張　輝,菅從光,李　靜,樂(lè)　俊,高建康

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,江蘇徐州221008)

摘　要:在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,研究了外加電磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ニ俣群统瑝旱挠绊?。研究結(jié)果表明:外加電磁場(chǎng)使瓦斯爆炸強(qiáng)度增加,使火焰速度、火焰速度峰值、壓力波超壓峰值增大,隨著電磁場(chǎng)強(qiáng)度增加,其對(duì)瓦斯爆炸加劇作用增強(qiáng)。并從理論上分析了外加電磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸的影響。

關(guān)鍵詞:電磁場(chǎng);瓦斯爆炸;火焰?zhèn)鞑ニ俣?超壓

中圖分類(lèi)號(hào):TD712+.7　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A　　　文章編號(hào):1003-496X(2006)05-0001-04

Experimental Study and Theory Analysis on Influence of Electromagnetic Field on Gas Explosion

ZHANG Hui,JIAN Cong-guang,LI Jing,LE Jun, GAO Jian-kang(College of Mechanical and Electrical Engineering,CUMT, Xuzhou221008, China)Abstract:On the basis of experiment, the influence of impressed electromagnetic field on fire transmission speed and overpressure ingas explosion was investigated. The research result shows that the influence of impressed electromagnetic field strengthen the gas ex-plosion, and make the flame propagation speed, the flame propagation speed peak value and the overpressure peak value enlarged;with the increase of electromagnetic field intensity, the effects on aggravating the gas explosion raise. And the influence of impressedelectromagnetic field on gas explosion was analyzed.Key words:electromagnetic field;gas explosion;flame propagation speed;overpressure

　　礦井瓦斯爆炸是煤礦重大惡性事故之一,尤其是近幾年,隨著礦井生產(chǎn)機(jī)械化水平的提高,不少大型礦區(qū)相繼進(jìn)入深層開(kāi)采,瓦斯涌出量急劇增加,瓦斯爆炸事故頻頻發(fā)生。因此控制瓦斯爆炸是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。雖然對(duì)瓦斯爆炸理論研究歷史已久,前人已經(jīng)在理論、實(shí)驗(yàn)、防爆隔爆等許多方面進(jìn)行了卓有成效的工作,取得了很大進(jìn)展,但由于瓦斯爆炸的復(fù)雜性、快速性、危險(xiǎn)性以及實(shí)驗(yàn)條件等限制,目前在瓦斯爆炸理論中還有許多問(wèn)題沒(méi)有得到妥善的解決。例如電磁場(chǎng)對(duì)爆炸、火焰的影響的研究?jī)?nèi)容就少見(jiàn)報(bào)道。為了弄清電磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸的影響程度,本文通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn),結(jié)合理論分析,研究了電磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)瓦斯爆炸過(guò)程中超壓波、火焰波傳播的現(xiàn)象和規(guī)律的影響,以期對(duì)礦井瓦斯爆炸的理論研究有所裨益,對(duì)礦井瓦斯爆炸的防治有所幫助。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)中所用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)“瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)如圖1所示,該系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成:

圖1　瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

爆炸實(shí)驗(yàn)管道、電磁場(chǎng)系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、火焰速度測(cè)量系統(tǒng)、壓力測(cè)量系統(tǒng)及爆炸點(diǎn)火裝置等。

1.1　爆炸實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)

由于鋼板對(duì)電磁場(chǎng)有屏蔽作用,實(shí)驗(yàn)中的爆炸管道是由3.5 m長(zhǎng)16Mn鋼焊制管道和0.5 m長(zhǎng)有機(jī)玻璃管組合而成,其內(nèi)徑為80 mm×80 mm,在有機(jī)玻璃管上加電磁場(chǎng)研究其對(duì)瓦斯爆炸的影響。

1.2　電磁場(chǎng)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中均勻電場(chǎng)是在兩塊500 mm×200 mm的銅板上加電壓而產(chǎn)生的,高壓電源是通過(guò)變壓器、倍壓整流電路,得到高壓直流電,兩極板間距為80mm,電壓調(diào)節(jié)范圍是:0~45 kV,高壓電可連續(xù)調(diào)節(jié)。穩(wěn)恒磁場(chǎng)是由恒定直流電通過(guò)玻璃管上的線圈產(chǎn)生的,線圈是0.5 mm漆包銅芯線,繞制4 000匝,為了得到更好的絕緣效果,每繞一層就涂上一層絕緣漆。

1.3　動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中選用了TST3000動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有16個(gè)通道(采樣率20%,采樣精度10

bit,采樣長(zhǎng)度1 m),能滿足微秒級(jí)數(shù)據(jù)采集速度的要求,具有自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、顯示及打印輸出的功能,能同時(shí)將8個(gè)通道的測(cè)試結(jié)果顯示在屏幕上。且具有將曲線壓縮、拉伸、放大及縮小的功能。

1.4　火焰速度測(cè)量系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用光敏三極管作為傳感器,將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),調(diào)制后放大輸出。在火焰?zhèn)鞑ネǖ郎喜贾昧硕鄠€(gè)光電傳感器,保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性,其采集速度可達(dá)微秒級(jí)。

1.5　壓力測(cè)量系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用YD205型石英傳感器,每一傳感器均用獨(dú)立的YE5852型電荷放大器配合,該傳感器具有很高的頻響,采集數(shù)據(jù)的速度可達(dá)微秒級(jí)。

1.6　爆炸點(diǎn)火裝置

該裝置采用簡(jiǎn)易操作型的電容儲(chǔ)能高壓電火花點(diǎn)火裝置,其輸出功率為20~100 J。利用管道抽真空后形成的負(fù)壓將配好一定濃度(CH4濃度9.5%)的瓦斯空氣混合氣體送入管道。調(diào)試TST3000動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)定采樣率、采集長(zhǎng)度、觸發(fā)電平、觸發(fā)通道等參數(shù),并使之處于“等待采集”狀態(tài)。啟動(dòng)高能點(diǎn)火裝置,引爆管道內(nèi)混合氣體,計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集瓦斯爆炸過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　外加電磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸的影響在瓦斯爆炸過(guò)程中,火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸波是表征瓦斯爆炸特征?個(gè)最主要的指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)對(duì)管道兩端閉口和一端開(kāi)口一端閉口兩種情況進(jìn)行分類(lèi)

研究,以得出不同實(shí)驗(yàn)條件下,電磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸的影響規(guī)律。

2.1.1　外加電磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊懲饧与姶艌?chǎng),對(duì)瓦斯爆炸過(guò)程中每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的

實(shí)驗(yàn)結(jié)果取算術(shù)平均值整理成表1,將各工況測(cè)點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑ニ俣壤L制成曲線,如圖2,圖3所示。

圖2　外加電磁場(chǎng)開(kāi)口火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€

圖3　外加電磁場(chǎng)閉口火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€

　　由表1和圖2,圖3可以看出,外加電磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸過(guò)程中的火焰?zhèn)鞑ニ俣扔忻黠@的影響。終端開(kāi)口時(shí),在第一個(gè)測(cè)點(diǎn)L/D=8處,外加電磁場(chǎng)的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺裙夤苤械幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣忍岣吡?.9~3.9倍;終端閉口時(shí),在第一個(gè)測(cè)點(diǎn)L/D=8處,外加電磁場(chǎng)的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺裙夤苤械幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣忍岣吡?.5~6.8倍。從火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯捣治?終端開(kāi)口時(shí),隨著火焰?zhèn)鞑ニ俣冗^(guò)程的進(jìn)行,峰值不斷增大;終端閉口工況下,火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯稻l(fā)生在測(cè)點(diǎn)L/D=22處。綜上所述,無(wú)論是終端開(kāi)口還是閉口,外加電磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣榷计鸬郊铀俚淖饔?外加電磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng),其對(duì)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懹蟆?/P>

2.1.2　外加電磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸壓力波傳播影響表2為各測(cè)點(diǎn)瓦斯爆炸過(guò)程中的爆炸波壓力值,并將其繪制成曲線,如圖4,圖5所示。由表2,圖4,圖5可以看出,無(wú)論終端開(kāi)口還是閉口,外加電磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸壓力波的傳播都起到加劇作用。

而且電磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng),對(duì)瓦斯爆炸壓力波的影響程度也愈強(qiáng)。

圖4　外加電磁場(chǎng)開(kāi)口壓力波超壓變化關(guān)系曲線

3　外加電磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸影響的理論分析瓦斯爆炸過(guò)程是一種劇烈而迅速的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中存在CH3、OH等活化中心,甲烷燃燒速度取決于活化中心的出現(xiàn)和活性,反應(yīng)中的反應(yīng)物及活化中心濃度是影響甲烷鏈?zhǔn)奖ǚ磻?yīng)的主要因素。

帶電粒子在電磁場(chǎng)中受到電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力的雙重作用,粒子運(yùn)動(dòng)是在電場(chǎng)中和磁場(chǎng)中的合成運(yùn)動(dòng)。

圖5　外加電磁場(chǎng)閉口壓力波超壓變化關(guān)系曲線

當(dāng)帶電粒子垂直進(jìn)入電磁場(chǎng)時(shí),帶電粒子保持勻速直線運(yùn)動(dòng);帶電粒子以任意角度進(jìn)入電磁場(chǎng)時(shí),帶電粒子的軌道是擺線。由于粒子軌跡的改變,提高了粒子之間的碰撞機(jī)率。這不但增加了火焰的湍流度,而且與甲烷分子的碰撞會(huì)產(chǎn)生更多的CH3、OH等活化中心,使瓦斯爆炸時(shí)的活化中心和活化濃度得到提高,從而提高瓦斯爆炸強(qiáng)度和爆炸溫度,這種正反饋機(jī)理增強(qiáng)了瓦斯爆炸強(qiáng)度,且電磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng),這種作用越劇烈,對(duì)瓦斯爆炸的影響也越大。在電磁場(chǎng)中磁場(chǎng)和電場(chǎng)同時(shí)作用于瓦斯氣體,外加磁場(chǎng)會(huì)影響自由基OH的擴(kuò)散速度,改變它的濃度,自由基OH會(huì)和甲烷發(fā)生反應(yīng):OH+CH4→H2O+CH3而高壓直流電場(chǎng)可以使甲烷發(fā)生電離和裂解:

CH4離解CH3生成的自由基CH3與氧氣分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng):CH3+O2→H2CO+OH

由以上這3個(gè)方程之間的互相影響和制約作用可以得出,電磁場(chǎng)效應(yīng)不是磁場(chǎng)效應(yīng)和電場(chǎng)效應(yīng)簡(jiǎn)單的疊加關(guān)系。

4　結(jié)　論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法重點(diǎn)研究了外加電磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸的影響,得到如下主要結(jié)論:

(1)管內(nèi)瓦斯爆炸,外加電磁場(chǎng)使瓦斯爆炸強(qiáng)度增加,使火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰速度峰值、壓力波超壓峰值增大?/P>

(2)外加電磁場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸有加劇的作用,并且隨著電磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加,其對(duì)瓦斯爆炸加劇作用增強(qiáng)。