徐景德，張延煒，胡 洋，秦漢圣

（華北科技學院 安全工程學院，北京065201）

瓦斯爆炸事故使我國煤礦安全生產面臨著嚴重威脅，有效地隔離瓦斯爆炸沖擊波與火焰的傳播，減輕瓦斯爆炸事故帶來的危害，是煤礦安全應急工作的重要組成部分。目前礦井抑爆主要是在瓦斯爆炸可能傳播路徑上布設水棚、巖粉棚，在實際應用中不能達到預期的抑爆效果，因此研發(fā)新型的有效抑爆材料及抑爆裝置迫在眉睫。多孔材料具有優(yōu)異的火焰淬熄性能，同時內部包含大量孔隙、具有較高的比表面積。當沖擊波在多孔材料中傳播時，超壓迅速衰減[1]，起到對沖擊波和火焰?zhèn)鞑サ囊种谱饔?，因此常用作抑爆材料，這一類材料典型的有各種材質制作的網狀材料。近年來國內外學者已在多孔材料的材質上開展了較多研究[2-4]，但對于多孔材料不同特定參數對抑爆效果的影響研究還涉及較少。金屬絲網具有細小的三維孔隙結構，相當于多孔介質，可以快速衰減爆炸波的傳播，同時具有優(yōu)異的火焰淬熄性能，而且其成本較低，非常適合用作抑爆材料。因此，在管道末端加入金屬網抑爆裝置進行實驗，模擬礦井巷道內發(fā)生瓦斯爆炸，風門前的抑爆裝置使爆炸波破壞作用降低。

1 金屬網抑爆機理

當爆炸發(fā)生時，瓦斯氣體吸收能量膨脹產生無窮多道壓縮波，壓縮波向前傳播的同時不斷疊加形成了爆炸激波的波陣面。波陣面過后，氣體溫度、壓力上升，即內能增加，并使原來靜止的氣體產生一定的速度，即動能增加。爆炸波對氣體做功，使其內能動能增加，而氣體能量增加是需要能量的，爆炸波本身是一個波面，不具有能量，但是，可以把能量理解為爆炸波過后，氣體能量的增加量[5]。因此在研究對爆炸激波的抑制作用時，可以從限制爆炸波對氣體做功著手。金屬網體內部具有大量孔隙結構，進入到金屬網體內部的沖擊波與不同角度的孔隙發(fā)生碰撞，并產生各個方向的反射、散射作用，反射散射的沖擊波再次遇到孔隙后又產生新一輪反射、散射[6]。在反復的作用過程中，激波能量被消耗，即使得氣體動能、內能的部分增加量轉變?yōu)閷饘倬W做功。由此可見，激波進入到金屬網時，在不斷的碰撞過程中，除機械能的損耗外，還會使得金屬網發(fā)生彈性形變與塑性形變，即部分動能轉變?yōu)榻饘倬W的彈性勢能；另外由于溫度差異大，在氣體與金屬網之間產生熱傳遞，金屬網的內能也會增加。總得來說，由于金屬網的內能與彈性勢能的增加使得氣體能量衰減，從而造成爆炸波減弱。因此若使金屬網的吸收作用增強，便可以更有效的降低爆炸波的破壞作用。

實驗通過增加圓柱狀金屬網體長徑比（增加金屬網體軸向長度，徑向直徑保持不變），即增加了抑爆裝置產生應力的極限以及導熱能力；同時隨著長徑比的增加，激波與金屬網孔隙碰撞的可能也大大增加，使得抑爆裝置吸收作用增強。綜合達到抑制沖擊波的目的。

2 實驗條件

2.1 材料選取

抑爆材料選用絲徑0.187 mm 的40 目（380 μm）方孔平紋黃銅網和絲徑0.4 mm 網孔規(guī)格為2 mm×4 mm 的菱形鋁格網。抑爆裝置由2 種絲網混合疊加卷制為圓柱狀金屬絲網體，每卷金屬絲網體軸向長度為1 m，徑向直徑為200 mm，共3 組。銅絲網和鋁格網分別如圖1、圖2。

圖1 銅絲網Fig.1 Copper wire mesh

圖2 鋁格網Fig.2 Aluminum mesh

2.2 實驗裝置及方案

實驗裝置為中尺度(長38 m、截面200 mm×200 mm、壁厚10 mm）密閉方形瓦斯爆炸管道（激波管），激波管如圖3。沿激波管壁面開有間隔特定距離的傳感器孔座，并裝有PCB 公司ICP 壓電傳感器進行壓力測量，通過動態(tài)測試分析系統(tǒng)進行記錄；在管道末端（盲板前）放置抑爆裝置，金屬網體的軸向與激波管軸向一致，放置金屬網時，要盡可能的填充滿所處管道的空間；壓力傳感器安裝位置距離點火端位置 分 別 為9.83、14.83、18.16、22.3、25.8、29.3、31.8、34.08 m，實驗系統(tǒng)示意圖如圖4。實驗中激波管內氣體為甲烷空氣預混氣體（甲烷氣體體積分數為9.5%）；另外點火系統(tǒng)是實現預混氣體爆炸的主要裝置，其原理是采用電容充放電，通過變壓器使火花塞形成高壓放電火花，引爆激波管內預混氣體；整個系統(tǒng)由多通道觸發(fā)裝置控制實現1 個信號觸發(fā)點火與數據采集。

圖3 激波管Fig.3 Shock tube

圖4 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic of experimental system

在管道末端放置金屬網體，以金屬絲網體長徑比為變量共設計4 組工況，實驗工況見表1。

表1 實驗工況Table 1 Experimental condition

礦井環(huán)境下的瓦斯爆炸多是瓦斯伴隨誘導沖擊波在巷道內傳播發(fā)生爆燃，然而礦井巷道中存在風門等障礙物，使得沖擊波在障礙物壁面發(fā)生反射，增加了爆炸事故的威力，該現象已被實驗和數值計算所證明[7]。因此在管道末端（盲板前）放置金屬網抑爆裝置，使得爆炸破壞作用降低，并分析長徑比對抑制作用的影響。

2.3 實驗步驟

1）根據不同工況，沿激波管軸向放置不同組數的金屬絲網體于管道末端，金屬網體要盡可能的填充滿所處管道的空間。

2）檢驗氣密性后，充入9.5%體積分數的甲烷空氣預混氣體，直至激波管內預混氣體初始壓力為100 kPa。

3）在點火端將能量調至5.0 kV 通過同步觸發(fā)裝置控制點火并采集記錄數據。

3 實驗結果

3.1 管道內激波超壓變化

為對比金屬網的抑爆效果，首先分析了無金屬網工況。激波超壓變化曲線如圖5。從圖5 可看出，在密閉管道內激波超壓（金屬網前）整體呈先減小后增大的趨勢，距離點火端15 m 處，爆炸激波超壓峰值為36 kPa，激波到達末端后，在盲板的固壁反射作用下產生反射激波，反射波從管道末端向點火端傳播，并與當地壓力疊加產生更高的超壓[8-10]。無金屬網工況下，激波在盲板處發(fā)生反射，超壓增強，該反射現象是增大瓦斯爆炸破壞作用的主要原因之一。

圖5 激波超壓變化曲線Fig.5 Shock wave overpressure variation

定義空管實驗激波超壓減去金屬網衰減后激波超壓，然后再除以空管實驗激波超壓表示超壓衰減率。各測點所測爆炸超壓衰減作用均效果明顯，工況Ⅱ中各測點所測超壓衰減率在4.6%～12.9%之間；工況Ⅲ各測點所測超壓衰減率在9.5%～28.2%之間；工況Ⅳ各測點所測超壓衰減率在37.1%～47.8%之間。隨著長徑比的增加，金屬網對激波超壓的抑制作用顯著增強。經擬合后，長徑比與超壓衰減率呈增長率不斷增大的冪函數型變化，擬合曲線如圖6。沖擊波的衰減是金屬網體內部大量孔隙的吸收作用導致。激波傳播至金屬網體內部與孔隙撞擊，在反復的反射與散射作用下，原本激波使氣體動能增加的部分能量被消耗，轉變?yōu)榻饘倬W的彈性勢能；另一方面，由于熱傳遞的作用，原本激波對氣體做功使氣體內能增加的部分能量導致金屬網內能增加。2 種因素的耦合作用下，金屬網達到對激波的抑制作用。

圖6 擬合曲線Fig.6 Fitting curve

3.2 管道末端（金屬網前）傳感器超壓變化

進一步分析了長徑比對超壓抑制作用的影響，各工況末端傳感器（金屬網前）壓力變化曲線如圖7。

圖7 各工況末端傳感器壓力變化曲線Fig.7 Pressure change curves of sensor at the end of each working condition

從圖7（a）可看出，在0.143 s 時刻激波波陣面掃過激波管末端（金屬網前）傳感器，超壓為32.8 kPa。當無金屬網時，激波在盲板反射作用下，0.162 s 時再次到達該傳感器，超壓為34.7 kPa。在圖7（b）工況Ⅱ中，反射所需時間從0.019 s 增加到0.034 s，反射超壓減小為30.25 kPa。將圖7（a）和圖7（b）對比發(fā)現，長徑比為1/0.2 的金屬網對爆炸激波的超壓影響不大，但對激波的速度起到了有效的抑制效果，說明此工況下，氣體動能的降低是造成沖擊波衰減的主要原因，即長徑比1/0.2 的金屬網將氣體動能轉變?yōu)樽陨韽椥詣菽茉谝种谱饔弥衅鹬鲗У匚唬唤饘倬W長徑比為2/0.2 與3/0.2 時，爆炸激波經過金屬網衰減和盲板反射作用后，已無法形成強間斷（圖7（c）、圖7（d））且無金屬網時，僅受盲板反射作用的壓縮波仍能形成強間斷，說明該衰減作用由金屬網所致，不受盲板影響。將圖7（c）與圖7（d）對比發(fā)現，長徑比大于2/0.2 以后激波的速度與1/0.2 相比，波速有上升的趨勢，說明金屬網在吸收作用的同時，作為障礙物的激勵效果不可忽視。隨著長徑比的增加，金屬網彈性形變的范圍有限,即將氣體動能轉換為自身彈性勢能能力有限，金屬網內能的增加在抑制作用中逐漸占主導地位。

由此可見，隨著金屬網體長徑比在一定范圍的增大，對爆炸激波超壓的抑制效果逐漸增強，并且金屬絲網成本低，重量輕，在高溫條件下不會產生有害物質，因此適合應用于實際當中。

4 結 語

1）管道內圓柱狀金屬網體對預混瓦斯氣體爆炸沖擊波超壓有著重要的影響，隨著長徑比在一定范圍內的增加，金屬網對超壓的抑制作用與之呈正相關，且衰減率的增長速度越來越大。

2）金屬網長徑比對爆炸波抑制作用的影響主要體現在隨著長徑比的增加，激波在金屬網中與孔隙碰撞的可能性增加，金屬網產生應力的極限和導熱能力增強，2 方面因素綜合導致金屬網將沖擊波能量轉換為自身內能與彈性勢能的能力增強。

3）當長徑比為1/0.2 時，金屬網彈性勢能的增加在抑制作用中起主導地位；長徑比為2/0.2、3/0.2時，彈性勢能的轉換有限，在障礙物激勵作用下逐漸淡化，內能的增加在抑制作用中開始占主導地位。綜合考慮，長徑比2/0.2 的金屬網抑爆裝置對爆炸超壓有明顯的抑制作用，且激勵效果不明顯（波速增加幅度不大），適合選定為最佳抑爆參數。

4）研究結果為礦井抑爆技術提供了一種新的研究思路，為瓦斯爆炸抑爆技術的進一步發(fā)展和新材料的探索提供了依據，具有重要的理論意義和實用價值。