感应式荷电细水雾对受限空间瓦斯爆炸特性的影响研究

【作者】 徐永亮； 王兰云； 余明高；

【机构】 河南理工大学安全科学与工程学院； 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室；

【摘要】 瓦斯爆炸是煤矿在开采过程中破坏最为严重的灾害之一。目前煤矿采用的瓦斯抑爆常规措施主要有防爆水袋、高压水幕、岩粉棚和隔火栅等。此外,金属丝网、泡沫陶瓷和多孔泡沫铁镍金属等多孔材料对瓦斯爆炸火焰温度均有很好的抑制作用。为了研究荷电细水雾对受限空间瓦斯爆炸火焰传播特性的影响规律,作者自行设计了荷电细水雾发生装置,并进行了荷电细水雾抑制瓦斯爆炸的实验研究。本实验所采用的细水雾荷电属于感应式荷电,即通过静电感应使细水雾雾滴荷上与感应电极极性相反的电荷。实验系统包括4个部分:实验管道A和B、点火装置、数据采集装置和配气装置。实验初始压力为大气压,相对压力取为0MPa,环境温度为室温20℃。实验选取甲烷浓度为9.5%的甲烷-空气预混气体,充入实验管道B;将由荷电细水雾发生装置产生的荷电细水雾充入管道A。然后通过点火控制器点燃预混气体,用数据采集卡采集爆炸的光电信号和压力信号。根据实验结果显示,相同雾通量情况下,随着荷电电压的升高,荷电细水雾对瓦斯爆炸超压的抑制作用更加明显:当荷电电压为8 k V,雾通量为4 L时,荷电细水雾对瓦斯爆炸超压的抑制作用最好;与普通细水雾相比,瓦斯爆炸超压峰值降低10.798 k Pa,降幅达49.78%;平均压升速率峰值降低180.468 k Pa/s,降幅达49.90%。利用高速摄像仪拍摄出的爆炸火焰图谱,根据不同时间火焰阵面的位置变化以及该位置变化拍摄时间间隔即可计算出瓦斯爆炸火焰传播速度。根据计算结果发现火焰传播速度保持持续的增长,在500 mm处火焰传播平均速度达到7.92 m/s,当通过500 mm后即火焰传播进入水雾雾场区时,火焰传播速度突然出现陡降,爆炸火焰进入不同荷电电压作用时的荷正电荷的细水雾雾场区时,火焰传播平均速度由7.92 m/s分别下降到6.02 m/s,5.39 m/s,5.36 m/s,5.26 m/s,5.04 m/s。且随着荷电电压的增大,火焰传播速度降幅逐渐增大,最大降幅达到36.37%。和荷正电荷的细水雾作用时相比,荷负电荷的细水雾使管道火焰传播平均速度分别降为6.02 m/s、4.62 m/s、4.02 m/s、3.65 m/s、3.00 m/s,最大降幅达到了62.12%,说明荷电细水雾较普通细水雾对瓦斯爆炸火焰传播速度的抑制作用更明显,且荷负电荷的细水雾对火焰的抑制效果较正电荷的细水雾更好。为了进一步考察荷电细水雾对瓦斯爆炸的抑制有效性,实验对0 L、1 L、2 L、3 L、4 L、5 L六种不同体积情况下的细水雾分别在未荷电和荷电8 k V时对瓦斯爆炸速度峰值的影响进行了研究,结果发现:雾通量分别为1 L、2 L、3 L、4 L、5 L的荷电细水雾较无水雾时可使瓦斯爆炸火焰传播速度分别下降了13.88%、18.09%、18.28%、24.21%、26.77%。当瓦斯爆炸火焰传播速度下降相同值时,荷电细水雾的用水量明显少于普通细水雾,说明相同雾通量的荷电细水雾对瓦斯爆炸的抑制作用较普通细水雾明显增强。荷电细水雾由于其雾滴带有同种电荷,存在互斥的电场力作用,使得雾滴的分布更为弥散,可以促进雾滴对自由基的捕获、吸附和销毁作用,加强了雾滴对火焰的冷却降温效果,从而更好地抑制瓦斯爆炸传播特性。本研究对提高细水雾的抑爆效率、促进其在煤矿瓦斯抑爆方面的应用具有重要理论意义。更多还原