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。
