真空腔體積對真空腔抑制瓦斯爆炸性能的影響

　　為了研究真空腔體積與真空腔抑制瓦斯爆炸性能的關(guān)系，設計了瓦斯爆炸 L 型試驗管道，并制作了能調節真空腔體積的裝置：“圓板”。依次進(jìn)行了真空腔體積由大到小的系列真空腔抑制瓦斯爆炸試驗。試驗結果表明：1) 真空腔的抑爆效果取決于真空腔體積與臨界體積的關(guān)系，當真空腔體積大于臨界體積時(shí)，真空腔有很好的抑爆效果;而當真空腔體積小于臨界體積時(shí)，真空腔非但沒(méi)有抑爆效果，瓦斯爆炸壓力和火焰信號強度反而比沒(méi)有真空腔時(shí)還強;2) 對于本試驗管道，真空腔的臨界體積為0.026 m3，占試驗管道總體積的43%。當真空腔體積大于試驗管道總體積的43%時(shí)，真空腔有抑爆效果，反之，則沒(méi)有抑爆效果。

　　瓦斯爆炸是容易造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失的煤礦事故之一。瓦斯爆炸發(fā)生后，如何盡快地熄滅爆炸火焰、阻止爆炸過(guò)程的傳播、降低爆炸超壓是瓦斯爆炸抑爆技術(shù)研究的最終目的。當前的瓦斯抑爆技術(shù)的基本原理是當瓦斯爆炸發(fā)生后,觸發(fā)抑爆裝置,釋放出抑爆材料,用來(lái)抑制爆炸鏈式反應或稀釋瓦斯和氧氣體積分數，撲滅爆炸火焰或衰減激波,從而達到抑制或減輕爆炸災害作用范圍和程度的目的。瓦斯抑爆技術(shù)主要研究瓦斯抑爆裝置和瓦斯抑爆材料2 個(gè)方面。

　　瓦斯抑爆裝置的研究目的是當爆炸發(fā)生后，如何將抑爆材料及時(shí)、準確、均勻的噴灑到瓦斯爆炸反應介質(zhì)中。Ye Jingfang 等[1]研究了水霧抑爆裝置的不同布局對抑制爆炸效果的影響。Klemens R，Szatan B，Gieras M 等對粉塵抑爆裝置進(jìn)行了研究，探索如何提高抑爆系統的抑爆性能。對于抑爆材料，主要研究抑爆材料的抑爆原理、抑爆性能影響因素及改進(jìn)方法。

　　目前，經(jīng)試驗證實(shí)比較有效的抑爆材料有水霧、惰性氣體、惰性粉塵、多孔材料。關(guān)于對水霧的研究，Thomas G O，Parra T 等研究了水霧抑爆效果與爆炸強度的關(guān)系;Chelliah H K 等研究了水霧粒徑對抑爆效果的影響;Jingfang Ye，Catlin C，畢明樹(shù)等研究了水霧密度、分布范圍等對抑爆效果的影響。關(guān)于對惰性氣體的研究，Saito N 等[9]研究了氮氣、氬氣、二氧化碳及其混合氣體對正庚烷、甲烷、丙烷與空氣混合氣體的熄火效果。喻健良等研究了氦氣、氮氣、水蒸氣和二氧化碳等惰性氣體對爆燃火焰的惰化性能和惰化機理。對于惰性粉塵的研究，

　　Linteris G T，Krasnyansky M 等對新型抑爆粉塵材料的抑爆原理、抑爆效果進(jìn)行了研究，Chen Z，Liu Q對常見(jiàn)的不同抑爆粉塵材料的抑爆效果進(jìn)行了對比研究。對于多孔抑爆材料的研究，Nie B等對泡沫陶瓷的抑爆機理和抑爆效果進(jìn)行了研究，孫建華等的研究認為金屬絲網(wǎng)、泡沫陶瓷、多孔泡沫鐵鎳金屬幾種多孔材料均有很好的衰減瓦斯爆炸火焰溫度的作用。

　　本課題組通過(guò)試驗找到了一種新的瓦斯抑爆原理—真空腔，在瓦斯爆炸管路的側面加一腔體，利用弱面板將其與瓦斯爆炸管路隔開(kāi)，并將其抽成真空狀態(tài)。當瓦斯爆炸發(fā)生時(shí)，弱面板破裂，在真空抽吸作用下，瓦斯爆炸火焰熄滅，爆炸被抑制。試驗表明，該裝置能夠顯著(zhù)降低爆炸超壓，具有吸波吸能的效果，可以認為是一種效果理想的主動(dòng)防御的抑爆裝置。在以往的試驗中也發(fā)現，真空腔體積是影響真空腔抑爆性能的關(guān)鍵，但并沒(méi)有進(jìn)行定量的研究，為此，本文設計了瓦斯爆炸L型試驗管道，并制作了能調節真空腔體積的裝置：“圓板”，利用pvc 軟板制作“圓板”，將圓板放入真空腔中，放入的圓板數量越多，真空腔體積越小。通過(guò)研究在不同體積下真空腔的抑爆效果，對比研究了真空腔體積與真空腔抑爆性能的關(guān)系。

　　1、真空腔抑爆試驗

　　1.1、試驗系統

　　系統主要由瓦斯爆炸試驗管道、真空腔、充配氣系統、可燃氣體點(diǎn)火系統、動(dòng)態(tài)數據采集分析系統、瓦斯爆炸壓力測量系統、火焰測量系統、撞針、圓板等部分組成，該系統的組成如圖1 所示。系統布置實(shí)物圖如圖2 所示，系統管路布置及傳感器布置圖如圖3 所示。實(shí)驗管道是由不同長(cháng)度的截面為80 mm×80 mm 的平直方管組合而成。在L 型實(shí)驗管道的拐彎處，距瓦斯爆炸點(diǎn)火端3 m 的位置上安裝真空腔。如圖2，3 所示。

圖1 實(shí)驗系統組成

圖2 系統布置圖

圖3 實(shí)驗管道及傳感器布置位置圖 (mm)

　　真空腔是直徑為300 mm，長(cháng)度為0.5 m 圓柱形腔體，真空腔一端封閉，另一端為一接頭，接頭與爆炸管路相接，在接頭和爆炸管路之間放入弱面板。此弱面板是嵌有一定厚度退火玻璃的法蘭盤(pán)，利用退火玻璃易碎且具有一定硬度的特點(diǎn)，將其作為真空腔與實(shí)驗管道交界面的弱面層。當瓦斯爆炸沖擊波經(jīng)過(guò)時(shí)，此面能迅速破裂，使真空腔發(fā)揮泄爆作用。為了增強爆炸反應速度，在距實(shí)驗管道點(diǎn)火端0.5 m 范圍內設置了加速環(huán)。本次只對開(kāi)口爆炸進(jìn)行實(shí)驗，所以，實(shí)驗管道的點(diǎn)火端封閉，出口端完全開(kāi)放。

　　4、結論

　　1) 利用瓦斯爆炸L 型實(shí)驗管道，以及能調節真空腔體積的裝置圓板，依次進(jìn)行了真空腔體積由大到小的系列瓦斯爆炸實(shí)驗。實(shí)驗結果表明，當向真空腔中放入的圓板數量在12 片或12 片以下時(shí)，真空腔能很好地抑制瓦斯爆炸，熄滅爆炸火焰，降低爆炸超壓，且抑爆效果都基本相同。當向真空腔中放入14 片圓板時(shí)，在相同條件下進(jìn)行的多次實(shí)驗表明，真空腔在此體積下的抑爆效果處于一種臨界狀態(tài)，在有的實(shí)驗中，真空腔有抑爆效果，與真空腔中放入12 片及以下數量圓板時(shí)的抑爆效果相同;在有的實(shí)驗中，真空腔沒(méi)有抑爆效果，只是造成了火焰拉伸，并出現了二次爆炸，且二次爆炸的爆炸威力比不加真空腔時(shí)還強了。

　　2) 對于本文中的實(shí)驗管道，當向真空腔中放入14 片圓板時(shí)的真空腔有效空間體積為真空腔的臨界體積。本實(shí)驗管道的真空腔臨界體積為0.026 m3，實(shí)驗管道總體積為0.061 m3。真空腔體積占實(shí)驗管道總體積的43%。對于本文中的實(shí)驗管道，當真空腔體積大于實(shí)驗管道總體積的43%時(shí)，真空腔有抑爆效果，反之，則沒(méi)有抑爆效果。

　　3) 真空腔的抑爆效果取決于真空腔體積與臨界體積的關(guān)系，當真空腔體積大于臨界體積時(shí)，真空腔有很好的抑爆效果;而當真空腔體積小于臨界體積時(shí)，真空腔非但沒(méi)有抑爆效果，瓦斯爆炸壓力和火焰信號強度反而比沒(méi)有真空腔時(shí)還強。