2024年5月26日发(作者：雪玉轩)
第１０卷第２期
２０１４年２月
中国安全生产科学技术
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖ０１．１０ Ｎｏ．２
Ｆｅｂ．２０１４
文章编号：１６７３—１９３Ｘ（２０１４）一０２—００２８—０５
障碍物对瓦斯爆炸冲击波影响研究
蔺照东 ，李如江 ，刘恩良 ，陈 兴 ，汪 亮
（１．中北大学化工与环境学院，山西太原０３００５１；２．航天科工六院４１所，内蒙古呼和浩特０１００１０）
摘要：为研究障碍物对瓦斯爆炸冲击波传播规律的影响，利用水平管道式气体——粉尘爆炸实
验装置，测试并分析障碍物数量、尺寸和壁面粗糙程度对瓦斯爆炸冲击波超压、冲击波传播规律的
影响。结果表明：障碍物对瓦斯爆炸过程中冲击波传播规律具有重要影响。障碍物存在时，改变
了爆炸冲击波的传播规律，提高了冲击波超压的最大峰值压力，且随着障碍物数量和尺寸的增加，
这种激励作用越明显。随着壁面粗糙程度的增大，瓦斯爆炸冲击波超压明显增大。研究结果对井
下巷道瓦斯爆炸冲击波的防治具有一定的指导意义。
关键词：障碍物；瓦斯爆炸；冲击波；超压
中图分类号： 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．１１７３１／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３．１９３ｘ．２０１４．０２．００５
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ｔｏ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｏｆ ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ
ＬＩＮ Ｚｈａｏ—ｄｏｎｇ ，ＬＩ Ｒｕ－ｊｉａｎｇ ，ＬＩＵ Ｅｎ—ｌｉａｎｇ ，ＣＨＥＮ Ｘｉｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｌｉａｎｇ
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ ＣｈｅｍｉｃＭ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｓｈａｎｘｉ ０３００５ １，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｔｈｅ Ｓｉｘ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｇｒｏｕｐ４１，Ｈｕｈｅｈａｏｔｅ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ ０１００１０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ
ｎｕｍｂｅｒ，ｓｉｚｅ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏａｒｓｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｓｈｏｃｋ
ｗａｖｅ ｗｅｒｅ ｔｅｓｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｇａｓ—ｄｕｓｔ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ
ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ｈａｖｅ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ．Ｏｂｓｔａｃｌｅｓ
ｃａｎ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｅａｋ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ
ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ．ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｃｅｎｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｍｏｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｏｆ ０ｂ—
ｓｔａｃｌｅｓ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏａｒｓｅ ｄｅｇｒｅｅ，ｔｈｅ ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ
ｈａｖｅ ｃｅｒｔａｉｎ ｇｕｉｄｉｎｇ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｉｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｒｏａｄ—
ｗａｙ・
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｂｓｔａｃｌｅｓ；ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ；ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ
事故。新中国成立以来发生的２７起煤矿一次死亡
０ 引言
在我国的煤矿生产中，各种事故层出不穷，但发
生的许多特别重大伤亡事故基本上都属于瓦斯爆炸
百人以上的特别重大事故中，与瓦斯有关的事故１９
起，占事故总数的７０％，死亡人数占总死亡人数的
８３％。矿井瓦斯爆炸事故已成为危害人类生产生活
的一类重要事故，它造成了惨重的人身伤亡和财产
损失。煤矿瓦斯爆炸事故的频频发生，暴露出许多
亟待研究的重大理论和技术问题¨ 。因此对瓦斯
爆炸的深人研究迫在眉睫，特别是障碍物对瓦斯爆
收稿日期：２０１３—０８—１８
第２期 中国安全生产科学技术 ・２９・
炸特征的影响的研究仍然具有十分重要的意义。
近年来，很多学者对瓦斯爆炸影响因素进行了
大量的实验研究 一 。大量实验研究和瓦斯爆炸事
故灾后调查表明，障碍物对瓦斯爆炸特征具有重要
影响。林柏泉运用试验管道研究了障碍物对瓦斯爆
炸过程中火焰和爆炸波的影响，分析结果表明障碍
变化特征进行研究，首先必须要建立实验装置。目
前，国内外对瓦斯爆炸冲击波传播特性的研究较多，
但大部分都是运用数值模拟进行的，而对在内壁粗
糙的水平钢管中研究较少。本实验装置为水平钢管
密闭式容器，水平管道内径为１３９ｍｍ，壁厚ｌＯｍｍ，
管道共由６段组成，三段２０００ｒａｍ、二段ｌＯ００ｍｍ和
一
物的存在增加了火焰传播速度，使爆炸波传播曲线
变化幅度增大，并可能产生激波 ；王志青利用水
平管道研究了障碍物形状对瓦斯爆炸的影响，结果
表明条形障碍物对瓦斯爆炸压力影响最大 ；侯万
兵研究了障碍物影响下瓦斯爆炸压力传播规律¨…。
本文运用实验室改进的自制水平管道式气体爆
炸测试装置，研究障碍物对瓦斯爆炸过程中冲击波
超压和冲击波传播规律的影响，以期丰富瓦斯爆炸
传播理论，对煤矿瓦斯爆炸灾害的预防和控制有所
帮助。
段７５０ｒａｍ，各段之间由法兰连接，管道总长度为
９７００ｍｍ，总管道长径比为７０。与主体管道相配的
有动态数据采集系统、压力测量系统、点火系统和配
气系统。水平管道式实验装置示意图如图ｌ所示。
实验时，先在水平实验管道内不同位置安装五
个传感器，传感器的位置距离点火端分别为
５６０ｍｍ、２２００ｍ、４５００ｍ、６７００ｍ、８９００ｍ，分别对应于
长径比为４、１６、３２、４８、６４处；配置浓度为１０％的甲
烷气体冲入水平实验管道内；障碍物放置在第一段
管道和第二段管道之间的法兰连接处，多片障碍物
之间用螺杆链接，每片障碍物之间的间距为
１４０ｍｍ；然后调试动态数据采集分析系统，根据需要
１ 实验装置及方法
为了对瓦斯爆炸时冲击波超压和冲击波传播规
律进行研究，特别是对障碍物存在条件下的冲击波
设定对应的采样率和相关参数，使之处于自动采集
状态；最后利用高压互感试点火系统点火起爆，测定
瓦斯爆炸过程中的相关参数。
图１实验装置示意图
冲击波超压和冲击波传播规律具有重要的影响。
２实验结果与分析
为了研究瓦斯爆炸过程中冲击波超压和冲击波
２．１ 壁面粗糙程度对瓦斯爆炸冲击波超压的影响
传播规律，在水平管道中进行了空管实验和加障碍
物的实验研究，结果表明障碍物对瓦斯爆炸过程中
本文分别采用光滑壁面水平管道和粗糙壁面水
平管道进行试验，实验结果如表１所示，实验结果为
五次实验的平均值。
・
３０・ 中国安全生产科学技术 第１０卷
表１ 壁面状态对瓦斯爆炸冲击波超压的影响
由表１可知壁面粗糙度对瓦斯爆炸冲击波超压
有明显的影响。在４倍长径比处，粗糙空管中冲击
波超压比光滑管道中冲击波超压增加了２．４倍，随
着瓦斯爆炸过程的进行，距离点火端越远冲击波超
压不断增大，与光滑空管相比，粗糙壁面的冲击波超
压增长幅度也越来越大。在６４倍长径比处，各状态
下冲击波超压均达到峰值，粗糙空管冲击波超压为
０．５２９０ＭＰａ，是光滑空管的６．０倍。文献［１１］表明
壁面粗糙度对瓦斯爆炸过程的影响很大，并分析了
壁面粗糙度对火焰传播的影响。文献［１２］指出粗
糙管道的火焰速度和超压比光滑管道均有大幅度提
高，并得出不同粗糙度时火焰速度峰值和超压峰值
变化规律。
２．２ 障碍物数量对瓦斯爆炸冲击波超压的影响
为了研究障碍物数量对瓦斯爆炸压力的影响，
本文做了无障碍物实验和障碍物数量分别为０、１、
２、４、６的实验，实验结果如表２所示，峰值超压为五
次实验的平均值，瓦斯爆炸冲击波超压变化曲线图
如图２所示。
室
蹬
图２瓦斯爆炸冲击波超压变化曲线图
由表２可知，瓦斯爆炸峰值超压距离点火端越
远压力越大，在管道末端处达到最大值。障碍物数
量对瓦斯爆炸冲击波超压具有重要影响，无障碍物
时，最大爆炸压力达到０．５２９０ＭＰａ；当放置障碍物
时，最大爆炸压力达到１．２５６ＭＰａ。由图１可以看
出，无障碍物时，管道内爆炸压力随着长径比的增加
而增大，但压力增加缓慢，在长径比为６４时达到最
大；当放置障碍物时，各测点最大爆炸压力增加迅
速，且随着障碍物数量的增加，这种增加效果越明
显，特别是障碍物数量为６时，在长径比为６４处，最
大爆炸压力达到了１．２ＭＰａ以上，比无障碍物时增
加了２．４倍。
表２瓦斯爆炸过程中冲击波超压的测定结果
２．３ 障碍物尺寸对瓦斯爆炸冲击波超压的影响
为了研究障碍物尺寸对瓦斯爆炸压力的影响，
本文做了障碍物数量为２，长宽高分别为５０ｒａｍ×
３０ｒａｍ×５ｍｍ、７０ｒａｍ×５０ｍｍ Ｘ５ｍｍ、９０ｒａｍ×７０ｒａｍ×
５ｍｍ三种尺寸的障碍物，实验结果如表２所示，冲
击波超压为五次实验的平均值。
由表３可知，在障碍物数量相同的情况下，不同
尺寸障碍物对瓦斯爆炸冲击波超压影响不同，随着
障碍物尺寸的增加，冲击波超压逐渐增大；相同尺寸
障碍物，随着长径比的增大，最大爆炸压力呈现增加
的趋势；相同长径比处，随着障碍物尺寸的增大，最
大爆炸压力逐渐增大，但增加的幅度不大。
第２期 中国安全生产科学技术 ・３ｌ・
一 ｓ．县＼ 燃
表３ 障碍物尺寸对瓦斯爆炸冲击波超压的影响
９０ｍｍ×７０ｍｍ×５ｍｍ ０．２１５２０．３４６５０．４３０７０．７４９５ ０．９５７９
２．４障碍物对瓦斯爆炸冲击波传播规律的影响
表４为瓦斯爆炸过程中冲击波传播速度的测定
参数，图３为障碍物数量为０、２、４、６时瓦斯爆炸冲
击波传播速度曲线。
表４瓦斯爆炸过程中冲击波传播速度的测定参数
图３瓦斯爆炸过程中冲击波传播速度曲线
可以看出：障碍物对瓦斯爆炸过程中冲击波传
播规律具有重要影响。管道中无障碍物时，爆炸波
传播速度变化不大，爆炸冲击波传播速度曲线较为
平缓，但随着长径比的增加爆炸波速逐渐增大，此时
爆炸波以亚音速传播，马赫数Ｍ＜１，没有出现激波
现象；管道中放置障碍物时，障碍物前方探测点爆炸
波速度变化不大，障碍物后方探测点爆炸波传播速
度突然升高，此时爆炸冲击波传播速度曲线变化明
显，且随着障碍物数量的增加变化越明显，在１６倍
长径比处，马赫数Ｍ＞１，即产生了激波，此时爆炸波
演变为冲击波，爆炸波以超音速传播，且障碍物数量
为６时，在６４倍长径比处，冲击波速度达到１０９６
ｍ／ｓｎ
３结论
（１）壁面粗糙程度对瓦斯爆炸冲击波超压具有
重要影响，光滑管道中冲击波超压变化不大，粗糙管
道中冲击波超压随着长径比的增加而明显增大。
（２）障碍物对瓦斯爆炸冲击波超压具有重要影
响。无障碍物时，瓦斯爆炸冲击波超压增长缓慢，放
置障碍物后，瓦斯爆炸冲击波超压突然增大，且随着
障碍物数量的增加，峰值超压增长越快，在障碍物数
量为６，６４倍长径比处，冲击波超压为１．２５６１ＭＰａ。
（３）障碍物尺寸对瓦斯爆炸冲击波超压具有重
要影响，随着障碍物尺寸的增加冲击波超压逐渐
增大。
（４）障碍物对瓦斯爆炸冲击波传播规律具有重
要影响。管道中无障碍物时，爆炸波传播速度变化
不大，且随着长径比的增加爆炸波速逐渐增大，但马
赫数Ｍ＜１，没有出现激波现象；管道中放置障碍物
时，瓦斯爆炸过程中爆炸波传播速度突然升高，在
１６倍长径比处马赫数Ｍ＞１，即产生了激波，在障碍
物数量为６，６４倍长径比处，冲击波速度达到１０９６
ｍ／ｓ。
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３２・ 中国安全生产科学技术 第ｌ０卷
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关键词：障碍物；瓦斯爆炸；冲击波；超压
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２．Ｔｈｅ Ｓｉｘ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｇｒｏｕｐ４１，Ｈｕｈｅｈａｏｔｅ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ ０１００１０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ
ｎｕｍｂｅｒ，ｓｉｚｅ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏａｒｓｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｓｈｏｃｋ
ｗａｖｅ ｗｅｒｅ ｔｅｓｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｇａｓ—ｄｕｓｔ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ
ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ｈａｖｅ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ．Ｏｂｓｔａｃｌｅｓ
ｃａｎ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｅａｋ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ
ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ．ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｃｅｎｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｍｏｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｏｆ ０ｂ—
ｓｔａｃｌｅｓ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏａｒｓｅ ｄｅｇｒｅｅ，ｔｈｅ ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ
ｈａｖｅ ｃｅｒｔａｉｎ ｇｕｉｄｉｎｇ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｉｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｒｏａｄ—
ｗａｙ・
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｂｓｔａｃｌｅｓ；ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ；ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ
事故。新中国成立以来发生的２７起煤矿一次死亡
０ 引言
在我国的煤矿生产中，各种事故层出不穷，但发
生的许多特别重大伤亡事故基本上都属于瓦斯爆炸
百人以上的特别重大事故中，与瓦斯有关的事故１９
起，占事故总数的７０％，死亡人数占总死亡人数的
８３％。矿井瓦斯爆炸事故已成为危害人类生产生活
的一类重要事故，它造成了惨重的人身伤亡和财产
损失。煤矿瓦斯爆炸事故的频频发生，暴露出许多
亟待研究的重大理论和技术问题¨ 。因此对瓦斯
爆炸的深人研究迫在眉睫，特别是障碍物对瓦斯爆
收稿日期：２０１３—０８—１８
第２期 中国安全生产科学技术 ・２９・
炸特征的影响的研究仍然具有十分重要的意义。
近年来，很多学者对瓦斯爆炸影响因素进行了
大量的实验研究 一 。大量实验研究和瓦斯爆炸事
故灾后调查表明，障碍物对瓦斯爆炸特征具有重要
影响。林柏泉运用试验管道研究了障碍物对瓦斯爆
炸过程中火焰和爆炸波的影响，分析结果表明障碍
变化特征进行研究，首先必须要建立实验装置。目
前，国内外对瓦斯爆炸冲击波传播特性的研究较多，
但大部分都是运用数值模拟进行的，而对在内壁粗
糙的水平钢管中研究较少。本实验装置为水平钢管
密闭式容器，水平管道内径为１３９ｍｍ，壁厚ｌＯｍｍ，
管道共由６段组成，三段２０００ｒａｍ、二段ｌＯ００ｍｍ和
一
物的存在增加了火焰传播速度，使爆炸波传播曲线
变化幅度增大，并可能产生激波 ；王志青利用水
平管道研究了障碍物形状对瓦斯爆炸的影响，结果
表明条形障碍物对瓦斯爆炸压力影响最大 ；侯万
兵研究了障碍物影响下瓦斯爆炸压力传播规律¨…。
本文运用实验室改进的自制水平管道式气体爆
炸测试装置，研究障碍物对瓦斯爆炸过程中冲击波
超压和冲击波传播规律的影响，以期丰富瓦斯爆炸
传播理论，对煤矿瓦斯爆炸灾害的预防和控制有所
帮助。
段７５０ｒａｍ，各段之间由法兰连接，管道总长度为
９７００ｍｍ，总管道长径比为７０。与主体管道相配的
有动态数据采集系统、压力测量系统、点火系统和配
气系统。水平管道式实验装置示意图如图ｌ所示。
实验时，先在水平实验管道内不同位置安装五
个传感器，传感器的位置距离点火端分别为
５６０ｍｍ、２２００ｍ、４５００ｍ、６７００ｍ、８９００ｍ，分别对应于
长径比为４、１６、３２、４８、６４处；配置浓度为１０％的甲
烷气体冲入水平实验管道内；障碍物放置在第一段
管道和第二段管道之间的法兰连接处，多片障碍物
之间用螺杆链接，每片障碍物之间的间距为
１４０ｍｍ；然后调试动态数据采集分析系统，根据需要
１ 实验装置及方法
为了对瓦斯爆炸时冲击波超压和冲击波传播规
律进行研究，特别是对障碍物存在条件下的冲击波
设定对应的采样率和相关参数，使之处于自动采集
状态；最后利用高压互感试点火系统点火起爆，测定
瓦斯爆炸过程中的相关参数。
图１实验装置示意图
冲击波超压和冲击波传播规律具有重要的影响。
２实验结果与分析
为了研究瓦斯爆炸过程中冲击波超压和冲击波
２．１ 壁面粗糙程度对瓦斯爆炸冲击波超压的影响
传播规律，在水平管道中进行了空管实验和加障碍
物的实验研究，结果表明障碍物对瓦斯爆炸过程中
本文分别采用光滑壁面水平管道和粗糙壁面水
平管道进行试验，实验结果如表１所示，实验结果为
五次实验的平均值。
・
３０・ 中国安全生产科学技术 第１０卷
表１ 壁面状态对瓦斯爆炸冲击波超压的影响
由表１可知壁面粗糙度对瓦斯爆炸冲击波超压
有明显的影响。在４倍长径比处，粗糙空管中冲击
波超压比光滑管道中冲击波超压增加了２．４倍，随
着瓦斯爆炸过程的进行，距离点火端越远冲击波超
压不断增大，与光滑空管相比，粗糙壁面的冲击波超
压增长幅度也越来越大。在６４倍长径比处，各状态
下冲击波超压均达到峰值，粗糙空管冲击波超压为
０．５２９０ＭＰａ，是光滑空管的６．０倍。文献［１１］表明
壁面粗糙度对瓦斯爆炸过程的影响很大，并分析了
壁面粗糙度对火焰传播的影响。文献［１２］指出粗
糙管道的火焰速度和超压比光滑管道均有大幅度提
高，并得出不同粗糙度时火焰速度峰值和超压峰值
变化规律。
２．２ 障碍物数量对瓦斯爆炸冲击波超压的影响
为了研究障碍物数量对瓦斯爆炸压力的影响，
本文做了无障碍物实验和障碍物数量分别为０、１、
２、４、６的实验，实验结果如表２所示，峰值超压为五
次实验的平均值，瓦斯爆炸冲击波超压变化曲线图
如图２所示。
室
蹬
图２瓦斯爆炸冲击波超压变化曲线图
由表２可知，瓦斯爆炸峰值超压距离点火端越
远压力越大，在管道末端处达到最大值。障碍物数
量对瓦斯爆炸冲击波超压具有重要影响，无障碍物
时，最大爆炸压力达到０．５２９０ＭＰａ；当放置障碍物
时，最大爆炸压力达到１．２５６ＭＰａ。由图１可以看
出，无障碍物时，管道内爆炸压力随着长径比的增加
而增大，但压力增加缓慢，在长径比为６４时达到最
大；当放置障碍物时，各测点最大爆炸压力增加迅
速，且随着障碍物数量的增加，这种增加效果越明
显，特别是障碍物数量为６时，在长径比为６４处，最
大爆炸压力达到了１．２ＭＰａ以上，比无障碍物时增
加了２．４倍。
表２瓦斯爆炸过程中冲击波超压的测定结果
２．３ 障碍物尺寸对瓦斯爆炸冲击波超压的影响
为了研究障碍物尺寸对瓦斯爆炸压力的影响，
本文做了障碍物数量为２，长宽高分别为５０ｒａｍ×
３０ｒａｍ×５ｍｍ、７０ｒａｍ×５０ｍｍ Ｘ５ｍｍ、９０ｒａｍ×７０ｒａｍ×
５ｍｍ三种尺寸的障碍物，实验结果如表２所示，冲
击波超压为五次实验的平均值。
由表３可知，在障碍物数量相同的情况下，不同
尺寸障碍物对瓦斯爆炸冲击波超压影响不同，随着
障碍物尺寸的增加，冲击波超压逐渐增大；相同尺寸
障碍物，随着长径比的增大，最大爆炸压力呈现增加
的趋势；相同长径比处，随着障碍物尺寸的增大，最
大爆炸压力逐渐增大，但增加的幅度不大。
第２期 中国安全生产科学技术 ・３ｌ・
一 ｓ．县＼ 燃
表３ 障碍物尺寸对瓦斯爆炸冲击波超压的影响
９０ｍｍ×７０ｍｍ×５ｍｍ ０．２１５２０．３４６５０．４３０７０．７４９５ ０．９５７９
２．４障碍物对瓦斯爆炸冲击波传播规律的影响
表４为瓦斯爆炸过程中冲击波传播速度的测定
参数，图３为障碍物数量为０、２、４、６时瓦斯爆炸冲
击波传播速度曲线。
表４瓦斯爆炸过程中冲击波传播速度的测定参数
图３瓦斯爆炸过程中冲击波传播速度曲线
可以看出：障碍物对瓦斯爆炸过程中冲击波传
播规律具有重要影响。管道中无障碍物时，爆炸波
传播速度变化不大，爆炸冲击波传播速度曲线较为
平缓，但随着长径比的增加爆炸波速逐渐增大，此时
爆炸波以亚音速传播，马赫数Ｍ＜１，没有出现激波
现象；管道中放置障碍物时，障碍物前方探测点爆炸
波速度变化不大，障碍物后方探测点爆炸波传播速
度突然升高，此时爆炸冲击波传播速度曲线变化明
显，且随着障碍物数量的增加变化越明显，在１６倍
长径比处，马赫数Ｍ＞１，即产生了激波，此时爆炸波
演变为冲击波，爆炸波以超音速传播，且障碍物数量
为６时，在６４倍长径比处，冲击波速度达到１０９６
ｍ／ｓｎ
３结论
（１）壁面粗糙程度对瓦斯爆炸冲击波超压具有
重要影响，光滑管道中冲击波超压变化不大，粗糙管
道中冲击波超压随着长径比的增加而明显增大。
（２）障碍物对瓦斯爆炸冲击波超压具有重要影
响。无障碍物时，瓦斯爆炸冲击波超压增长缓慢，放
置障碍物后，瓦斯爆炸冲击波超压突然增大，且随着
障碍物数量的增加，峰值超压增长越快，在障碍物数
量为６，６４倍长径比处，冲击波超压为１．２５６１ＭＰａ。
（３）障碍物尺寸对瓦斯爆炸冲击波超压具有重
要影响，随着障碍物尺寸的增加冲击波超压逐渐
增大。
（４）障碍物对瓦斯爆炸冲击波传播规律具有重
要影响。管道中无障碍物时，爆炸波传播速度变化
不大，且随着长径比的增加爆炸波速逐渐增大，但马
赫数Ｍ＜１，没有出现激波现象；管道中放置障碍物
时，瓦斯爆炸过程中爆炸波传播速度突然升高，在
１６倍长径比处马赫数Ｍ＞１，即产生了激波，在障碍
物数量为６，６４倍长径比处，冲击波速度达到１０９６
ｍ／ｓ。
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