摘 要: 為了保障低濃度瓦斯輸送過程中的安全, 利用直徑 700 mm、長 96 m 的管道模擬低濃度瓦斯輸送管道, 進行了全管道瓦斯爆炸傳播及抑爆試驗。瓦斯爆炸傳播試驗表明: 瓦斯爆炸壓力由爆炸源起至 50 m 區(qū)間有減小的趨勢, 50 m后明顯增大, 封膜前段壓力大幅上升; 火焰速度隨距離增大逐漸增大, 過 50 m后火焰速度明顯增加。抑爆試驗采用的抑爆裝置由火焰?zhèn)鞲衅?、抑爆器、控制器組成, 噴灑滯后時間不大于 15 m s, 抑爆試驗表明: 抑爆裝置能在距爆炸源 25 m處有效撲滅爆炸火焰, 能防止后部瓦斯參與爆炸, 并使后部壓力逐漸減小。

關(guān)鍵詞: 管道瓦斯爆炸; 抑爆裝置; 抑爆試驗

低濃度瓦斯是指在礦井瓦斯抽采中體積分數(shù)低于 30%的瓦斯, 我國現(xiàn)有煤礦瓦斯抽采中, 低濃度瓦斯抽采占 70% 以上[1 -2 ], 低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)已在我國應(yīng)用[ 3 -6 ]。相當一部分瓦斯體積分數(shù)低于瓦斯爆炸上限 16% 的瓦斯在輸送利用和排放過程中存在嚴重的安全隱患。煤礦瓦斯抽放系統(tǒng)輸送低濃度瓦斯時, 瓦斯?jié)舛忍幱诒ㄏ迌?nèi)或附近, 由于抽放系統(tǒng)或管路系統(tǒng)原因, 可能有金屬或其他碎屑混入, 輸送過程中與管壁摩擦產(chǎn)生火花, 一旦遇到火花, 就會引起爆炸[7 ]。低濃度瓦斯的安全利用是面臨的新課題, 現(xiàn)在將抽放瓦斯與細水霧混合, 在輸送管路上設(shè)置濕式水位自控阻火器和金屬波紋帶瓦斯管道專用阻火器, 防止低濃度瓦斯輸送過程中的瓦斯爆炸[ 8 ]。但這種方式既增加了瓦斯輸送阻力和能耗, 在瓦斯井下抽放端應(yīng)用也很困難。本文運用的抑爆裝置能夠克服這些缺陷, 用于防止輸送管道內(nèi)的低濃度瓦斯爆炸的發(fā)生和發(fā)展,保障低濃度瓦斯抽放利用過程中的安全。

1 管道瓦斯爆炸傳播試驗

1) 試驗裝置。試驗裝置 ?700 mm、長 93 m、承壓 310M Pa的鋼制管道。充入管道的瓦斯由真空泵、連接管與試驗管道構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)并進行攪拌,形成濃度均勻的瓦斯 -空氣爆炸混合物 (圖 1)。

1) 10為壓力傳感器測點; 10) 20為火焰?zhèn)鞲衅鳒y點圖 1 試驗裝置及測試系統(tǒng)采用 PXI - 50612動態(tài)信號綜合測試系統(tǒng), 該系統(tǒng)可采集 32路數(shù)據(jù)信號, 最高采樣率為每通道每秒采集 50 M S 的數(shù)據(jù)。采用固態(tài)壓阻壓力傳感器, 在測試過程中通過自制前置放大器接入動態(tài)測試分析系統(tǒng)?；鹧?zhèn)鞲衅魉鶞y波形為矩形波, 火焰到達該點時間以波形跳變時間為準。2) 試驗條件。在管道出口用 2層封膜封密管道, 充入瓦斯 (體積分數(shù)依次為 910% , 1010% ,715%, 912% ), 用水環(huán)式真空泵攪拌均勻。在距試驗管道端頭 413 m處有 3只點火源點爆。No1 1) No1 4瓦斯體積分數(shù)依次為 910% , 101 0% , 715% , 91 2%圖 2 ?700 mm 管道瓦斯爆炸各測點壓力峰值和火焰速度曲線3) 爆炸壓力及火焰速度曲線如圖 2所示。從圖 2a可以看出, 瓦斯爆炸壓力由爆炸源起至 50 m區(qū)間有減小趨勢, 50 m 后明顯增大, 封膜前段壓力劇升, 最大壓力峰值出現(xiàn)在出口附近。最大壓力峰值出現(xiàn)在出口的原因是: 封閉管道的 2層塑料膜限制baozha沖擊波傳播, 使壓力峰值急速上升。從圖 2b可以看出, 火焰速度隨距離增加逐漸增大, 過 50 m 后火焰速度明顯增加?？拷隹谔幍幕鹧嫠俣茸畲蟆；鹧嫠俣扔?25 m 處的 100 m /s左右上升至 75 m處的 1 000 m /s以上。

No1 1) No1 4瓦斯體積分數(shù)依次為 910% , 101 0% , 715% , 91 2%圖 2 ?700 mm 管道瓦斯爆炸

各測點壓力峰值和火焰速度曲線

2 抑爆裝置

[ 9 ] 抑爆裝置由火焰?zhèn)鞲衅?、抑爆器、控制器組 成, 如圖 3所示。通過火焰?zhèn)鞲衅鹘邮杖紵c爆炸 火焰信號, 輸入控制器, 控制器觸發(fā)抑爆器, 抑爆 器將滅火劑噴射到火焰陣面上, 撲滅火焰, 阻止爆 炸傳播, 工作原理如圖 4所示。

1) 火焰?zhèn)鞲衅鳌ｌo態(tài)電流小于 2 mA; 靈敏度I級, 可探測 5 m遠 1 cd的火焰; 監(jiān)視范圍為 120b圓錐夾角; 信號輸出為有火時高電平 ( \ 419 VDC), 無火時低電平 ( [ 011 V DC ); 工作電壓為5~ 27 V DC。2) 控制器。電源為 N i -MH9Ah 112V DC @ 6節(jié)充電電源; 信號輸入大于 2 mA; 信號輸出為015~ 115 A, 712 V DC本安; 輸入 2路信號, 輸出3路信號, 連續(xù)工作時間大于 6個月; 有電源指示、電源欠壓顯示、抑爆器通斷檢測顯示功能。3) 抑爆器。觸發(fā)電流不小于 014 A, 觸發(fā)電壓不小于 310 V; 噴粉效率不小于 80%, 燃氣發(fā)生器承壓不小于 1010 M Pa, 噴灑滯后時間不大于 15m s, 噴灑完成時間不大于 150 m s, 外型尺寸 ?245mm @ 600 mm。

3 瓦斯爆炸抑爆試驗

3.1 抑爆裝置在管道的安裝位置

管道瓦斯爆炸的傳播規(guī)律表明, 燃燒爆炸從點火源開始傳播, 火焰?zhèn)鞑ニ俣入S爆炸源距離增加而增大, 初期增加較緩, 50 m 后, 火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾雍芸? 為了有效抑爆, 抑爆裝置應(yīng)盡可能安裝在爆炸源附近, 不能距爆炸源太遠。從抑爆裝置接收到燃燒或爆炸信號到抑爆器噴出干粉需要 20 ms的時間?？紤]現(xiàn)場實際, 抑爆裝置應(yīng)安裝在距爆炸源50 m范圍內(nèi)。在爆炸源后 55 m 的范圍內(nèi), 火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁炜蛇_到 570 m /s左右, 按此最快速度計算, 20 ms火焰可以傳播的距離約 12 m。試驗中火焰?zhèn)鞲衅髋c抑爆器的安裝位置相距 19 m, 火焰?zhèn)鞲衅骺拷c火源, 抑爆器在管道中的安裝位置及測試如圖 5所示。

a) 點火源; b) 抑爆裝置火焰?zhèn)鞲衅? c) 抑爆裝置控制器;d) 抑爆裝置抑爆器; e) 測試用火焰?zhèn)鞲衅?

圖 5 抑爆裝置的安裝位置及測試

3.2 試驗條件

全管道充體積分數(shù)為 810% ~ 1010% 的 CH4與空氣混合爆炸氣體。測試火焰?zhèn)鞲衅鞑贾? 從距點火源 913 m始, 布置 5組火焰?zhèn)鞲衅? 每組 2個,彼此相距 3 m, 組與組之間距離不等。壓力傳感器器布置: 從點火源處開始, 在管道上均勻布置 10個壓力傳感器。點火源為 3只 8號工業(yè)電leiguan用引火工品。在管道末端, 用厚度為 0112 ~ 0114 mm的聚氯乙烯塑料薄膜封閉管道, 構(gòu)成甲烷爆炸性封閉氣體, 點火源安裝在距管道初始端 415 m 左右處。探測火焰?zhèn)鞲衅靼惭b在距點火源 610 m處, 抑爆器安裝在距點火源 2510 m處, 點爆 CH4與空氣的混合物, 用火焰?zhèn)鞲衅鳒y試爆炸火焰到達位置。抑爆裝置實物如圖 6所示。

圖 6 抑爆裝置實物

3.3 試驗數(shù)據(jù)

瓦斯爆炸抑爆試驗火焰測試數(shù)據(jù)見表 1, 壓力測試數(shù)據(jù)見表 2。

注: α為瓦斯?jié)舛取?/span>

3.4 試驗結(jié)果分析

抑爆器安裝在距點火源 2510 m 處, 從抑爆裝置的試驗數(shù)據(jù)可以看出, 爆炸火焰還需要傳播一定距離, 才能被抑爆器撲滅, 抑爆器噴出的干粉滅火劑會被壓力沖擊波帶走一定距離?；旌蠚怏w瓦斯體積分數(shù)越接近爆炸濃度 910% , 這種距離越長, 但不超過 610 m (即爆炸火焰在抑爆器后 610m 范圍內(nèi)熄滅 ), 在抑爆器之后, 沖擊波壓力也大幅減小, 并衰減下去, 抑爆效果較好。

4 結(jié) 論

在 ?700 mm 管道內(nèi)的瓦斯爆炸傳播過程中,壓力峰值和火焰速度變化具有一定的規(guī)律性。瓦斯爆炸壓力由爆炸源起至 50 m 有減小的趨勢, 50 m后明顯增大, 封膜前段壓力劇升?；鹧嫠俣入S距離增加逐漸增大, 過 50 m 后火焰速度明顯增加, 在靠近出口處, 火焰速度最大。