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管內(nèi)低濃度抽采瓦斯爆燃特性研究

文檔作者：馬龍信宋正昶林琳曹雷李聰劉方文檔來源：中國礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年09月04日
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煤炭工程 2011年第2期
管內(nèi)低濃度抽采瓦斯爆燃特性研究
馬龍信，宋正昶，林 琳，曹 雷，李 聰，劉 方
(中國礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇徐州221116)
摘要： 自行設(shè)計(jì)了管內(nèi)低濃度瓦斯爆燃實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過一系列實(shí)驗(yàn)研究了低濃度瓦斯爆燃
特性，分析了不同初始壓力、初始溫度對瓦斯爆燃特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：火焰?zhèn)鞑ニ俣入S
著初始壓力和初始溫度的增大而增大，峰值超壓隨著初始壓力和初始溫度的增大而增大。
關(guān)鍵詞：低濃度抽采瓦斯；瓦斯爆燃；火焰?zhèn)鞑ニ俣?；峰值超?
中圖分類號：TD712 ．7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671—0959(2011)02-0074-03
Study on deflagration features of drained low concentration mine gas in pipeline
MA Long—xin，SONG Zheng—chang，LIN Lin，CAO Lei，LI Cong，LIU Fang
(School of Electric Power Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)
Abst~ ：A deflagration experiment system with low concentration gas in pipeline was self designed． Base Oil the
experiment platform，a series of the experiments was applied tO study the low concentration gas defla~ation features，the
diferent initial pressure and the initial temperature affected to the gas deflagration features． The experiment results showed
that the flame travel speed would be increased with the initial pressure increased and the peak overpressure would be
increased with the initial pressure increased．The flame travel speed would be increased with the initial temperature
increased and the peak overpressure would be increased with the initial temperature increased．
Keywords：low concentration drained gas； gas deflagration； flame speed；peak overpressure
礦井瓦斯開采有兩種方式：一是地面鉆井開采，二是
通過井下瓦斯抽放系統(tǒng)和地面輸氣系統(tǒng)進(jìn)行開采。無論采
用哪種方法，都是采用造成負(fù)壓的方法來抽瓦斯，瓦斯在
運(yùn)輸過程中在抽放泵前是負(fù)壓狀態(tài)，而泵后變成正壓狀態(tài)，
不同的壓力下瓦斯爆燃特性必有不同，此外，由于瓦斯輸
送管道可能會(huì)較長，會(huì)有局部高溫的可能，因此考慮在不
同壓力的情況下，不同溫度情況下，研究低濃度瓦斯的爆
燃特性是很有必要的。
1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)方案
1．1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
為了驗(yàn)證理論的準(zhǔn)確性，研究低濃度瓦斯在封閉空間
的爆燃特性和初始溫度、初始壓力對低濃度瓦斯在封閉空
間的爆燃特性的影響。
低濃度瓦斯密閉空間爆燃特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括瓦斯爆燃實(shí)驗(yàn)腔體、配氣系統(tǒng)(瓦斯罐、
空氣壓縮機(jī)、CO：氣體裝置、混氣罐)、水霧發(fā)生裝置、空
氣加熱系統(tǒng)、爆燃參數(shù)測量裝置(爆炸壓力測量系統(tǒng)、火焰
傳播速度測量系統(tǒng))、點(diǎn)火裝置、抽真空裝置以及一些安全
部件(阻火器、單向閥、電磁閥等)。瓦斯爆燃腔體安裝了
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真空表、壓力表以及混合氣體初始溫度傳感器(熱電偶)，
真空表用于觀察抽真空時(shí)腔體內(nèi)的真空度，壓力表用于觀
察混合氣體初始壓力的大小，溫度傳感器用于測量混合氣
體初始溫度的大小。
1．2 實(shí)驗(yàn)方案
實(shí)驗(yàn)采用甲烷濃度為9％體積濃度的混合氣，首先觀察
記錄混合氣體在常溫常壓狀態(tài)下的爆燃情況。其后保持甲
烷濃度不變，改變充進(jìn)腔體內(nèi)混合氣體的壓力而保持其它
不變，使混合氣體壓力分別為一0．09MPa， 一0．08MPa，
一0．05MPa，0．1MPa，0．2MPa，研究初始壓力對混合氣體
爆燃特性的影響。然后保持充進(jìn)腔體內(nèi)的混合氣體的壓力
為常壓不變，通過調(diào)節(jié)加熱器的開關(guān)數(shù)目改變進(jìn)入腔體內(nèi)
混合氣體的溫度，使混合氣體初始溫度分別為100~E和
200~C左右，研究初始溫度對其爆燃特性的影響。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
2．1 瓦斯爆燃特性
將9％濃度的甲烷常溫( =15~C)混合氣充至腔體至常
壓值，打開點(diǎn)火器點(diǎn)火，并記錄腔體內(nèi)的反應(yīng)情況，相對
應(yīng)的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€圖如圖2所示。
收稿日期：2010—09—04
作者簡介：馬龍信(1985一)，男，山東金鄉(xiāng)人，2008年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事節(jié)能和
清潔燃燒等方面研究。
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201 1年第2期 煤炭工程
g
翅
[)__— 曲
l 嗽器壓
瓦
斯
罐
———=[( —1l— ——— 司——IL —4閡混氣罐 _{ 一
球閥3
球閥2
高壓水霧
發(fā)生器
燃燒腔體
壓力傳感 焰?zhèn)鞲衅?
計(jì)算機(jī)
圖1 低濃度瓦斯爆燃實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖
長徑比(L／D)
圖2 火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c長徑比的關(guān)系
由圖2可知，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S長徑比的增加是一個(gè)先
增加后衰減的過程，這是小尺寸密閉空間的典型特征 J。
這主要是由于壁端效應(yīng)。此外， 隨著時(shí)間增長，壁面有足
夠的時(shí)間吸熱，致使內(nèi)部溫度下降，降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣取?
每個(gè)壓力波形上均有一個(gè)壓力波峰，這個(gè)壓力波峰所
對應(yīng)的壓力即是峰值超壓。根據(jù)測量結(jié)果，得出四個(gè)壓力
測點(diǎn)的峰值(最大)超壓值，如圖3所示?？梢钥闯?，峰值
超壓是隨著長徑比的增大而增大的。這主要是還是因?yàn)槿?
燒后形成的“速度活塞”對未燃的氣體的壓縮作用。此外，
隨著壓力的升大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍跍p小，相同時(shí)間的放熱
量減少，而同時(shí)熱量流失(腔體壁吸熱)加大，所以峰值超
壓上升變得緩慢。
2．2 初始壓力對爆燃特性的影響
為了研究管道中混合氣體初始壓力對爆燃特性的影響，
腔體內(nèi)混合氣體壓力選取分別為一0．09MPa， 一0．08MPa，
長徑LL(L／D)
圖3 峰值超壓與長徑比的關(guān)系
點(diǎn)火器
一0．05MPa，0．1MPa，0．2MPa。而腔體內(nèi)的甲烷濃度維持
9％不變。打開點(diǎn)火器，記錄燃燒腔體內(nèi)的反應(yīng)情況。實(shí)驗(yàn)
發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合氣體壓力在一0．09MPa時(shí)，混合氣體沒有發(fā)生
反應(yīng)。不同初始壓力下，峰值超壓與長徑比的關(guān)系，如圖4
所示。
量
顰
長徑Lt(L／D)
圖4 不同初始壓力下火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c長徑比的關(guān)系
通過圖4可以看出，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著初始壓力的增
大而增大，各種初始壓力下，火焰?zhèn)鞑ニ俣榷茧S著長徑比
的增大而先增大后減少?；旌蠚怏w初始壓力越大，起始火
焰?zhèn)鞑ニ俣纫苍酱?，所能達(dá)到的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣纫苍酱蟆?
如當(dāng)混合氣體初始壓力為一0．08MPa時(shí)，起始火焰?zhèn)鞑ニ俣?
僅為7．3m／s，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?．1m／s；當(dāng)混合氣體初
始壓力增大到0．2MPa時(shí)，初始火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢赃_(dá)到
42．6m／s，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤蛇_(dá)55．2m／s。這是因?yàn)榛旌?
氣體壓力愈大，單位體積內(nèi)可發(fā)生反應(yīng)的粒子愈多，分子
間碰撞的幾率增大，并且會(huì)產(chǎn)生更多的H，OH和H高活性
自由基，所以會(huì)增大反應(yīng)速率。同時(shí)，當(dāng)混合氣體初始壓
力降低到一定程度，形成極為微弱前驅(qū)壓力波，火焰?zhèn)鞑?
速度幾乎穩(wěn)定在腔體中傳播，如圖5所示。當(dāng)混合氣體初
始壓力為一0．08MPa時(shí)，隨長徑比的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣葞?
乎維持在7—8m／s之間 J。
通過圖5可知，峰值超壓隨著初始壓力的增大而增大，
各種初始壓力下，峰值超壓都隨著長徑比的增大而增大。
如當(dāng)混合氣體初始壓力為一0．05MPa時(shí)，最小峰值超壓僅
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煤炭工程 2011年第2期
P=一0．08M Pa
P=一0．O5M Pa
P=0M Pa
P=O．1M Pa
P=0．2M Pa
圖5 不同初始壓力下峰值超壓與長徑比的關(guān)系
為一0．0lMPa，最大峰值超壓也僅為0．034MPa；當(dāng)混合氣
體初始壓力增大到0．2MPa時(shí)，最大峰值超壓可達(dá)
o．72MPa；最小峰值超壓也可達(dá)0．60MPa，遠(yuǎn)大于混合氣體
初始壓力為一0．05MPa時(shí)的峰值超壓值。這是因?yàn)槌跏級毫?
愈大，反應(yīng)速度愈快，單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量也愈多，能產(chǎn)
生能量更為強(qiáng)大的前驅(qū)壓力波，所以壓力傳感器探測到的
峰值超壓也愈大。當(dāng)混合氣體初始壓力為一0．09MPa時(shí)，
混合氣體不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，這是由于單位體積氣體分子量太
少，致使發(fā)生碰撞的機(jī)會(huì)大大減少，突破了臨界值，所以
不能發(fā)生反應(yīng)-o 。
2．3 初始溫度對爆燃特性的影響
為了研究管道內(nèi)混合氣體初始溫度對爆燃特性的影響，
向腔體內(nèi)充人不同初始溫度的混合氣體。向腔體內(nèi)充人瓦
斯?jié)舛葹?％ 、壓力保持常壓，充入溫度分別為100~C和
20o℃混合氣體后，打開點(diǎn)火器，并采集腔體內(nèi)的反應(yīng)參
數(shù)。經(jīng)過計(jì)算，繪出三種不同初始溫度下火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c
長徑比的關(guān)系，如圖6所示。不同初始溫度下，峰值超壓
與長徑比的關(guān)系。如圖7所示。
圖6 不同初始溫度下火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c長徑比的關(guān)系
通過圖6可以看出，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著初始溫度的增
大而增大，不同初始溫度下，火焰?zhèn)鞑ニ俣榷茧S著長徑比
的增大而先增大后減少?；旌蠚怏w初始溫度越大，起始火
焰?zhèn)鞑ニ俣纫苍酱?，所能達(dá)到的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣纫苍酱蟆?
如當(dāng)混合氣體初始溫度為200~C時(shí)，起始火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤蛇_(dá)
44．8m／s，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲罂蛇_(dá)50．1m／s；當(dāng)混合氣體初
始溫度降低到100~C時(shí)，初始火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆档?5．1m／s，
最大火焰?zhèn)鞑ニ俣纫蚕陆档?3．8 m／s。這是因?yàn)榛旌蠚怏w
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長徑比(L／D)I
圖7 不同初始壓力下峰值超壓與長徑比的關(guān)系
初始溫度愈高，分子顆粒所具有的動(dòng)能愈大，分子問碰撞
的幾率增大，發(fā)生有效碰撞的次數(shù)會(huì)增加，所以能增大反
應(yīng)速率 J。
通過圖7可知，峰值超壓隨著初始溫度的增大而增大，
不同初始溫度下，峰值超壓都隨著長徑比的增大而增大。
如混合氣體初始溫度為l5℃ 時(shí)，最小峰值超壓僅為
0．19MPa，最大峰值超壓也僅為0．23MPa；當(dāng)混合氣體初始
溫度增大到200~C時(shí)，最大峰值超壓可達(dá)0．38MPa，最小峰
值超壓也可達(dá)0．25MPa，遠(yuǎn)大于混合氣體初始溫度為l5
時(shí)的峰值超壓值。這是因?yàn)槌跏紲囟扔螅鶕?jù)反應(yīng)速率k
=Ze 可知，反應(yīng)速度愈快，單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量也愈
多，且沒有及時(shí)散熱，所以能產(chǎn)生能量更為大的前驅(qū)壓
力波。
3 結(jié)語
通過一系列實(shí)驗(yàn)研究了低濃度瓦斯爆燃特性和不同初
始壓力、初始溫度對瓦斯爆燃特性的影響。結(jié)果表明：封
閉管道內(nèi)瓦斯爆燃后，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著長徑比的增大而
先增大后降低；峰值超壓隨著長徑比的增大而增大?；鹧?
傳播速度隨著初始壓力和初始溫度的增大而增大，峰值超
壓隨著初始壓力和初始溫度的增大而增大。
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(6)：487～492． (責(zé)任編輯張寶優(yōu))
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