高压物理学报Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．４ 第２９卷 第４期
if i let you go ２０１５年８月ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＩＧＨ ＰＲＥＳＳＵＲＥ ＰＨＹＳＩＣＳ Ａｕｇ．，２０１５ 文章编号：１０００－５７７３（２０１５）０４－０３０７－０６
环境湿度对瓦斯爆炸特性的影响＊
刘 丹１，２，司荣军１，２，李润之１，２me and you 歌词
（１．中煤科工集团重庆研究院有限公司火灾爆炸防治研究分院，重庆 ４０００３７；
２．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 ４０００３７）
摘要：为了解煤矿井下气体爆炸作用的规律，实验研究了不同环境湿度条件下的气体爆
炸极限和爆炸压力，分析了水蒸气组分对瓦斯爆炸压力的抑制作用。研究结果表明：预混气体
由干燥向水蒸气饱和状态转变时，瓦斯爆炸下限上升０．１１％，爆炸上限下降０．３１％，爆炸极限
范围缩小，相应的最大爆炸压力和最大压力上升速率分别由０．８０２ＭＰａ和２３．３８ＭＰａ／ｓ衰减
到０．７４６ＭＰａ和１８．５９ＭＰａ／ｓ，预混气体中的水蒸气起到抑制瓦斯爆炸的作用效果。
关键词：瓦斯爆炸；环境湿度；水蒸气；爆炸极限；爆炸压力
中图分类号：Ｏ３８３；Ｘ９３２ 文献标志码：Ａ
ｄｏｉ：１０．１１８５８／ｇｙｗｌｘｂ．２０１５．０４．０１１
１ 引 言
湿度是指在一定的温度条件下一定体积的气体中含有的水蒸气含量，是衡量气体干燥程度的重要物理量。具有一定湿度的瓦斯气体在煤层气抽采、井下气体等工艺作业过程中广泛存在，其水蒸气的含量往往接近饱和状态，相应组分的分布情况比甲烷－空气混合物更加复杂，影响爆炸特性的因素也更加难以确定。迄今为止，与环境湿度相关的气体爆炸现象未引起足够的重视，湿度对瓦斯爆炸特性的影响未得到充分研究。
水雾和水蒸气是抑制瓦斯爆炸的两类重要抑爆介质形式。关于水雾／水蒸气对气体爆炸的影响，在爆炸传播规律及气体爆炸特性的研究中有所涉及。李成兵［１］、余明高［２］、刘癶亚［３－４］等人报道了水雾对可燃气体（瓦斯）爆炸传播规律的影响及其自发光光谱特性的一些规律性结果，并推广到水雾抑爆技术。这类爆炸性物质是气－液两相混合物，机理上涉及更加复杂的液滴破碎、汽化
吸热等问题。水蒸气在自然环境中时刻存在，若预混气体中水蒸气处于未饱和状态，则属于典型的纯气相爆炸问题，可以用气体爆炸相关分析方法进行研究。李成兵等人［５］通过加热激波管提升环境温度至３５３Ｋ，研究了体积分数高达４０％的水蒸气对瓦斯爆炸传播的抑制情况；谭汝媚等人［６］对具有不同环境湿度的环氧丙烷蒸气的爆炸极限浓度、火焰温度、爆炸压力及压力上升速率进行了研究。然而，对于自然环境下湿度对瓦斯爆炸特性的影响尚未见有文献报道。
本研究利用气体爆炸特性实验技术，通过调整原料气中水蒸气的含量，配制出具有不同环境湿度的瓦斯气体，进行气体爆炸实验，定量考察环境湿度对井下瓦斯爆炸特性的影响以及水蒸气含量对爆炸的抑制作用。
＊收稿日期：２０１４－０８－１４；修回日期：２０１４－１０－２７
基金项目：国家自然科学基金（５１２７４２３８）；中煤科工集团重庆研究院有限公司自立科研开发项目（２０１４ＹＢＸＭ２７） 作者简介：刘 丹（１９８６－），男，助理研究员，主要从事气体和粉尘爆炸研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｙ＿ｌｉｕｄａｎ＠１６３．ｃｏｍ
２ 实验装置及方法
２．１ 实验装置
嘉纳
图１ 气体爆炸特性测试系统示意图Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｙ
ｓｔｅｍ 实验在气体爆炸特性测试系统内完成。该测试系统为密闭球形实验容器，容积２０Ｌ，主要由爆炸罐体、配气系统、点火系统、控制系统和数据采集系统组成，
图１为测试系统示意图。在爆炸罐体壁面安装高频压力传感器，基本采样频率为２ｋＨｚ；控制系统通过时序电路分别控制配气系统和点火系统，利用无线监控传输器与高频数据采集系统相连，实时记录整个过程的爆炸数据。
实验时，
先通入新鲜空气置换罐体内的残存气体；
然后通入配制的瓦斯气体，与密闭爆炸容器内的空气混合，调整容器内的气体压力至常压水平，计量罐体内气体的相对湿度（显示精
度为０．１％）和瓦斯的体积分数（显示精度为０．０１％）；最后通过点火能量发生器在电极尖端释放指定能量（１０Ｊ，高压持续放电）的电火花，引爆周围瓦斯气体，并由压力传感器实时采集爆炸罐内的压力信号，实现对密闭容器内气体爆炸压力的测量。
２．２ 实验气体的配制
与常规的气体爆炸特性实验相比，
本实验配制的爆炸性气体的湿度必须均匀分布，并且能够准确计量，为此采用如下配制方法： （
１）对于干燥的瓦斯气体，采用高纯甲烷与零级空气在实验罐体内混合，由于原料气的水蒸气含量几乎为零，测试罐内气体的相对湿度小于１５％，故该方法获得的预混气体接近于干燥情况； （
２）对于具有一定湿度的瓦斯气体，首先采用高纯甲烷与自然环境的空气在配气气囊内混合，配制出含有给定水蒸气含量的瓦斯气体，即利用吸附自然空气中的水蒸气，使气囊内的气体湿度与外界环境相同，然后充入爆炸罐体内，形成实验用的预混气体，此时的湿度值接近于环境湿度；对于更高湿度的爆炸性气体，
在湿度气体配制的基础上，采用具有超声雾化单元的湿度发生器产生水蒸气进行气体加湿，并通过循环使罐内气体的环境湿度逐步上升，达到设定的湿度值后停止，从而获得指定高湿度（接近饱和状态）的爆炸性气体。
通过上述方法获得的预混气体的主要成分包括：甲烷、氧气、氮气、各类稀有气体，以及环境湿度条件所带来的水蒸气，各类气相介质混合均匀，甲烷浓度（体积分数）和气体湿度均达到实验准确计
time for miracle量的要求。各组分的体积分数见表１，其中φ为设定的甲烷体积分数，ｐｆ为实验温度条件下的饱和蒸汽压，ｐ０为环境压力，η为相对湿度。实验时，环境温度为２２～２５℃，环境湿度控制在５５％～７０％。由于本实验条件下预混气体中的水蒸气均处于未饱和状态，反应体系内不存在液滴析出造成额外增加的水分子参与爆炸等情况，水蒸气含量趋于稳定，因此属于气相爆炸问题。
表１ 甲烷－空气混合气体中各组分的体积分数
Ｔａｂｌｅ １ Ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐ
ｏｎｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｔｈａｎｅ－ａｉｒ ｍｉｘｔｕｒｅ
bored什么意思
８
０３ 高 压 物 理 学 报 第２
９卷
３ 实验结果与分析
３．１ 爆炸极限
爆炸极限是指给定点火条件下预混气体发生自持爆炸传播的极限浓度，
广泛用于描述气体的爆炸风险。一旦在密闭容器内发生气体爆炸，则化学反应释放的热量将引起气体压力上升，把压力－时间（ｐ－
ｔ）曲线峰值视为气体爆炸的最大爆炸压力。本研究以推测的爆炸极限为基准浓度，通过在基准浓度附近进行一系列气体爆炸实验，
绘制出最大爆炸压力随甲烷浓度变化的拟合曲线（拟合相关系数Ｒ２≥０．９５），将穿过给定阈值（一般取为环境压力的７％，即７ｋＰａ）处的甲烷浓度定义为爆炸极限。表２列出了３组不同环境湿度条件下甲烷的爆炸极限，分别是接近干燥（相对湿度η≤１５％）、接近饱和（η≥９２％）和实验室内环境湿度（η＝（
６３±５）％）。 从表２中可以看出：
在接近干燥的情况下，甲烷的爆炸浓度范围为４．９１％～１４．８６％，而接近饱和湿度时爆炸浓度范围变为５．０２％～１４．５５％，对应的爆炸上限和爆炸下限的变化量分别为０．１１％和０．３１％，
即当预混气体由干燥向饱和状态转变时，瓦斯发生爆炸的浓度范围缩小，相应的爆炸下限同比上升２．２％，而爆炸上限同比下降２．１％。相对于温度和压力等环境因素对爆炸极限的影响［７］
，
未饱和状态的预混可燃气体在由干燥向潮湿转变的过程中，瓦斯爆炸极限变化量对于整个爆炸区间而言相对较小，仅占爆炸区间的２％，可以认为瓦斯的爆炸极限受环境湿度的影响较小。
表２ 爆炸极限测定值Ｔａｂｌｅ ２ Ｅｘｐ
ｌｏｓｉｏｎ ｌｉｍｉｔ ｖａｌｕｅｓＲｅｌａｔｉｖｅ ｈｕｍｉｄｉｔｙ／（％）Ｌｏｗｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｌｉｍｉｔ／（％）Ｕｐｐｅｒ ｅｘｐ
bricks
ｌｏｓｉｏｎ ｌｉｍｉｔ／（％）≤１５ ４．９１ １４．８６６３±５ ４．９７ １４．７１≥９２
５．０２
１４．５５
３．２ 最大爆炸压力和最大压力上升速率
化学反应瞬间释放的大量热量使罐体内的气体急剧膨胀，进而使密闭罐体内气体压力上升，最大爆炸压力（ｐｍ）是ｐ－ｔ曲线中的极大值，对应最强烈燃烧反应的瞬态；最大压力上升速率（ｄｐ／ｄｔ）ｍ是（ｄｐ
／ｄｔ）－ｔ曲线的极大值，对应最快速燃烧反应的瞬态，是衡量化学反应速率的重要参数，与气体燃烧的火焰传播速度相关。图２给出了３组环境湿度条件下最大爆炸压力和最大压力上升速率随甲烷体积分数的变化
。
digit图２ 瓦斯气体爆炸压力特性特征参数变化规律
Ｆｉｇ．２ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｔｈａｎｅ－
ａｉｒ ｍｉｘｔｕｒｅ９
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０３ 第４期 刘 丹等：
环境湿度对瓦斯爆炸特性的影响
对于定容容器内的油性燃烧现象，
反应物组分均存在一个最佳的爆炸浓度，即理论上燃料与氧气完全反应时燃料的体积分数［
７－
８］，一旦反应体系出现缺燃料或缺氧化剂，化学反应将受到抑制。由图２可知：在爆炸极限范围内，最大爆炸压力和最大压力上升速率以最佳爆炸浓度为对称轴呈类抛物线分布，并且在缺氧化剂时，爆炸压力特性随甲烷体积分数的衰减明显快于缺燃料时的情况。
该系列实验反映了不同环境湿度条件下爆炸极限区间内气体爆炸压力特性的变化情况。不同环境
湿度条件下爆炸极限内最大爆炸压力和最大压力上升速率的变化趋势均总体呈现等比例放缩，除图２（ｂ）中最大压力上升速率有明显的峰值外，对应图２（ａ）中的最大爆炸压力在很宽的浓度区间（９％～１１％）内维持在较高的压力水平（不低于最高值的９０％，约为０．７２ＭＰａ）。不同环境湿度条件下压力特性的变化规律在爆炸极限附近的差异性不甚明显，而在最佳爆炸浓度附近的差异性则很显著。其原因在于：水蒸气抑制爆炸的作用机理是惰性水蒸气含量的提升增大了燃料和氧化剂的化学计量比，而实验用预混气体中水蒸气的含量则处于未饱和状态，
主要成分仍是甲烷和空气，水蒸气含量相对较低（体积分数小于５％），抑爆能力相对有限。当甲烷浓度处于最佳爆炸浓度附近时，爆炸处于“强烈”状态，少量水蒸气的混入造成反应体系的燃料／氧化剂失衡，进一步阻碍爆炸的发展，达到的最大爆炸压力相对减小；而当甲烷浓度处于爆炸极限附近时，爆炸处于“微弱”状态，反应体系内自身浓度带来的化学计量比失衡远大于水蒸气带来的作用效果，导致环境湿度对爆炸压力的影响相对有限。
３．３ 水蒸气对瓦斯爆炸的抑制作用何以笙箫默英文插曲
最佳爆炸浓度下的爆炸压力特性特征参数是指，
在相同工况条件下一系列甲烷浓度的预混气体能够达到的爆炸压力的最大值（ｐｍａｘ）和压力上升速率最大值（（ｄｐ／ｄｔ）ｍａｘ），是爆炸压力特性研究中具有代表性的参量。图３给出了３组
环境湿度条件下最佳爆炸浓度（φ＝１０％）的爆炸压力和压力上升速率随时间变化的曲线
。
图３ 最佳爆炸浓度下瓦斯的爆炸压力和压力上升速率曲线
Ｆｉｇ．３ Ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｐ
ｒｅｓｓｕｒｅ ｒｉｓｅ ｒａｔｅ ｕｎｄｅｒ ｏｐｔｉｍｕｍ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ图４ 爆炸压力特性包络曲线
Ｆｉｇ．４ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｎｖｅｌｏｐ
ｅ ｃｕｒｖｅｓ 为分析不同环境湿度下爆炸压力的特性，
引入一种“
爆炸压力特性包络面法”。图４给出了干燥、实验室湿度和高湿度状态下最佳爆炸浓度时的爆炸压力特性包络曲线。从图４中可以看出，随着环境湿度的增大，包络面的形状等比例缩小，与图２得到的“等比例放缩”的变化规律基本一致，并且最大爆炸压力（
对应Ｂ点）和最大压力上升速率（对应Ａ点）降低，空气中的水蒸气对甲烷与氧气的化学反应起到阻碍作用，即对爆炸起到堕化作用。
根据图４中各包络面在横、
纵坐标轴中的峰值，通过计算得到各环境湿度条件下最佳浓度的最大爆炸压力、最大压力上升速率和爆炸指数，结果如表３
０
１３ 高 压 物 理 学 报 第２
９卷
所示，其中爆炸指数ＫＧ与最佳爆炸浓度下的最大压力上升速率（ｄｐ／ｄｔ）ｍａｘ和爆炸罐体积Ｖ成“
三次方定律”
关系［８］
，即ＫＧ＝
ｄｐｄ（）
ｔｍａｘ
Ｖ１／
３（１
） 从表３可以看出：
在干燥环境下，最佳爆炸浓度下的最大爆炸压力和最大压力上升速率分别为０．８０２ＭＰａ和２３．３８ＭＰａ／ｓ
，而在接近饱和湿度条件下，最佳爆炸浓度下的最大爆炸压力和最大压力上升速率分别变为０．７４６ＭＰａ和１８．５９ＭＰａ／ｓ，下降幅度分别达到６．９８％和２０．４８％，间接地说明最佳爆炸浓度下的最大压力上升速率受环境湿度的影响远超过最大爆炸压力，即高环境湿度情况下瓦斯爆炸的压力上升过程明显延长，爆炸产生的动载荷效应大幅度削弱。
表３ 爆炸压力特性实验结果
Ｔａｂｌｅ ３ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｐ
ｒｅｓｓｕｒｅＲｅｌａｔｉｖｅ ｈｕｍｉｄｉｔｙ
／（％）ｐｍａ
ｘ／（ＭＰａ）（ｄｐ
／ｄｔ）ｍａｘ／（ＭＰａ／ｓ）ＫＧ／（ＭＰａ·ｍ／ｓ
）≤１５ ０．８０２ ２３．３８ ６．３４６６３±５ ０．７７５ １９．８９ ５．３９９≥９２
０．７４６
１８．５９
５．０４６
需要指出的是，
本研究认为水蒸气抑爆与工程上普遍采用的水雾抑爆存在着本质的差别。水雾抑爆是以水雾液滴作为抑爆介质分布在爆炸性气体中，其抑制过程涉及液滴破碎吸能、液滴汽化吸能以及惰性组分抑制反应进行等过程，属于气－液两相爆炸问题；水蒸气抑爆属于纯气相爆炸问题，作用机理以水蒸气分子充当惰性介质、阻碍化学反应的进行为基础，是水雾抑爆中一个关键因素，此外水蒸气抑爆时爆炸体系内水分子的含量远低于水雾抑爆情况。本实验中在自然环境条件下未饱和水蒸气仅对爆炸过程的压力特性起到一定的削弱效果，不能完全地抑制瓦斯爆炸的发展，但相关分析方法可推广到超过饱和甚至有液滴析出时多相爆炸问题中的爆炸抑制作用分析。
４ 结 论
（
１）干燥环境下瓦斯气体的爆炸极限为４．９１％～１４．８６％，接近饱和湿度时爆炸极限为５．０２％～１４．５５％，爆炸下限同比上升２．２％，而爆炸上限同比下降２．１％，环境湿度对瓦
斯爆炸极限的影响较小。 （
２）爆炸极限内爆炸压力特性为类抛物线分布，含水蒸气的瓦斯最大爆炸压力和最大压力上升速率由干燥时的０．８０２ＭＰａ和２３．３８ＭＰａ／ｓ下降到接近饱和时的０．７４６ＭＰａ和１８．５９ＭＰａ／ｓ，并且最大压力上升速率受环境湿度的影响远超过最大爆炸压力。
（
３）在自然环境下，水蒸气的混入虽不能显著改变瓦斯的爆炸极限，但却能堕化甲烷与空气的化学反应过程，降低瓦斯爆炸的压力作用特性，起到抑制瓦斯爆炸的效果。
Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ
：［１］ Ｌｉ Ｃ Ｂ，Ｗｕ Ｇ Ｄ，Ｚｈｏｕ Ｎ，ｅｔ ａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍｅｔｈａｎｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｂｙ Ｎ２／ＣＯ２／Ｈ２Ｏ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ－
ｎａｌ ｏｆ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｏｆ Ｃｈｉｎａ，２０１０，４０（３）：２８８－２９３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）李成兵，
吴国栋，周 宁，等．Ｎ２／ＣＯ２／Ｈ２Ｏ抑制甲烷燃烧数值分析［Ｊ］．中国科学技术大学学报，２０１０，４０（３）：２８８－
２９３．［２］ Ｙｕ Ｍ Ｇ，Ａｎ Ａ，Ｙｏｕ Ｈ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｉｎｈｉｂｉｔｉｎｇ ｔｈｅ ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｂｙ ｗａｔｅｒ ｓｐｒａｙ
ｉｎ ｔｕｂｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ
，２０１１，３６（３）：４１７－４２２．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）余明高，安 安，游 浩．细水雾抑制管道瓦斯爆炸的实验研究［Ｊ］．煤炭学报，２０１１，３６（３）：４１７－
４２２．［３］ Ｌｉｕ Ｘ Ｙ，Ｌｕ Ｓ Ｘ，Ｑｉｎ Ｊ，ｅｔ ａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｉｎｈｉｂｉｔｉｎｇ ｔｈｅ ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｆｌａｍｅ ｂｙ
ｗａｔｅｒ ｓｐｒａｙ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＳａｆｅｔｙ
Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｊｏｕｒｎａｌ，２００３，１３（８）：７４－８０．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）１
１３ 第４期 刘 丹等：
bowl是什么意思
环境湿度对瓦斯爆炸特性的影响
