抑爆材料对低浓度煤层气爆炸的隔爆性研究

孙 智

(阳泉煤业(集团)股份有限公司煤层气开发利用分公司，山西 045000)

抑爆材料对低浓度煤层气爆炸的隔爆性研究

孙 智

(阳泉煤业(集团)股份有限公司煤层气开发利用分公司，山西 045000)

采用大小球连通容器，进行了甲烷浓度为10%，不同压力下，连通容器大球点火，无/有抑爆材料时连通容器内预混气体爆炸实验。实验结果表明：无抑爆材料时，小球容器先于大球容器到达压力峰值，且小球容器的压力峰值远大于大球容器的压力峰值，大、小球容器内的气体均发生爆炸；有抑爆材料时，大球压力快速上升，小球压力则紧随其后缓慢上升，然后缓缓平滑下降，只有大球容器内的气体发生爆炸，小球容器内的气体未发生爆炸，证明抑爆材料能起到有效的隔爆作用；随着初始压力的上升，大、小球压力峰值随着上升。

低浓度煤层气 爆炸 抑爆材料 隔爆性

1 实验部分

1.1 实验装置

本实验装置是一套连通容器，连通容器示意图如图1所示。两个球形容器的内径分别为0.6m、0.35m(体积分别为0.113m3、0.022m3，以下简称大、小球容器)，水平导管长2m。选用甲烷和空气预混气体开展实验。配制实验使用的混合气体采用配气仪(型号：SY-9506)；点火采用高能电子点火器(型号：XDH-6L)，点火能量为6J，点火位置均为容器中心；数采采集选用USB总线数据采集仪(型号：DEWE-4.3型)及配套分析软件(DEWESoft 7.0)，设定采样频率为10kHz；压力测量选用高频压力传感器(型号：HM90-H3-2)。

1、4—点火位置；2、5—压力传感器；3、6—进气口图1 连通容器示意图

1.2 实验步骤

为保证实验安全有效的开展，实验的具体步骤如下：

(1)根据实验需要，将球形容器与管道通过法兰和螺栓连接组装成相应的连通装置。检查装置气密性，利用真空泵将装置抽真空至-90kPa，静置两分钟；

(2)根据实验目的，安装调试好相应的实验设备，包括各类传感器的布置和安装调试，数采仪中各通道的同步通信号等；

(3)将装置抽真空至-90kPa，然后充入甲烷-空气的预混气至设定压力。

(4)将采集系统调整到自动触发状态，清理人员至安全距离之外，准备引爆；

(5)点火引爆，采集数据；

(6)打开装置阀门，利用气泵通入空气，进行换气、洗气，准备进行下一组实验。

2 结果与讨论

2.1 实验数据可靠性验证

图2是单容器密闭气体爆炸的压力变化过程。从图2可以看出，单容器密闭内气体燃爆压力峰值约为0.6721MPa。根据钱新明和Senecal等人研究，甲烷气体的最大燃爆压力分别为0.629MPa和0.71MPa。本实验测得的燃爆压力峰值与已有的研究数据基本一致。由此可见，本实验的压力数据是可靠的。

图2 单容器密闭爆炸压力曲线图

2.2 无抑爆材料时连通容器预混气体爆炸实验

实验进行了常压、 0.05MPa、 0.1MPa、 0.2MPa，甲烷浓度为10%时，没有抑爆材料的情形下，连通容器大球点火，容器内气体爆炸，大小球的压力变化测试，不同压力下大小球的压力曲线图类似，由于篇幅所限，此处只列出0.2MPa下的压力曲线图，见图3。

图3 甲烷浓度为10%时，初始压力为0.2MPa下，容器内气体爆炸压力曲线

从图3中可以看出，大球容器作为起爆容器时，传爆容器小球容器先于大球容器到达压力峰值，且小球的压力峰值远远大于大球容器的压力峰值，大、小球容器内的气体均发生爆炸。这主要是由于当大、小球通过管道连接形成连通容器时，大容器中心点火，大容器内的压力缓慢上升，推动大容器及管道内的未燃气体进入小球，使小球形成一定的预压，燃烧形成的火焰在管道的加速作用下，形成喷射火焰进入小球，使小球内的未燃气体瞬间燃烧，因此小球的压力峰值远远大于大球容器的压力峰值。小球容器的压力波回传引起大球容器压力快速上升，并达到压力峰值。最后，压力波在连通容器内来回震荡，不断减小、趋于统一。

图4 甲烷浓度为10%时，不同初始压力下大球容器的压力曲线(无抑爆材料)

图5 甲烷浓度为10%时，不同初始压力下小球容器的压力曲线(无抑爆材料)

图4与图5为没有抑爆材料时，甲烷浓度为10%的情形下，不同初始压力时大、小球容器的压力曲线图。从图可以发现，随着初始压力的上升，大、小球压力峰值随着上升。表1为没有抑爆材料时，不同初始条件下连通容器的实验结果。从表中可以准确的看出不同初始条件下大、小球容器的压力峰值。可以发现连通状况下的小球容器的压力峰值比大球容器的压力峰值大很多，系统的安全性比较低。

2.3 抑爆材料对连通容器气体爆炸的抑爆效果

实验进行了常压、0.05MPa、0.1MPa、0.2MPa，甲烷浓度为10%时，管道中有抑爆材料(蜂窝铝)情形下，连通容器大球中心点火，容器内气体爆炸，大小球的压力变化测试，不同压力下大小球的压力曲线图类似，由于篇幅所限，此处只列出0.2MPa下的压力曲线图，见图6。

从图6中可以看出，大球压力快速上升，小球压力则紧随其后缓慢上升，然后缓缓平滑下降。这主要因为大球容器起爆后，管道中的抑爆材料阻碍了火焰向小球容器的传播，小球容器内的气体没有发生爆炸(根据气体爆炸三要素原则，小容器内由于没有点火源而不能发生爆炸)，大球爆炸产生的压力波通过抑爆材料缝隙传递到小球，使小球内的压力缓慢上升，并随着爆炸产生的高温气体的冷却，压力慢慢降下来。

图7～8为有抑爆材料时，甲烷浓度为10%的情形下， 不同初始压力时大、 小球容器的压力曲线。

表1 无抑爆材料时，连通容器气体爆炸实验结果

图6 甲烷浓度为10%时，初始压力为0.2MPa下容器内气体爆炸压力曲线

图7 甲烷浓度为10%时，不同初始压力下大球容器的压力曲线(有抑爆材料)

图8 甲烷浓度为10%时，不同初始压力下小球容器的压力曲线(有抑爆材料)

从图中可以看出，随着初始压力的增加，两球容器内可燃气体含量增加，爆炸产生的能量随之增强；从图中还可以看出，有抑爆材料存在时，不同初压条件下，小容器内的压力都是缓慢的上升，说明小容器内的气体没有发生爆炸，表面火焰未传播到小容器，结果证明抑爆材料能较好的抑制火焰传播，能有效的降低爆炸的危险性。表2为有抑爆材料时，连通容器大球中心点火实验结果。从表可以看出不同初始压力对应的大、小球压力峰值，实验数据进一步证明了初始压力对气体爆炸压力峰值的影响。

表3为连通容器隔爆材料对小球爆炸压力峰值的衰减率，从表3可以看出，隔爆材料对连通容器气体爆炸可以起到有效的隔爆作用。从理论上来说，蜂窝铝抑爆材料抑爆机理主要可以从器壁效应(链锁反应理论)和吸热效应两个方面给予解释。(1)链锁反应理论认为：可燃气体/空气混合物的燃烧、爆炸反应并不是分子间的直接反应，而是分子链遭到自由基的碰撞而产生活化分子，活化分子又分裂成寿命很短却很活泼的自由基。自由基与其他分子碰撞形成新的产物，同时又产生新的自由基继续与其他分子发生反应，如此循环形成稳定的燃烧。容器中蜂窝铝隔爆材料将管道隔离为许多狭长通道，当火焰通过时，由于自由基与通道壁的碰撞几率增大，因而销毁的自由基数量增多，参与反应的自由基数量减少，当阻火结构的通道宽度减少到一定程度时，自由基与通道壁的碰撞占主导地位，自由基数量急剧减少，燃烧反应不能自持而受到抑制。(2)燃烧反应火焰能够传播的另一个条件是反应放热大于热量的损失。在容器中充填这种材料后，火焰与材料接触，气体向材料散热，由于金属材料的热容远高于气体，当材料的孔径足够小时(小于最大试验安全间隙)，散热速度超过热量产生的速度，从而达到抑制爆炸火焰的目的。

表2 有抑爆材料时，连通容器气体爆炸实验结果

表3 连通容器隔爆材料对小球爆炸压力峰值的衰减率

3 结论

(1)本实验测得的燃爆压力峰值与已有的研究数据基本一致，本实验的压力数据可靠。

(2)通过对不同初始压力下连通容器内气体爆炸的点火爆炸实验研究，表明大球中心点火时，小球容器内预混气体爆炸压力峰值大于大球容器的压力峰值。

(3)通过对不同初始压力下连通容器内填装隔爆材料的点火隔爆实验研究。实验结果表明隔爆材料对连通容器内预混气体爆炸有良好的抑制效果。

(4)随着初始压力值的增加，起爆容器和传爆容器预混气体的压力峰值越大。

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(责任编辑 刘 馨)

Study on Explosion-proof Property of Explosion Suppression Material for Low Concentration Coalbed Methane Explosion

SUN Zhi

(Coalbed Methane Development and Utilization Branch，Yangquan Coal Industry(Group)Co.，Ltd.，Shanxi 045000)

Explosion experiments of premixed gas in connected container without or with explosion suppression material are carried out，by igniting the large ball of the connected container，using a big-small ball connected container，under different pressure，with the methane concentration of 10%. The experimental results show that，without the explosion suppression material，the small ball container reaches the peak value of the pressure before the big ball container，and the peak value of the small ball container is much larger than that of the big ball container. The gas in big and small ball container all explode. With explosion suppression material，the pressure of the big ball rises rapidly，the pressure of the small ball is followed by a slow rise，and then slowly and smoothly decreases; only gas in the big ball container explode，and the gas in the small ball container do not explode. It is proved that the explosion suppression material can play an effective role in explosion suppression. With the increase of initial pressure，the pressure peak value both of the big and small ball container increases.

Low concentration coalbed methane; explosion; explosion suppression material; explosion-proof property

山西省科技攻关计划资助项目(MQ2014-10)。

孙智，男，助理工程师，从事煤层气新项目开发工作。