(qiáng)瓦斯爆炸的作用。湍流是井下氣體最常見的流動狀態(tài)，尤其在瓦斯爆炸過程中，由于爆炸激波受巷道內(nèi)障礙物及巷道尺寸變化等因素的誘導(dǎo)可產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流。為此，本文利用20L 近球形氣體爆炸反應(yīng)裝置，測試甲烷在宏觀靜止和湍流兩種狀態(tài)下的爆炸極限、爆炸壓力、爆炸壓力上升速率及爆炸壓力峰值時間等基本參數(shù)，分析湍流對甲烷爆炸特性的影響，可為有效防治礦井瓦斯爆炸災(zāi)害提供一定的指導(dǎo)。

　　1 實(shí)驗(yàn)概述

　　1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成

　　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由20L 爆炸反應(yīng)罐、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)及測量系統(tǒng)四部分組成，其具體構(gòu)成如圖1 所示。

 

　　爆炸反應(yīng)罐容積約20L，最大內(nèi)徑30cm，內(nèi)部空間高35cm；壓力傳感器響應(yīng)時間1ms，量程為0~1MPa，精度為0.3%F.S；精密數(shù)字壓力計(jì)量程為0~±101.3 KPa，分辨率為0.01Kpa；儲氣罐容積0.6L；儲氣罐壓力表量程為0~4MPa，精度為0.4；點(diǎn)火源為能量約1 焦耳的電起爆煙火點(diǎn)火具，點(diǎn)火位置在反應(yīng)罐中心。測試過程中，儲氣罐高壓空氣的釋放、點(diǎn)火及爆炸壓力測量是由電腦通過控制器進(jìn)行控制的。電磁閥開啟后，儲氣罐高壓空氣充入反應(yīng)罐，經(jīng)歷預(yù)設(shè)的延遲時間后，點(diǎn)火電極自動引爆點(diǎn)火具進(jìn)行起爆，同時壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（采集時間0~500ms），并保存至計(jì)算機(jī)。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)方法及條件

　　實(shí)驗(yàn)參照GB/T 12474-90《空氣中可燃?xì)怏w爆炸極限測定方法》，利用漸近法測試甲烷在空氣中的爆炸極限，爆炸判據(jù)參考美國標(biāo)準(zhǔn)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會（ASTM）所確定的實(shí)驗(yàn)判據(jù)，即點(diǎn)火后實(shí)驗(yàn)壓力升高7%或以上。參照GB803-89《空氣中可燃?xì)怏w爆炸指數(shù)的測定》，對甲烷爆炸壓力、爆炸壓力上升速率及爆炸壓力峰值時間等參數(shù)進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)中烷-空混合氣體采用分壓法在爆炸反應(yīng)罐內(nèi)進(jìn)行配制。實(shí)驗(yàn)在烷-空混合氣體處于宏觀靜止和湍流兩種狀態(tài)下進(jìn)行上述參數(shù)的測試，氣體流動狀態(tài)的改變是在配制混合氣體時通過儲氣罐高壓空氣的釋放來實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火延遲時間設(shè)定為500ms，通過高壓空氣釋放前儲氣罐壓力表征點(diǎn)火時混合氣體的湍流程度。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為 14.6~21℃，濕度為54~74％RH，爆炸初始壓力為常壓。

　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　2.1 甲烷爆炸極限

　　在烷-空混合氣體處于宏觀靜止和湍流兩種狀態(tài)下測試甲烷的爆炸下限（LEL）和爆炸上限（UEL），結(jié)果見表1。實(shí)驗(yàn)測得宏觀靜止?fàn)顟B(tài)甲烷的爆炸極限為5.35%~17.35%。標(biāo)準(zhǔn)裝置測定甲烷的爆炸極限為5%~14%[5]。可見在20L 近球形氣體爆炸反應(yīng)裝置中測試的甲烷爆炸下限同標(biāo)準(zhǔn)裝置的測試結(jié)果基本一致，上限偏高。這是反應(yīng)容器材質(zhì)、形狀和尺寸等影響因素綜合作用的結(jié)果，主要原因是近球形爆炸反應(yīng)罐截面尺寸大，反應(yīng)中的游離基碰撞器壁喪失活性的機(jī)會減少，反應(yīng)速率增大，反應(yīng)時間縮短，熱損失減少，最終導(dǎo)致混合氣爆炸極限范圍增大。

 

　　由表 1 可見，宏觀靜止和湍流狀態(tài)下甲烷在空氣中的爆炸極限基本一致，說明甲烷的爆炸極限受其流動狀態(tài)的影響不大。

　　2.2 甲烷爆炸壓力相關(guān)參數(shù)

　　對甲烷濃度為6%至16%的烷-空混合氣體在宏觀靜止和湍流兩種不同狀態(tài)下進(jìn)行了幾百次爆炸壓力測試，得出了甲烷各濃度爆炸壓力、爆炸壓力上升速率等相關(guān)參數(shù)。湍流狀態(tài)測試時，儲氣罐壓力為1 MPa。

　　（1）爆炸壓力。實(shí)驗(yàn)測得宏觀靜止?fàn)顟B(tài)甲烷平均最大爆炸壓力Pmax 為0.778MPa，湍流狀態(tài)Pmax 為0.818MPa。

 

 

　　圖 2 為甲烷濃度C 為11%時，宏觀靜止和湍流狀態(tài)烷-空混合氣體爆炸壓力曲線。由圖可見，湍流狀態(tài)的爆炸壓力峰值和壓力上升速率較宏觀靜止?fàn)顟B(tài)明顯升高，達(dá)到峰值壓力的時間較短，僅50ms。

　　圖3 為宏觀靜止和湍流狀態(tài)烷-空混合氣體的爆炸壓力Pm 隨甲烷濃度C 變化的趨勢曲線。由圖可見，甲烷濃度為11%時爆炸超壓峰值最大，此濃度為甲烷在20L 近球形爆炸反應(yīng)罐中爆炸的最佳濃度。常見可燃?xì)怏w和空氣混合氣體的最佳濃度為化學(xué)計(jì)量濃度的1.1~1.5 倍[6]。本測試結(jié)果符合該規(guī)律。圖3 中湍流狀態(tài)各濃度甲烷混合氣體的爆炸壓力Pm 較宏觀靜止?fàn)顟B(tài)均有所增大，其中甲烷濃度低于其爆炸最佳濃度時壓力增幅基本一致，高于最佳濃度時壓力增幅隨濃度的增大而加大。基于以上分析，說明湍流可促使瓦斯爆炸壓力增大，增強(qiáng)其爆炸威力。主要原因是由于湍流狀態(tài)混合氣體分子不規(guī)則脈動的擴(kuò)散，加速反應(yīng)物的混合，促進(jìn)爆炸反應(yīng)過程的傳熱傳質(zhì)，反應(yīng)更加充分，釋放的能量更多，而導(dǎo)致爆炸超壓較高。

 
 

 

　　（2）爆炸壓力上升速率。實(shí)驗(yàn)測得宏觀靜止?fàn)顟B(tài)甲烷平均最大爆炸壓力上升速率(dp/dt)max 為32.471MPa/s，湍流狀態(tài)(dp/dt)max 為85.938MPa/s。兩種狀態(tài)下烷-空混合氣體的爆炸壓力上升速率(dp/dt)m 隨甲烷濃度C 的變化情況見圖4。由圖可見，湍流狀態(tài)各濃度甲烷混合氣體的爆炸壓力上升速率(dp/dt)m 較宏觀靜止?fàn)顟B(tài)明顯增大，且甲烷濃度越接近其爆炸最佳濃度，爆炸壓力上升速率受湍流的影響程度越大。同圖3 對比可見，湍流對甲烷爆炸壓力上升速率的影響較為顯著。

　　爆炸壓力上升速率(dp/dt)m 屬于爆炸瞬時壓力升速，爆炸壓力峰值時間對應(yīng)爆炸平均壓力升速。湍流氣體爆炸屬于極為不穩(wěn)定的激烈化學(xué)反應(yīng)，考察整個過程的平均參數(shù)對其特性研究很有價值。圖5 顯示了宏觀靜止和湍流狀態(tài)下烷-空混合氣體的爆炸壓力峰值時間隨甲烷濃度變化的情況。由圖可見，湍流狀態(tài)各濃度甲烷混合氣體的爆炸壓力峰值時間tm 較宏觀靜止?fàn)顟B(tài)明顯縮短，甲烷濃度越接近其爆炸最佳濃度縮短幅度越小。

　　基于以上分析，說明湍流可提高瓦斯爆炸壓力上升速率，增強(qiáng)其爆炸激烈程度。主要原因是由于湍流狀態(tài)混合氣體分子不規(guī)則脈動，燃燒火焰面扭曲，已燃區(qū)和未燃區(qū)的接觸面增加，加大了反應(yīng)游離基和熱量的運(yùn)輸，使反應(yīng)物的質(zhì)量消耗速率大大增加。

　　（3）湍流強(qiáng)度變化對爆炸的影響。由圖3 可知較高濃度甲烷的爆炸壓力受湍流的影響程度較大。為了清晰體現(xiàn)湍流強(qiáng)度變化對爆炸的影響規(guī)律，取甲烷濃度為16%，在高壓空氣儲氣罐壓力Pair 為0.3、0.6 和1 MPa 產(chǎn)生的湍流狀態(tài)下，對烷-空混合氣體進(jìn)行爆炸壓力測試，見圖6。由圖可見，隨著湍流強(qiáng)度不斷增大，爆炸超壓峰值升高，壓力上升速率增大，到達(dá)壓力

　　峰值時間縮短。所以，在同一瓦斯?jié)舛认拢�混合氣體湍流強(qiáng)度越大，瓦斯爆炸越猛烈，造成的事故后果也必然越嚴(yán)重。

　　3 結(jié)論

　　（1）甲烷的爆炸極限基本不受氣體流動狀態(tài)的影響。湍流狀態(tài)烷-空混合氣體爆炸壓力和爆炸壓力上升速率較宏觀靜止態(tài)明顯增大，爆炸壓力峰值時間明顯縮短，其中爆炸壓力上升速率受湍流影響較為顯著。

　　（2）在甲烷爆炸極限范圍內(nèi)，濃度越高，爆炸壓力受湍流的影響程度越大；越靠近甲烷爆炸最佳濃度，爆炸壓力上升速率受湍流

　　的影響程度越大，爆炸壓力峰值時間也明顯縮短。

　　（3）同一濃度的烷-空混合氣體，爆炸壓力和爆炸壓力上升速率隨著湍流的加強(qiáng)而增大；爆炸壓力峰值時間則縮短。

　　（4）煤礦井下氣體的湍流程度越高，瓦斯爆炸強(qiáng)度越大。避免和減少井下氣體湍流對降低礦井瓦斯爆炸強(qiáng)度具有積極意義。