金属网对瓦斯爆炸抑制作用的实验研究*

童 宇，刘天生

(1. 山煤集团煤业管理有限公司，山西 太原 030051； 2. 中北大学 环境与安全工程学院，山西 太原 030051)

瓦斯爆炸作为矿井的重大危害之一，严重制约了矿井的安全和生产的发展，因此研究瓦斯阻爆技术对于煤矿安全生产具有重要的意义. 煤矿瓦斯爆炸阻爆技术以及抑爆材料的理论和实验研究对于有效地抑制瓦斯爆炸具有重要的现实意义[1-5]. 同时满足爆炸三要素和有效抑制矿井瓦斯气体不爆炸是阻爆技术研究中面临的重要问题. 解决这一技术的关键在于找到好的抑爆材料.

不同的抑爆材料在抑制瓦斯爆炸过程中所起的作用不同[6-15]. 多孔材料因其质量轻,透气性好，同时对爆炸冲击波的传播起到衰减作用而引起人们的关注[11-15]. 魏春荣等讨论了不同参数的多孔材料(金属丝网、泡沫陶瓷、多孔泡沫铁镍金属)对瓦斯爆炸火焰温度的衰减作用，结果表明多孔材料的厚度、孔径、相对密度等参数对火焰温度衰减效果具有重要的影响[11]. Cui等比较了单层金属网和多层金属网对甲烷-空气混合气体爆炸的抑制作用，指出爆炸的抑制效果主要取决于金属网的层数和数量[12]. Jin等的研究表明多层金属网可以有效地抑制封闭管道中氢气-空气混合气体爆炸时火焰传播的速度和爆炸压力[13]. 孙建华等人的研究指出铁镍金属泡沫对爆炸冲击波的衰减作用是由泡沫金属的孔状结构决定的[14-15]. 爆炸火焰通过泡沫金属时，材料细小的孔隙结构使其分化成若干小股火焰，使得火焰锋面不能连续，并增加了火焰通过的阻力. 另外，金属具有良好的导热、吸热性能，爆炸火焰与大量金属孔壁的热量交换使得小股火焰温度迅速降低，阻止火焰的继续传播. 金属丝网具有细小的三维孔隙结构，相当于多孔介质, 可以快速衰减爆炸波的传播，同时具有优异的火焰淬熄性能，而且其成本较低，因此本文采用金属丝网作为抑爆材料. 考虑到金属网的孔隙对抑爆效果的影响，本文采用非均匀孔隙金属丝网.

本文通过分析最大爆炸压力和飞片的变形程度研究管道式瓦斯爆炸实验装置中金属丝网对瓦斯爆炸的抑制作用. 通过改变金属丝网的质量和体积，分析金属网的体积和质量对抑制瓦斯爆炸的影响.

1 实验条件

1.1 实验装置

实验装置的管道为合金钢管，外径50 mm，内径25 mm，长度1017 mm (见图 1). 在管道中距离飞片15 cm处插入金属丝网作为阻爆装置. 飞片为铝片，厚度为0.4 mm. 考虑到铝片具有良好的塑性和延展性，所以本文通过飞片的变形程度来研究实验效果. 实验管道中的可燃气体为空气和甲烷的混合气体，甲烷气体的体积分数为10%. 采用钨极(0.1 cm)作为电极材料，电极间隙0.1 cm，高压电极点火，点火电压为2.3 kV. 在距离飞片1 cm处采用CY-YD-205型自由场式石英晶体压电式压力传感器测量实验数据.

图 1 管道实验装置结构示意图Fig.1 Schematic diagram of piping experimental device

1.2 试验步骤

① 将飞片装在管道一端，并用压螺固定； ② 在距飞片1 cm处安装压力传感器，并与动态测试仪，电脑相连，记录实验数据； ③ 检查气密性，以防漏气； ④ 打开进气阀，压力表保护阀，充入甲烷气体，将流速控制在较小的水平，当甲烷气体的分压达到实验配比浓度的大气压力时，停止充气，关闭进气阀； ⑤ 打开进气阀，充入空气，将流速控制在较小的水平，观察压力表读数，当气体的压力达到实验配比浓度时，关闭压力表保护阀，关闭进气阀； ⑥ 待气体混合均匀后，打开点火装置开关，点火引爆，并记录实验结果.

为减少实验后管道内的残存气体(二氧化碳、水蒸气等废气)的影响，每次实验后，打开两端，通过自然通风的方式释放残留气体.

2 实验结果与分析

为了比较金属网对冲击波的抑制作用，首先测量了无金属丝网时，瓦斯爆炸的压力随时间的变化. 表 1 给出重复3次测量的最大压力.图 2 给出瓦斯气体爆炸前后的飞片形状. 气体爆炸导致飞片被炸毁，并在管口出现火焰.

表 1 无金属网时, 瓦斯爆炸的最大压力Tab.1 Maximum pressure of gas explosion without wire mesh

图 2 瓦斯气体爆炸前后的飞片对比图Fig.2 Comparison of chip shape before and after the gas explosion

为了讨论金属丝网对瓦斯气体爆炸的影响，在距飞片15 cm处插入直径2.5 cm, 不同长度(l)和重量 (m)的金属丝网. 表 2～表 4 分别给出插入3种不同参数的金属丝网后，瓦斯气体最大爆炸压力和飞片的变形程度.图 3 给出插入不同参数的金属丝网时，瓦斯气体爆炸后的飞片变化. 结合图 2 可以看到加入金属丝网后，飞片的变形程度减弱，当l=25 cm，m=90 g时效果最显著.

表 2 金属网l=25 cm, m=90 g时，瓦斯气体爆炸的最大压力和飞片的变化Tab.2 The maximum pressure of gas explosion and the change of chips with wire mesh l=25 cm, m=90 g

表 3 金属网l=15 cm，m=90 g时，瓦斯气体爆炸的最大压力和飞片的变化Tab.3 The maximum pressure of gas explosion and the change of chip with wire mesh l=15 cm, m=90 g

表 4 金属网l=25 cm, m=50 g时，瓦斯气体爆炸的最大压力和飞片的变化Tab.4 The maximum pressure of gas explosion and the change of chips with wire mesh l=25 cm, m=50 g

图 3 不同参数金属网对瓦斯气体爆炸后飞片的影响Fig.3 Effect of metal mesh with different parameter on chips

对多次测量的结果取平均，图 4 给出爆炸压力随时间的变化关系,图 4(a) 为无金属丝网的情况，图4(b)～图4(d) 为有金属丝网的情况. 从图中可以看到，最大爆炸压力分别为pa=0.625 MPa，pb=0.483 MPa，pc=0.546 MPa，pd=0.575 MPa. 可以看出，加入金属丝网后，最大爆炸压力均有一定程度的降低，而且达到最大爆炸压力的时间增加. 根据火焰淬火理论[16]可知, 爆炸冲击波通过金属丝网的孔隙时，产生多次反射、散射、吸收、减震等作用，从而使得压力减弱. 另外，金属丝网对爆炸冲击波的传播起到了阻碍作用，所以达到最大爆炸压力的时间增加. 插入相同重量(90 g)，不同长度(25 cm和15 cm)的金属丝网时，最大爆炸压力从0.483 MPa变为到0.546 MPa，插入相同长度(25 cm)，不同重量(90 g和50 g)的金属丝网时，最大爆炸压力从0.483 MPa变为到0.575 MPa，说明金属丝网的长度、密度对抑制瓦斯气体爆炸有着一定的影响.

图 4 爆炸压力随时间的变化关系Fig.4 The relationship between explosion pressure and time

3 结 论

本文在管道式瓦斯爆炸实验装置中加入金属丝网作为阻爆材料，分析了金属丝网对瓦斯爆炸的抑制作用. 加入金属丝网，飞片的变形程度减弱，最大爆炸压力减小，说明金属网可以有效地抑制瓦斯气体爆炸形成的冲击波. 当质量相同时，金属网的体积增大，最大爆炸压力减小，飞片变形程度相对较小； 当体积相同时，金属网的质量增大，最大爆炸压力减小，飞片变形程度相对较小，说明金属丝网的长度和密度均会影响抑爆效果.