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管內低濃度抽采瓦斯爆燃特性研究

文檔作者：馬龍信宋正昶林琳曹雷李聰劉方文檔來源：中國礦業大學電力工程學院		點擊數：	更新時間： 2025年09月04日
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煤炭工程 2011年第2期
管內低濃度抽采瓦斯爆燃特性研究
馬龍信，宋正昶，林 琳，曹 雷，李 聰，劉 方
(中國礦業大學電力工程學院，江蘇徐州221116)
摘要： 自行設計了管內低濃度瓦斯爆燃實驗系統，通過一系列實驗研究了低濃度瓦斯爆燃
特性，分析了不同初始壓力、初始溫度對瓦斯爆燃特性的影響。實驗結果表明：火焰傳播速度隨
著初始壓力和初始溫度的增大而增大，峰值超壓隨著初始壓力和初始溫度的增大而增大。
關鍵詞：低濃度抽采瓦斯；瓦斯爆燃；火焰傳播速度；峰值超壓
中圖分類號：TD712 ．7 文獻標識碼：A 文章編號：1671—0959(2011)02-0074-03
Study on deflagration features of drained low concentration mine gas in pipeline
MA Long—xin，SONG Zheng—chang，LIN Lin，CAO Lei，LI Cong，LIU Fang
(School of Electric Power Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)
Abst~ ：A deflagration experiment system with low concentration gas in pipeline was self designed． Base Oil the
experiment platform，a series of the experiments was applied tO study the low concentration gas defla~ation features，the
diferent initial pressure and the initial temperature affected to the gas deflagration features． The experiment results showed
that the flame travel speed would be increased with the initial pressure increased and the peak overpressure would be
increased with the initial pressure increased．The flame travel speed would be increased with the initial temperature
increased and the peak overpressure would be increased with the initial temperature increased．
Keywords：low concentration drained gas； gas deflagration； flame speed；peak overpressure
礦井瓦斯開采有兩種方式：一是地面鉆井開采，二是
通過井下瓦斯抽放系統和地面輸氣系統進行開采。無論采
用哪種方法，都是采用造成負壓的方法來抽瓦斯，瓦斯在
運輸過程中在抽放泵前是負壓狀態，而泵后變成正壓狀態，
不同的壓力下瓦斯爆燃特性必有不同，此外，由于瓦斯輸
送管道可能會較長，會有局部高溫的可能，因此考慮在不
同壓力的情況下，不同溫度情況下，研究低濃度瓦斯的爆
燃特性是很有必要的。
1 實驗系統與實驗方案
1．1 實驗系統
為了驗證理論的準確性，研究低濃度瓦斯在封閉空間
的爆燃特性和初始溫度、初始壓力對低濃度瓦斯在封閉空
間的爆燃特性的影響。
低濃度瓦斯密閉空間爆燃特性實驗系統圖如圖1所示。
實驗系統主要包括瓦斯爆燃實驗腔體、配氣系統(瓦斯罐、
空氣壓縮機、CO：氣體裝置、混氣罐)、水霧發生裝置、空
氣加熱系統、爆燃參數測量裝置(爆炸壓力測量系統、火焰
傳播速度測量系統)、點火裝置、抽真空裝置以及一些安全
部件(阻火器、單向閥、電磁閥等)。瓦斯爆燃腔體安裝了
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真空表、壓力表以及混合氣體初始溫度傳感器(熱電偶)，
真空表用于觀察抽真空時腔體內的真空度，壓力表用于觀
察混合氣體初始壓力的大小，溫度傳感器用于測量混合氣
體初始溫度的大小。
1．2 實驗方案
實驗采用甲烷濃度為9％體積濃度的混合氣，首先觀察
記錄混合氣體在常溫常壓狀態下的爆燃情況。其后保持甲
烷濃度不變，改變充進腔體內混合氣體的壓力而保持其它
不變，使混合氣體壓力分別為一0．09MPa， 一0．08MPa，
一0．05MPa，0．1MPa，0．2MPa，研究初始壓力對混合氣體
爆燃特性的影響。然后保持充進腔體內的混合氣體的壓力
為常壓不變，通過調節加熱器的開關數目改變進入腔體內
混合氣體的溫度，使混合氣體初始溫度分別為100~E和
200~C左右，研究初始溫度對其爆燃特性的影響。
2 實驗結果分析
2．1 瓦斯爆燃特性
將9％濃度的甲烷常溫( =15~C)混合氣充至腔體至常
壓值，打開點火器點火，并記錄腔體內的反應情況，相對
應的火焰傳播速度曲線圖如圖2所示。
收稿日期：2010—09—04
作者簡介：馬龍信(1985一)，男，山東金鄉人，2008年畢業于中國礦業大學熱能與動力工程專業，現主要從事節能和
清潔燃燒等方面研究。
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201 1年第2期 煤炭工程
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瓦
斯
罐
———=[( —1l— ——— 司——IL —4閡混氣罐 _{ 一
球閥3
球閥2
高壓水霧
發生器
燃燒腔體
壓力傳感 焰傳感器
計算機
圖1 低濃度瓦斯爆燃實驗系統示意圖
長徑比(L／D)
圖2 火焰傳播速度與長徑比的關系
由圖2可知，火焰傳播速度隨長徑比的增加是一個先
增加后衰減的過程，這是小尺寸密閉空間的典型特征 J。
這主要是由于壁端效應。此外， 隨著時間增長，壁面有足
夠的時間吸熱，致使內部溫度下降，降低了火焰傳播速度。
每個壓力波形上均有一個壓力波峰，這個壓力波峰所
對應的壓力即是峰值超壓。根據測量結果，得出四個壓力
測點的峰值(最大)超壓值，如圖3所示。可以看出，峰值
超壓是隨著長徑比的增大而增大的。這主要是還是因為燃
燒后形成的“速度活塞”對未燃的氣體的壓縮作用。此外，
隨著壓力的升大，火焰傳播速度在減小，相同時間的放熱
量減少，而同時熱量流失(腔體壁吸熱)加大，所以峰值超
壓上升變得緩慢。
2．2 初始壓力對爆燃特性的影響
為了研究管道中混合氣體初始壓力對爆燃特性的影響，
腔體內混合氣體壓力選取分別為一0．09MPa， 一0．08MPa，
長徑LL(L／D)
圖3 峰值超壓與長徑比的關系
點火器
一0．05MPa，0．1MPa，0．2MPa。而腔體內的甲烷濃度維持
9％不變。打開點火器，記錄燃燒腔體內的反應情況。實驗
發現，當混合氣體壓力在一0．09MPa時，混合氣體沒有發生
反應。不同初始壓力下，峰值超壓與長徑比的關系，如圖4
所示。
量
顰
長徑Lt(L／D)
圖4 不同初始壓力下火焰傳播速度與長徑比的關系
通過圖4可以看出，火焰傳播速度隨著初始壓力的增
大而增大，各種初始壓力下，火焰傳播速度都隨著長徑比
的增大而先增大后減少。混合氣體初始壓力越大，起始火
焰傳播速度也越大，所能達到的最大火焰傳播速度也越大。
如當混合氣體初始壓力為一0．08MPa時，起始火焰傳播速度
僅為7．3m／s，最大火焰傳播速度為8．1m／s；當混合氣體初
始壓力增大到0．2MPa時，初始火焰傳播速度可以達到
42．6m／s，最大火焰傳播速度可達55．2m／s。這是因為混合
氣體壓力愈大，單位體積內可發生反應的粒子愈多，分子
間碰撞的幾率增大，并且會產生更多的H，OH和H高活性
自由基，所以會增大反應速率。同時，當混合氣體初始壓
力降低到一定程度，形成極為微弱前驅壓力波，火焰傳播
速度幾乎穩定在腔體中傳播，如圖5所示。當混合氣體初
始壓力為一0．08MPa時，隨長徑比的增加，火焰傳播速度幾
乎維持在7—8m／s之間 J。
通過圖5可知，峰值超壓隨著初始壓力的增大而增大，
各種初始壓力下，峰值超壓都隨著長徑比的增大而增大。
如當混合氣體初始壓力為一0．05MPa時，最小峰值超壓僅
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煤炭工程 2011年第2期
P=一0．08M Pa
P=一0．O5M Pa
P=0M Pa
P=O．1M Pa
P=0．2M Pa
圖5 不同初始壓力下峰值超壓與長徑比的關系
為一0．0lMPa，最大峰值超壓也僅為0．034MPa；當混合氣
體初始壓力增大到0．2MPa時，最大峰值超壓可達
o．72MPa；最小峰值超壓也可達0．60MPa，遠大于混合氣體
初始壓力為一0．05MPa時的峰值超壓值。這是因為初始壓力
愈大，反應速度愈快，單位時間產生的熱量也愈多，能產
生能量更為強大的前驅壓力波，所以壓力傳感器探測到的
峰值超壓也愈大。當混合氣體初始壓力為一0．09MPa時，
混合氣體不會發生反應，這是由于單位體積氣體分子量太
少，致使發生碰撞的機會大大減少，突破了臨界值，所以
不能發生反應-o 。
2．3 初始溫度對爆燃特性的影響
為了研究管道內混合氣體初始溫度對爆燃特性的影響，
向腔體內充人不同初始溫度的混合氣體。向腔體內充人瓦
斯濃度為9％ 、壓力保持常壓，充入溫度分別為100~C和
20o℃混合氣體后，打開點火器，并采集腔體內的反應參
數。經過計算，繪出三種不同初始溫度下火焰傳播速度與
長徑比的關系，如圖6所示。不同初始溫度下，峰值超壓
與長徑比的關系。如圖7所示。
圖6 不同初始溫度下火焰傳播速度與長徑比的關系
通過圖6可以看出，火焰傳播速度隨著初始溫度的增
大而增大，不同初始溫度下，火焰傳播速度都隨著長徑比
的增大而先增大后減少。混合氣體初始溫度越大，起始火
焰傳播速度也越大，所能達到的最大火焰傳播速度也越大。
如當混合氣體初始溫度為200~C時，起始火焰傳播速度可達
44．8m／s，火焰傳播速度最大可達50．1m／s；當混合氣體初
始溫度降低到100~C時，初始火焰傳播速度下降到35．1m／s，
最大火焰傳播速度也下降到43．8 m／s。這是因為混合氣體
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長徑比(L／D)I
圖7 不同初始壓力下峰值超壓與長徑比的關系
初始溫度愈高，分子顆粒所具有的動能愈大，分子問碰撞
的幾率增大，發生有效碰撞的次數會增加，所以能增大反
應速率 J。
通過圖7可知，峰值超壓隨著初始溫度的增大而增大，
不同初始溫度下，峰值超壓都隨著長徑比的增大而增大。
如混合氣體初始溫度為l5℃ 時，最小峰值超壓僅為
0．19MPa，最大峰值超壓也僅為0．23MPa；當混合氣體初始
溫度增大到200~C時，最大峰值超壓可達0．38MPa，最小峰
值超壓也可達0．25MPa，遠大于混合氣體初始溫度為l5
時的峰值超壓值。這是因為初始溫度愈大，根據反應速率k
=Ze 可知，反應速度愈快，單位時間產生的熱量也愈
多，且沒有及時散熱，所以能產生能量更為大的前驅壓
力波。
3 結語
通過一系列實驗研究了低濃度瓦斯爆燃特性和不同初
始壓力、初始溫度對瓦斯爆燃特性的影響。結果表明：封
閉管道內瓦斯爆燃后，火焰傳播速度隨著長徑比的增大而
先增大后降低；峰值超壓隨著長徑比的增大而增大。火焰
傳播速度隨著初始壓力和初始溫度的增大而增大，峰值超
壓隨著初始壓力和初始溫度的增大而增大。
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