密闭管道内分段分布瓦斯-空气爆炸传播特性及矿井灾害防控研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Explosion propagation characteristics of gas and air under segmented distribution in sealed pipelines

本文通过自主设计的爆炸传播模拟系统，系统研究了密闭管道内瓦斯与空气分段分布条件下的爆炸传播特性。实验揭示了火焰形态演变的四个阶段（球形、指形、平面和郁金香形），并发现空气段长度在0.5-1.5米范围内可延迟反射压力波对火焰的抑制作用。研究为矿井密闭巷道甲烷爆炸风险评估提供了重要参考（如峰值超压与瓦斯浓度在8%-11%范围内的正相关性）。

　　

Highlight

实验系统揭示了分段分布条件下火焰传播的独特动力学行为，为矿井灾害防控提供新见解。

Section snippets

Experimental system

实验系统如图1所示，主要由可视化爆炸管道、高能点火器、高速摄像机、数据采集系统和动态气体混合器组成。可视化爆炸管道包含两个200×200×500毫米和一個200×200×1000毫米的矩形段。高能点火器型号为BWGD-30，点火频率为4–20次/秒且可调节。

Variation in air segment length

图5展示了瓦斯段长度固定为0.5米时，三种空气段长度（0.5米、1.0米和1.5米）下的火焰传播过程。三种工况均呈现高度相似的演化特征：左侧封闭端点火后，火焰因Landau-Darrieus不稳定性（LD instability）和热扩散效应逐渐由球形演化为指形结构。

Flame propagation distance

在充满均匀预混气体的密闭管道爆炸实验中，火焰可连续传播至管道对端（Pan et al., 2020; Xiao et al., 2018）。但瓦斯与空气分段分布时，火焰传播特性显著不同——多数情况下火焰无法到达管道密封端。传播距离受可燃气体总量和压力波反射时序共同调控。

Conclusions

本研究通过实验揭示了密闭管道内瓦斯-空气分段分布条件下的爆炸传播规律，主要结论如下：

(1) 与均匀分布类似，分段分布下火焰仍经历球形、指形、平面和郁金香形（tulip-shaped）四阶段演化；

(2) 当空气段长于瓦斯段时，燃料不足导致火焰无法到达密封端；

(3) 空气段长度在0.5-1.5米范围内增加可延迟反射压力波对火焰的抑制，延长传播距离；

(4) 瓦斯段长度和浓度（8%-11%）增加均通过提升可燃气体总量促进火焰传播，且高浓度（11%）在空气段补氧作用下产生更高峰值超压。