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管内低浓度抽采瓦斯爆燃特性研究

文档作者：马龙信宋正昶林琳曹雷李聪刘方文档来源：中国矿业大学电力工程学院		点击数：	更新时间： 2025年09月04日
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煤炭工程 2011年第2期
管内低浓度抽采瓦斯爆燃特性研究
马龙信，宋正昶，林 琳，曹 雷，李 聪，刘 方
(中国矿业大学电力工程学院，江苏徐州221116)
摘要： 自行设计了管内低浓度瓦斯爆燃实验系统，通过一系列实验研究了低浓度瓦斯爆燃
特性，分析了不同初始压力、初始温度对瓦斯爆燃特性的影响。实验结果表明：火焰传播速度随
着初始压力和初始温度的增大而增大，峰值超压随着初始压力和初始温度的增大而增大。
关键词：低浓度抽采瓦斯；瓦斯爆燃；火焰传播速度；峰值超压
中图分类号：TD712 ．7 文献标识码：A 文章编号：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
矿井瓦斯开采有两种方式：一是地面钻井开采，二是
通过井下瓦斯抽放系统和地面输气系统进行开采。无论采
用哪种方法，都是采用造成负压的方法来抽瓦斯，瓦斯在
运输过程中在抽放泵前是负压状态，而泵后变成正压状态，
不同的压力下瓦斯爆燃特性必有不同，此外，由于瓦斯输
送管道可能会较长，会有局部高温的可能，因此考虑在不
同压力的情况下，不同温度情况下，研究低浓度瓦斯的爆
燃特性是很有必要的。
1 实验系统与实验方案
1．1 实验系统
为了验证理论的准确性，研究低浓度瓦斯在封闭空间
的爆燃特性和初始温度、初始压力对低浓度瓦斯在封闭空
间的爆燃特性的影响。
低浓度瓦斯密闭空间爆燃特性实验系统图如图1所示。
实验系统主要包括瓦斯爆燃实验腔体、配气系统(瓦斯罐、
空气压缩机、CO：气体装置、混气罐)、水雾发生装置、空
气加热系统、爆燃参数测量装置(爆炸压力测量系统、火焰
传播速度测量系统)、点火装置、抽真空装置以及一些安全
部件(阻火器、单向阀、电磁阀等)。瓦斯爆燃腔体安装了
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真空表、压力表以及混合气体初始温度传感器(热电偶)，
真空表用于观察抽真空时腔体内的真空度，压力表用于观
察混合气体初始压力的大小，温度传感器用于测量混合气
体初始温度的大小。
1．2 实验方案
实验采用甲烷浓度为9％体积浓度的混合气，首先观察
记录混合气体在常温常压状态下的爆燃情况。其后保持甲
烷浓度不变，改变充进腔体内混合气体的压力而保持其它
不变，使混合气体压力分别为一0．09MPa， 一0．08MPa，
一0．05MPa，0．1MPa，0．2MPa，研究初始压力对混合气体
爆燃特性的影响。然后保持充进腔体内的混合气体的压力
为常压不变，通过调节加热器的开关数目改变进入腔体内
混合气体的温度，使混合气体初始温度分别为100~E和
200~C左右，研究初始温度对其爆燃特性的影响。
2 实验结果分析
2．1 瓦斯爆燃特性
将9％浓度的甲烷常温( =15~C)混合气充至腔体至常
压值，打开点火器点火，并记录腔体内的反应情况，相对
应的火焰传播速度曲线图如图2所示。
收稿日期：2010—09—04
作者简介：马龙信(1985一)，男，山东金乡人，2008年毕业于中国矿业大学热能与动力工程专业，现主要从事节能和
清洁燃烧等方面研究。
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201 1年第2期 煤炭工程
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瓦
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罐
———=[( —1l— ——— 司——IL —4阂混气罐 _{ 一
球阀3
球阀2
高压水雾
发生器
燃烧腔体
压力传感 焰传感器
计算机
图1 低浓度瓦斯爆燃实验系统示意图
长径比(L／D)
图2 火焰传播速度与长径比的关系
由图2可知，火焰传播速度随长径比的增加是一个先
增加后衰减的过程，这是小尺寸密闭空间的典型特征 J。
这主要是由于壁端效应。此外， 随着时间增长，壁面有足
够的时间吸热，致使内部温度下降，降低了火焰传播速度。
每个压力波形上均有一个压力波峰，这个压力波峰所
对应的压力即是峰值超压。根据测量结果，得出四个压力
测点的峰值(最大)超压值，如图3所示。可以看出，峰值
超压是随着长径比的增大而增大的。这主要是还是因为燃
烧后形成的“速度活塞”对未燃的气体的压缩作用。此外，
随着压力的升大，火焰传播速度在减小，相同时间的放热
量减少，而同时热量流失(腔体壁吸热)加大，所以峰值超
压上升变得缓慢。
2．2 初始压力对爆燃特性的影响
为了研究管道中混合气体初始压力对爆燃特性的影响，
腔体内混合气体压力选取分别为一0．09MPa， 一0．08MPa，
长径LL(L／D)
图3 峰值超压与长径比的关系
点火器
一0．05MPa，0．1MPa，0．2MPa。而腔体内的甲烷浓度维持
9％不变。打开点火器，记录燃烧腔体内的反应情况。实验
发现，当混合气体压力在一0．09MPa时，混合气体没有发生
反应。不同初始压力下，峰值超压与长径比的关系，如图4
所示。
量
颦
长径Lt(L／D)
图4 不同初始压力下火焰传播速度与长径比的关系
通过图4可以看出，火焰传播速度随着初始压力的增
大而增大，各种初始压力下，火焰传播速度都随着长径比
的增大而先增大后减少。混合气体初始压力越大，起始火
焰传播速度也越大，所能达到的最大火焰传播速度也越大。
如当混合气体初始压力为一0．08MPa时，起始火焰传播速度
仅为7．3m／s，最大火焰传播速度为8．1m／s；当混合气体初
始压力增大到0．2MPa时，初始火焰传播速度可以达到
42．6m／s，最大火焰传播速度可达55．2m／s。这是因为混合
气体压力愈大，单位体积内可发生反应的粒子愈多，分子
间碰撞的几率增大，并且会产生更多的H，OH和H高活性
自由基，所以会增大反应速率。同时，当混合气体初始压
力降低到一定程度，形成极为微弱前驱压力波，火焰传播
速度几乎稳定在腔体中传播，如图5所示。当混合气体初
始压力为一0．08MPa时，随长径比的增加，火焰传播速度几
乎维持在7—8m／s之间 J。
通过图5可知，峰值超压随着初始压力的增大而增大，
各种初始压力下，峰值超压都随着长径比的增大而增大。
如当混合气体初始压力为一0．05MPa时，最小峰值超压仅
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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
图5 不同初始压力下峰值超压与长径比的关系
为一0．0lMPa，最大峰值超压也仅为0．034MPa；当混合气
体初始压力增大到0．2MPa时，最大峰值超压可达
o．72MPa；最小峰值超压也可达0．60MPa，远大于混合气体
初始压力为一0．05MPa时的峰值超压值。这是因为初始压力
愈大，反应速度愈快，单位时间产生的热量也愈多，能产
生能量更为强大的前驱压力波，所以压力传感器探测到的
峰值超压也愈大。当混合气体初始压力为一0．09MPa时，
混合气体不会发生反应，这是由于单位体积气体分子量太
少，致使发生碰撞的机会大大减少，突破了临界值，所以
不能发生反应-o 。
2．3 初始温度对爆燃特性的影响
为了研究管道内混合气体初始温度对爆燃特性的影响，
向腔体内充人不同初始温度的混合气体。向腔体内充人瓦
斯浓度为9％ 、压力保持常压，充入温度分别为100~C和
20o℃混合气体后，打开点火器，并采集腔体内的反应参
数。经过计算，绘出三种不同初始温度下火焰传播速度与
长径比的关系，如图6所示。不同初始温度下，峰值超压
与长径比的关系。如图7所示。
图6 不同初始温度下火焰传播速度与长径比的关系
通过图6可以看出，火焰传播速度随着初始温度的增
大而增大，不同初始温度下，火焰传播速度都随着长径比
的增大而先增大后减少。混合气体初始温度越大，起始火
焰传播速度也越大，所能达到的最大火焰传播速度也越大。
如当混合气体初始温度为200~C时，起始火焰传播速度可达
44．8m／s，火焰传播速度最大可达50．1m／s；当混合气体初
始温度降低到100~C时，初始火焰传播速度下降到35．1m／s，
最大火焰传播速度也下降到43．8 m／s。这是因为混合气体
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长径比(L／D)I
图7 不同初始压力下峰值超压与长径比的关系
初始温度愈高，分子颗粒所具有的动能愈大，分子问碰撞
的几率增大，发生有效碰撞的次数会增加，所以能增大反
应速率 J。
通过图7可知，峰值超压随着初始温度的增大而增大，
不同初始温度下，峰值超压都随着长径比的增大而增大。
如混合气体初始温度为l5℃ 时，最小峰值超压仅为
0．19MPa，最大峰值超压也仅为0．23MPa；当混合气体初始
温度增大到200~C时，最大峰值超压可达0．38MPa，最小峰
值超压也可达0．25MPa，远大于混合气体初始温度为l5
时的峰值超压值。这是因为初始温度愈大，根据反应速率k
=Ze 可知，反应速度愈快，单位时间产生的热量也愈
多，且没有及时散热，所以能产生能量更为大的前驱压
力波。
3 结语
通过一系列实验研究了低浓度瓦斯爆燃特性和不同初
始压力、初始温度对瓦斯爆燃特性的影响。结果表明：封
闭管道内瓦斯爆燃后，火焰传播速度随着长径比的增大而
先增大后降低；峰值超压随着长径比的增大而增大。火焰
传播速度随着初始压力和初始温度的增大而增大，峰值超
压随着初始压力和初始温度的增大而增大。
参考文献：
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