1、Prevention effect of the synergistic ofC6F12O and inert gas on methaneexplosionLU Chang1，2，SU Zhen-guo2，CHEN Shuo2，MENG Qi2，BAN Cheng-wei2，DUAN Zheng2，LIU Jin-gang2，YU Ming-gao3(1 State Collaborative Innovation Center of Coal Work Safety andClean-HighEfficiencyUtilization，HenanPolytechnicUniversity，
2、Jiaozuo 454003，Henan，China;2StateKeyLaboratory Cultivation Bases for Gas Geology and Gas Control，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，Henan，China;3 State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics andControl，Chongqing University，Chongqing 400044，China)Abstract:To investigate the suppressio
3、n ability of C6F12O andinert gas，the effects of C6F12O dosage and CO2，N2pressure onthe flame propagation of gas explosion are observed The resultsshow thatthemethaneexplosioncannotbecompletelysuppressed by the sole spray of CO2or N2under experimentalconditions By the sole spray of C6F12O，the methane
4、 explosioncan be completely suppressed and the flame propagation can beprevented The suppression ability of C6F12O is stronger thanthat of CO2and N2The mixing spray ofC6F12O/CO2orC6F12O/N2is conducive to C6F12O vaporizing completely andimproving its suppression ability In mixing spray of C6F12O/CO2o
5、r C6F12O/N2，the flow speed becomes faster with theincrease of CO2or N2pressure，which will accelerate thedeformation，fragmentation and atomization of C6F12O droplets inthe flow field It is conducive to the rapid vaporization of C6F12Oand rapid absorption of a large amount of heat The explosion issupp
6、ressed by gas state C6F12O more efficiently than by miststate C6F12O in experimentsWhen mixed with N2，theminimum amount of C6F12O required to prevent the explosiondecreased from 23mL to 17mL，with a maximum decrease of26.1%When mixed with CO2，the minimum amount of C6F12Orequired to prevent the explos
7、ion decreases from 23mL to 5mL，with a maximum decrease of 78.3%The mixing spray ofC6F12O/CO2shows a stronger inhibition ability than that of C6F12O/N2 The physical inhibition mechanism of C6F12O/CO2includesthedilutioneffectandtheheatabsorptionbyvaporization The chemical inhibition mechanism of C6F12
8、O isthat the free radical F produced by C6F12O will react with thefuel radical before the radical O is produced by oxygen Theoxidation chain reaction is inhibitedCO2，as a third body，preferentially blocks the exothermic reaction of radical OHTherefore，C6F12O and CO2have a good synergistic andcompleme
9、ntary relationshipininhibitingandblockingthemethane/air chain reactionKey words:safety engineering;methane;C6F12O;carbondioxide;explosion prevention;explosion suppressionmechanism文章编号:1009-6094(2023)04-1123-07气爆危害对深隧竖井折板荷载的影响分析*杨庆华1，陈峰1，2，杨乾1，3，牛丙坤1(1 西南交通大学土木工程学院，成都 610031;2 江苏新慧恒工程项目咨询有限公司，江苏无锡 21
10、4071;3 中国五冶集团有限公司，成都 610063)摘要:深层隧道排水系统中的气爆危害将使竖井折板承受巨大的反向冲击荷载，严重威胁结构安全。为研究其荷载变化趋势，开展了长度比尺为 1 50 的气爆模型水力试验，分析进气压、进气量、初始水深和联络管接入方式等关键因素的取值变化对冲击荷载的影响。结果表明:气爆对折板的反向冲击荷载可达正向水动力荷载的 20 倍以上且与进气压和进气量均呈正相关;当竖井内自由液面“紧邻”折板且联络管接入干区时，折板将大概率承受较大的冲击荷载。在试验研究基础上，分别拟合出了联络管接入湿区和干区时的最大冲击荷载预测式。研究成果可为折板型竖井正常安全运行以及结构设计优化提
11、供技术支撑和理论指导。关键词:安全工程;深层隧道排水系统;气爆危害;折板型竖井;冲击荷载;模型试验;气液两相流中图分类号:X959文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.2227*收稿日期:2021 12 09作者简介:杨庆华，副教授，博士，从事流体力学研究，qhyang home swjtu edu cn。0引言深层隧道排水系统是解决城市内涝灾害、消除溢流污染的重要途径，其主隧道的埋深通常可达地下 30 50 m 或更深，深隧竖井则是负责将地表雨污水输送至地下主隧道内的结构。为避免结构破坏，深隧竖井需对大流量、高落差的水流进行消能，常见的消能竖井结
12、构形式有旋流式、折板型、螺旋阶梯式和螺旋坡道式 4 种，其中折板型竖井因结构简单、适用性强、消能效果显著等特点被广泛应用1。当深隧竖井正常泄流工作时，雨污水在竖井内自上而下流动。然而在强降雨条件下，深隧系统中雨水快速填充，过程中挟带大量空气进入主隧道形成截留气团，截留气团跟随主隧道中水体一同朝下游移动，期间由于上游的挤压和下游的回流，截留气团的压力不断增强，当高压截留气团到达下游竖井时迅速释放并带动竖井内的水流向外喷出，引发严3211第 23 卷第 4 期2023 年 4 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 4Apr，2
13、023重的气爆危害2。对于气爆问题的研究起步于 20世纪 80 年代，Guo 等3 4 针对美国芝加哥 TAP 深隧工程的气爆问题进行研究，用传统的单相水流压差理论解释气爆产生机理。然而在 2003 年，Wright等5 却发现水流喷射高度远远大于竖井底部的压力水头，用单相流理论解释气爆问题并不合理，并指出应从两相流、气液相互作用的角度考虑相关问题，为后续气爆问题的研究奠定了基础。Vasconcelos 等6 在实验室中以 1 50 的比例构建了简化物理模型来模拟气爆，引入了“空气楔”“空气增压”的概念，并指出几何形状和入流速度是影响空气截留的关键因素。Leon7 在竖井充满水的前提下，通过大
14、模型水力试验模拟出喷射高度与实际观测值相吻合的气爆现象，将气爆过程细分为 6 个阶段，并推导出无量纲最大气爆高度预测式。王建平等8 基于东濠涌试验段建立了深隧整体物理模型，模拟分析深隧运行中的排气、涌浪等水力问题，并指出折板型竖井在工程运行期间产生气爆强度较弱。目前，对于气爆问题的研究以揭示气爆过程中气液相互作用机理为主，针对过程中竖井结构受荷情况的研究还未有之。折板型竖井被中隔板分为干、湿 2区，湿区交错布置大量折板，尽管该结构对气爆的喷发具有较强的抑制作用 9，但折板同时承受高强度的反向冲击荷载，导致严重的结构安全隐患。本文在开展气爆模型水力试验的基础上，研究气爆危害对竖井折板荷载的影响，
15、以期为折板型竖井正常安全运行及结构设计优化提供技术支撑和理论指导。1试验模型设计1.1模型比尺设计试验采用重力相似准则(弗劳德相似准则)进行模型设计10 vg槡L=1(1)式中v为速度比尺;g为重力加速度比尺，取 1;L为长度比尺。折板型竖井结构原型由文献 11 提出，竖井原型的直径、埋深和折板间距分别为 10 m、60 m 和4.85 m，考虑到西南交通大学流体力学实验室实际场地面积及便于观测等因素，选取长度比尺 L=50，最终得到原型和模型之间对应的各物理量的比尺关系见表 1，p为压力比尺，t为时间比尺，F为力比尺。1.2试验模型如图 1(a)所示，试验模型由折板型竖井主体以及进气管段 2
16、 个部分组成。竖井主体部分包括高 H=1200 mm、直径 =200 mm 的圆筒形井身，位于1/2 处的可拆卸中隔板以及长 300 mm、直径 50mm 的联络管。中隔板将竖井分为干、湿 2 区，湿区内中隔板上按等间距排列有折板，通过调转中隔板方向可实现对联络管接入方式的改变，整个竖井主体部分采用有机玻璃制作。进气管段部分由 3 段长500 mm、直径 50 mm 的钢管以及 3 个控制气体释放的球阀组成，其中每一段钢管靠近竖井一端装有气阀，由此实现对进气压和进气量的控制。竖井主体与进气管段间由长 300 mm 的金属软管连接。图 1(c)中 p0为进气压，V 为进气量，h0为初始水深。1.3监测内容采用威克士 WX092 大功率高压数显气泵(工作压力 0 1.0 MPa，误差 0.5%)对气体加压;采用欧陆达 AT8106 测力传感器(量程 0 500 N，误差0.2%，频率 10 Hz，厚度 1.2 cm)采集冲击力数据，测点布置如图 1(b)所示。试验流程如下:先向竖井中加水至指定初始水深，再用可预先设置压力的气泵向金属进气管中打气加压至指定压力;打开数据采集系统，全速打开球阀