CN107780967A - 多层泡沫铁镍金属材料在阻抑瓦斯爆炸中的应用 - Google Patents
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Abstract
多层泡沫铁镍金属材料在阻抑瓦斯爆炸中的应用，本发明涉及多层泡沫铁镍金属材料的应用。本发明的目的是提供多层泡沫铁镍金属材料在阻抑瓦斯爆炸中的应用，以探究多层泡沫铁镍金属材料对瓦斯爆炸的阻隔和抑制情况。方法：将2～3层泡沫铁镍金属材料间隔放置，相邻两层泡沫铁镍金属材料之间的距离为5～20cm，每层泡沫铁镍金属材料的厚度为2～3cm，靠近起爆点一侧的泡沫铁镍金属材料的孔径率为20～30PPI，其余的泡沫铁镍金属材料的孔径率为10～30PPI。本发明应用于瓦斯爆炸阻隔爆领域。
Description
技术领域
本发明涉及多层泡沫铁镍金属材料的应用。
背景技术
煤炭作为我国的主体能源，在一次能源结构中占70％左右。在未来相当长时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改变。煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。
我国每年生产的煤炭有90％以上为地下井工开采，并且随着矿山生产周期的增加，生产矿井的平均开采深度已基本接近500m，并每年以20m的速度向更深层组延伸。地下煤层赋存条件及矿井开采条件复杂，加之煤炭开采深度和生产能力的增加，煤炭生产的安全形势不容乐观，近十年来重特大事故频发，煤炭的安全高效生产已经提到国家战略规划的日程中来。
我国现有重点煤矿724处，其中高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占其中的40％以上，随开采深度的增加，因煤层受地质构造和采动影响较小，因此矿井瓦斯涌出量为增加的趋势，高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井的数量依旧会增加，因此矿井发生瓦斯事故，尤其是发生瓦斯爆炸事故的危险性大大增加。因此对于矿井瓦斯灾害防治的研究有着重要的实际意义。
瓦斯是煤的伴生气体，主要成分为甲烷，在煤炭采掘中伴随着瓦斯气的释放，涌入井内巷道。发生在煤矿巷道中的瓦斯爆炸，因其主要参加爆炸的瓦斯和氧气受到巷道壁的约束，该爆炸反应传播速度呈连续加速的状态。如果参加爆炸反应的物质足够多，在经过足够长的传播后，就能产生爆轰现象，此时瓦斯爆炸冲击波的高压和燃烧的高温共同作用于巷道内的人员和设备，其带来的危害是毁灭性和不可恢复性的。
瓦斯爆炸波在煤矿巷道内将沉积在底部的煤尘或瓦斯、煤尘混合物点燃而引发二次爆炸，且瓦斯爆炸波在传播过程中遇到风门或密闭墙，冲破后会产生激波，更容易引起二次爆炸。因此，瓦斯二次爆炸往往带来更大的灾害。如何在阻隔瓦斯爆炸的同时防止二次爆炸的发生，越来越受到重视。
当井下巷道内有煤尘积存时，因瓦斯爆炸传播，煤尘会被冲击波二次扬起，并在火焰燃烧的作用下引燃，而引起井下二次或连续爆炸，且煤尘爆炸对井下有限空间内的氧气的消耗量巨大，并因其不完全反应产生的大量一氧化碳气体。而在井下巷道随风流扩散的一氧化碳气体，是造成矿井瓦斯煤尘爆炸后大面积的伤亡和延误最佳井下救援时间的主要因素。因此瓦斯爆炸时如何将损害降到最低，是亟需探讨的课题。
发明内容
本发明的目的是提供多层泡沫铁镍金属材料在阻抑瓦斯爆炸中的应用，以探究多层泡沫铁镍金属材料对瓦斯爆炸的阻隔和抑制情况。
本发明多层泡沫铁镍金属材料在阻抑瓦斯爆炸中的应用，具体方法如下：
将2～3层泡沫铁镍金属材料间隔放置，相邻两层泡沫铁镍金属材料之间的距离为5～20cm，每层泡沫铁镍金属材料的厚度为2～3cm，靠近起爆点一侧的泡沫铁镍金属材料的孔径率为20～30PPI，其余的泡沫铁镍金属材料的孔径率为10～30PPI。
进一步的，所述泡沫铁镍金属材料按重量百分含量是由10％～30％的镍和70％～90％的铁组成，通孔率为80％～90％。
本发明的有益效果：
目前已证实单层多孔泡沫铁镍金属材料能够阻抑瓦斯爆炸，因此人们会误认为多层泡沫铁镍金属材料自然也可阻抑瓦斯爆炸，而且阻抑瓦斯爆炸效果更佳。然而，在巷道这样封闭、高压的环境中，每多增加一层泡沫铁镍金属材料，实际上就相当于增加一个障碍物，进而增加瓦斯爆炸超压及火焰传播速度。目前已有很多文献证明这一点，例如张莉聪等研究了瓦斯爆炸的火焰在无障碍物的条件下加速较小，在有障碍物条件下，火焰的传播速度通过屏障增加。王晨等结合实验研究表明，当管道内存在障碍物时，爆燃波反复反射，可燃气体混合物完全压缩，温度和压力升高，火焰强度增强。因此并非多层泡沫金属材料就能取得较好的阻抑效果，多层泡沫金属材料在增加阻抑效果正作用的同时也起到了障碍物的反作用，并不是泡沫铁镍金属材料的厚度大、层数多、孔径率大，阻抑瓦斯爆炸的效果就好。增加层数后多孔泡沫铁镍金属阻抑瓦斯爆炸的效果以及多层泡沫铁镍金属层数、参数和距离对阻抑瓦斯爆炸效果的影响都需要通过实验证实。
本发明通过大量的实验证实：
1、泡沫铁镍金属材料层数为2层及2层以上时，首层材料孔径率增大，对瓦斯爆炸冲击波的衰减率提升。如同样为孔径率10PPI和20PPI的组合形式(ppi为1in2面积上的孔数)，当首层材料孔径率为10PPI，次层材料孔径率为20PPI时，该组合体对瓦斯爆炸冲击波的衰减率为38.59％，而其布置形式相反时，即首层材料孔径率为20PPI，次层材料孔径率为10PPI时，其对瓦斯爆炸冲击波超压的衰减率为42.47％，与前者相比提高了3.88％。
2、泡沫铁镍金属材料层数为2层时，2层之间有间距布置对瓦斯爆炸的衰减作用要优于无间距布置；但并非增大间距就可以提高对瓦斯爆炸冲击波的衰减作用，本发明经过实验证实，当材料厚度为2cm、孔径率为30PPI时，间距20cm布置时的衰减率要低于间距5cm和10cm布置的衰减率。
3、单层泡沫铁镍金属材料厚度增加，对瓦斯爆炸冲击波的衰减率会提高。但是本发明证明材料层数为2层时，材料厚度为2cm+3cm组合对瓦斯爆炸冲击波的衰减率反而要高于厚度为3cm+3cm的组合，对瓦斯爆炸超压衰减率提高了1.38％。这样组合后的效果远超出了预期的效果，是本领域技术人员事前没有预料到的。
4、单层泡沫铁镍金属材料阻抑瓦斯爆炸的实验中，随着材料孔径率的增加，对瓦斯爆炸冲击波的衰减率会提高；但是本发明3层材料组合，每层厚度2cm、间隔5cm布置时，20PPI孔径率的材料对瓦斯爆炸冲击波的衰减率却高于30PPI孔径率的材料，对瓦斯爆炸超压衰减率提高了1.58％。
5、通常认为泡沫铁镍金属材料层数增加，对瓦斯爆炸冲击波的衰减率会提高。但是在材料厚度为2cm、孔径率30PPI情况下，2层反而要比3层的衰减率高，对瓦斯爆炸超压衰减率提高了2.06％。具有预料不到的技术效果。
附图说明
图1为空管瓦斯爆炸实验压力分布；
图2为2cm不同孔径率泡沫铁镍金属材料阻抑实验压力分布；
图3为3cm不同孔径率泡沫铁镍金属材料阻抑实验压力分布；
图4为2cm首层为10PPI不同孔径率阻抑实验测点压力分布；
图5为2cm首层为20PPI不同孔径率阻抑实验测点压力分布；
图6为2cm首层为30PPI不同孔径率阻抑实验测点压力分布；
图7为2层10PPI不同间距阻抑实验压力分布；
图8为2层20PPI不同间距阻抑实验压力分布；
图9为2层30PPI不同间距阻抑实验压力分布；
图10为2层10PPI不同厚度组合阻抑实验压力分布；
图11为2层20PPI不同厚度组合阻抑实验压力分布；
图12为2层30PPI不同厚度组合阻抑实验压力分布；
图13为3层2cm不同孔径率阻抑实验压力分布；
图14为3层3cm不同孔径率阻抑实验压力分布；
图15为10PPI不同层数阻抑实验压力分布；
图16为20PPI不同层数阻抑实验压力分布；
图17为30PPI不同层数阻抑实验压力分布；
图18为瓦斯爆炸实验系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式多层泡沫铁镍金属材料在阻抑瓦斯爆炸中的应用，具体方法如下：
将2～3层多孔泡沫铁镍金属材料间隔放置，相邻两层泡沫铁镍金属材料之间的布置距离为5～20cm，每层泡沫铁镍金属材料的厚度为2～3cm，靠近起爆点一侧的泡沫铁镍金属材料的孔径率为20～30PPI，其余的泡沫铁镍金属材料的孔径率为10～30PPI，所述泡沫铁镍金属材料按重量百分含量是由10％～30％的镍和70％～90％的铁组成，通孔率为80％～90％。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：将2层泡沫铁镍金属材料间隔放置，相邻两层泡沫铁镍金属材料之间的布置距离为5～10cm，靠近起爆点一侧的泡沫铁镍金属材料的孔径率为30PPI。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：将2层泡沫铁镍金属材料间隔放置，两层泡沫铁镍金属材料之间的距离为5cm，靠近起爆点一侧的泡沫铁镍金属材料的孔径率为30PPI，厚度为2cm，另一侧的泡沫铁镍金属材料的孔径率为30PPI，厚度为3cm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：将3层泡沫铁镍金属材料间隔放置，相邻两层泡沫铁镍金属材料之间的布置距离为5cm，每层泡沫铁镍金属材料的厚度为2cm，靠近起爆点一侧的泡沫铁镍金属材料的孔径率为20PPI，其余的泡沫铁镍金属材料的孔径率为20PPI。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：将2层泡沫铁镍金属材料间隔放置，相邻两层泡沫铁镍金属材料之间的布置距离为5cm，每层泡沫铁镍金属材料的厚度为2cm，靠近起爆点一侧的泡沫铁镍金属材料的孔径率为30PPI，其余的泡沫铁镍金属材料的孔径率为30PPI。其它与具体实施方式一相同。
通过以下实验验证本发明的有益效果：
一、实验方法
空白对照组：采用空管进行瓦斯爆炸实验。
单层对照组：采用厚度为2cm和3cm的单层泡沫铁镍金属材料进行瓦斯爆炸实验，孔径率分别为10PPI、20PPI、30PPI。
对比研究空管瓦斯爆炸、单层泡沫铁镍金属阻抑瓦斯爆炸、多层泡沫铁镍金属阻抑瓦斯爆炸实验数据，分析放置多层泡沫铁镍金属后管道内瓦斯爆炸超压和火焰速度的变化，评估多层泡沫铁镍金属阻抑瓦斯爆炸效果，优选性能优异的多层泡沫铁镍金属材料。
二、实验系统及装置
利用瓦斯爆炸实验系统，对泡沫金属材料阻抑瓦斯爆炸进行实验研究，选取9.5％瓦斯-空气混合气体作为爆炸实验气体。所述瓦斯爆炸实验系统结构示意图如图18所示。图中1为高能点火器，2为真空阀，3为配气阀，4为配气系统，5为爆炸腔体，6为伸缩节，7-1为压力传感器测点1，7-2为压力传感器测点2，7-3为压力传感器测点3，7-4为压力传感器测点4，7-5为压力传感器测点5，7-6为压力传感器测点6，8-1为火焰传感器测点7，8-2为火焰传感器测点8，8-3为火焰传感器测点9，9为数据采集系统，10为阻隔爆多层泡沫铁镍金属材料，11为瓦斯爆炸传播管路。
三、实验现象
空管瓦斯爆炸实验过程中，在爆炸管路出口端有明显的火焰喷出，爆炸声音非常大；放置单层泡沫铁镍金属材料时声音比空管实验的声音要小，声音为闷响，实验管道震动不大，出口端无火焰；放置多层泡沫铁镍金属材料时爆炸声音比放置单层泡沫铁镍金属材料阻隔爆声音要小，声音闷响，出口端无火焰。
四、实验结果
一、阻抑瓦斯爆炸压力分析
1、空白对照组爆炸压力数据分析
对采集到的空管瓦斯爆炸实验数据进行初步处理后，得到空管爆炸各测点压力峰值(最大值)如表1所示(后续实验分析中均以测点压力峰值(最大值)作为该测点压力值)，处理过程中，为便于后期计算与数据处理对两2组空管实验的压力值取平均值，作为对比分析的基础数据，各测点压力峰值(最大值)分布及两组空管爆炸实验平均值压力分布情况如图1所示。
表1空管瓦斯爆炸实验测点压力峰值单位：MPa
在空管瓦斯爆炸实验中，起爆点峰值压力最大，为0.145MPa左右，受管道摩擦等因素影响，沿起爆气室向管路出口端方向，各个测点峰值压力逐渐降低。两组空管实验中，测点3、4处冲击波压力平均衰减率为4.56％。
2、单层对照组阻抑瓦斯爆炸效果
采用2cm和3cm厚，孔径率分别为10PPI、20PPI、30PPI的泡沫铁镍金属材料布置于实验管道内进行阻抑瓦斯爆炸实验，每组参数进行1组实验，共完成实验6组，为便于实验数据处理和对比分析，将实验实测数据绘制成距离点火距离(x轴)与瓦斯爆炸压力(y轴)的折线图，如图2和3所示(图中——表示空管实验平均，■表示10PPI，▲表示20PPI，●表示30PPI)。
通过对不同实验条件下实验距离与爆炸压力值图的分析，单层厚度为2cm和3cm不同孔径率泡沫铁镍金属材料对瓦斯爆炸冲击波的衰减性能如表2和表3所示。
表2 2cm不同孔径率泡沫铁镍金属阻抑瓦斯爆炸实验压力峰值与衰减情况
表3 3cm不同孔径率泡沫铁镍金属阻抑瓦斯爆炸实验压力峰值与衰减情况
通过对表2、表3中分析，得出以下结论：当实验管道内布置有单层泡沫铁镍金属材料时，泡沫铁镍金属材料对瓦斯爆炸冲击波的衰减能力随材料孔径减小而增加，2cm，30PPI的泡沫铁镍金属材料相比较2cm，10PPI泡沫铁镍金属材料对瓦斯爆炸超压衰减效果增加了9.39％；当管道内布置的泡沫金属材料孔径相同但厚度不同时，泡沫金属材料对瓦斯爆炸的衰减性能随铁镍金属材料厚度的增加而增加，当材料孔径均为10PPI时，厚度为3cm材料较2cm材料对瓦斯爆炸压力的衰减性能提升了9.56％，并且随着多孔铁镍金属材料孔径的下降其增加效果越发明显。
3、双层材料组合阻抑瓦斯爆炸效果
3.1不同孔径率布置影响
采用厚度2cm、孔径率10PPI、20PPI、30PPI的泡沫铁镍金属材料，以间距5cm布置于实验管道内进行阻抑瓦斯爆炸实验，每组参数组合进行1组实验，共完成实验9组，为便于实验数据处理和对比分析，将实验数据绘制成距离点火距离(x轴)与瓦斯爆炸压力(y轴)图，如图4、5和6所示。图4是首层2cm，10PPI，次层不同孔径率阻隔爆实验测点压力分布；图5是首层2cm，20PPI，次层不同孔径率阻隔爆实验测点压力分布；图6是首层2cm，30PPI，次层不同孔径率阻隔爆实验测点压力分布(图中——表示空管实验平均，■表示10PPI，▲表示20PPI，●表示30PPI)。
厚度2cm不同孔径率泡沫铁镍金属材料双层组合对瓦斯爆炸冲击波的衰减性能如表4、表5和表6所示。
表4首层2cm，10PPI，次层不同孔径率阻隔爆实验压力峰值与衰减情况
表5首层2cm，20PPI，次层不同孔径率阻隔爆实验压力峰值与衰减情况
表6首层2cm，30PPI，次层不同孔径率阻隔爆实验压力峰值与衰减情况
通过对表4、表5、表6中实验压力分布情况和泡沫铁镍金属材料对冲击波衰减率的分析，得出以下结论：当实验管道内布置有双层泡沫铁镍金属材料时，泡沫铁镍金属材料对瓦斯爆炸冲击波的衰减能力随材料孔径率增加而增加，双层2cm，30PPI组合的泡沫铁镍金属材料较双层2cm，10PPI组合材料对瓦斯爆炸衰减效果增加了18.92％；当首层材料参数固定时，双层泡沫铁镍金属组合体对瓦斯爆炸压力的衰减作用受次层材料影响较小，尤其是当首层材料孔径率较大时，双层泡沫金属组合体的衰减性能受次层材料影响更小，如首层材料孔径率为30PPI时，次层材料由20PPI增加到30PPI时，双层泡沫金属组合体对爆炸压力的衰减作用增加1.78％；当双层泡沫金属组合体两层材料孔径率一定时(孔径率相同时除外)，其组合形式不同，对爆炸压力的衰减性能也不同，如同样为10PPI和20PPI的组合形式，当首层材料孔径率为10PPI，次层材料孔径率为20PPI时，该组合体对爆炸冲击波的衰减率为38.59％，而其布置形式相反时，即首层材料孔径率为20PPI，次层材料孔径率为10PPI时，其对爆炸压力的衰减率为42.47％，较前一种组合有所提升，因此，当组合材料孔径率不同组合时，首层材料孔径率大的布置方式的衰减率要优于首层材料孔径率小的布置形式。
相同厚度和间距布置情况下，组合材料对瓦斯爆炸的阻抑性能受到材料孔径率影响较大，其影响规律为，当厚度和间隔距离一定的情况下，孔径率越大，对瓦斯爆炸冲击波的衰减作用越大；
3.2不同间距布置影响
采用厚度2cm、孔径率分别为10PPI、20PPI、30PPI的泡沫铁镍金属材料，以间距为0cm、5cm、10cm和20cm布置于实验管道内阻隔爆材料放置处，进行阻抑瓦斯爆炸实验，每组参数组合进行1组实验，共完成实验12组，为便于实验数据处理和对比分析，将实验数据绘制成距离点火距离(x轴)与瓦斯爆炸压力(y轴)图，如图7、8和9所示(图中——表示空管实验平均，■表示间距为0cm，▲表示间距为5cm，●表示间距为10cm，◆表示间距为20cm)。
厚度2cm，相同孔径率泡沫铁镍金属材料不同间隔距离布置组合对瓦斯爆炸冲击波的衰减性能如表7、表8和表9所示。
表7 2层厚度2cm，10PPI泡沫铁镍金属不同间距布置阻隔瓦斯爆炸实验压力峰值与衰减情况
表8 2层厚度2cm，20PPI泡沫铁镍金属不同间距布置阻隔瓦斯爆炸实验压力峰值与衰减情况
表9 2层厚度2cm，30PPI泡沫铁镍金属不同间距布置阻隔瓦斯爆炸实验压力峰值与衰减情况
通过对表7、表8及表9中实验压力峰值分布情况和泡沫铁镍金属材料对冲击波衰减率的分析，得出以下结论：双层泡沫铁镍金属材料以一定间距布置时，对瓦斯爆炸冲击波的衰减作用要优于两层泡沫金属材料无间距布置，三种不同孔径材料，以5cm、10cm和20cm间距布置时，其对瓦斯爆炸冲击波的衰减作用较无间距布置的效果均有所增加，其中间距5cm、间距10cm和间距20cm较无间距布置情况下冲击波衰减率分别增加了9.34％、10.32％和3.85％；总体来说材料厚度和孔径率一定时，间距为5cm、10cm和20cm时对瓦斯爆炸冲击波的衰减作用相差不大，而且有间距增加但阻隔瓦斯爆炸压力衰减能力下降的现象，如材料厚度为2cm、孔径率为30PPI时，材料间距为20cm时材料对瓦斯爆炸冲击波的衰减率为54.92％，要小于间距为5cm和10cm布置时对瓦斯爆炸冲击波的衰减率，但高于材料无间距布置。
总体来说，当材料厚度和孔径率一定时，双层泡沫铁镍金属组合材料对瓦斯爆炸冲击波的衰减能力随材料间距增加而升高，但当孔径率较大时，会存在异常情况；本实验过程中，材料孔径率为10PPI且以10cm间距布置时泡沫铁镍金属材料对瓦斯爆炸冲击波的衰减率为29.68％，小于间距为5cm和20cm布置时阻隔瓦斯爆炸冲击波效果，分析原因为实验过程中，双层泡沫金属材料中距离点火源较近的一块泡沫金属材料发生破碎，因此导致衰减冲击波作用下降，说明材料破损会使泡沫金属材料阻隔瓦斯爆炸冲击波衰减作用降低。
3.3不同厚度布置影响
将厚度2cm和3cm、孔径率分别为10PPI、20PPI、30PPI的泡沫铁镍金属材料，以间距5cm布置于实验管道内进行阻隔瓦斯爆炸实验，每组参数组合进行1组实验，共完成实验9组，为便于实验数据处理和对比分析，将实验实测数据绘制成距离点火距离(x轴)与瓦斯爆炸压力(y轴)图，如图10、11和12所示(图中——表示空管实验平均，■表示2+2cm，▲表示2+3cm，●表示3+3cm)。
通过对不同实验条件下实验距离与爆炸压力峰值图形的分析，发现当在实验管道内布置有双层不同厚度组合的泡沫铁镍金属材料时，测点4和测点5的压力峰值均有不同程度下降，泡沫金属材料组合时，组合材料总厚度越大，泡沫铁镍金属材料对瓦斯爆炸冲击波的衰减作用越强，同一孔径率泡沫金属材料不同厚度双层组合对瓦斯爆炸冲击波的衰减性能如表10、表11和表12所示。
表10 2层10PPI，不同厚度泡沫铁镍金属阻隔瓦斯爆炸实验压力峰值与衰减情况
表11 2层20PPI，不同厚度泡沫铁镍金属阻隔瓦斯爆炸实验压力峰值与衰减情况
表12 2层30PPI，不同厚度泡沫铁镍金属阻隔瓦斯爆炸实验压力峰值与衰减情况
通过对表10、表11及表12中实验压力分布情况和泡沫金属材料对冲击波衰减率的分析，得出以下结论：当实验管道内，以间距5cm布置有2层相同孔径率、厚度为2cm的泡沫铁镍金属材料时，瓦斯爆炸冲击波受到泡沫铁镍金属材料的影响，测点4压力峰值下降明显；当材料的孔径率一定时，瓦斯爆炸冲击波的衰减作用受双层组合材料总厚度影响，其阻隔爆效果随材料组合总厚度增加而提高；但当泡沫铁镍金属材料的孔径率较大时，双层组合体厚度增加对阻隔瓦斯爆炸压力的衰减作用下降，如当泡沫金属材料孔径率为10PPI时，厚度为3cm+3cm泡沫铁镍金属组合体对瓦斯爆炸冲击波的衰减率较2cm+2cm厚度泡沫铁镍金属组合体的衰减率提升了9.82％，而当孔径率为30PPI时，厚度为3cm+3cm泡沫铁镍金属组合体对瓦斯爆炸冲击波的衰减率较2cm+2cm厚度泡沫铁镍金属组合体的衰减率仅提升了3.05％；厚度组合为2cm+3cm，孔径率为30PPI双层组合材料对瓦斯爆炸冲击波的衰减率，比厚度3cm+3cm，双层30PPI组合材料的衰减率还要高出1.38％，这样组合后的效果超出了预期的效果，是本领域技术人员事前没有预料到的。
4、三层材料组合阻隔瓦斯爆炸超压效果
将厚度2cm和3cm、孔径率分别为10PPI、20PPI、30PPI的泡沫铁镍金属材料，以间距5cm、3层布置于实验管道内进行阻隔瓦斯爆炸实验，每组参数组合进行1组实验，共完成实验6组，为便于实验数据处理和对比分析，将实验实测数据绘制成距离点火距离(x轴)与瓦斯爆炸压力(y轴)图，如图13和14所示(图中——表示空管实验平均，■表示10PPI，▲表示20PPI，●表示30PPI)。
通过对不同实验条件下实验距离与爆炸压力峰值图形分析，发现当在实验管道内布置有3层不同孔径率组合的泡沫铁镍金属材料时，测点4和测点5的压力峰值均有不同程度下降，泡沫铁镍金属材料孔径率越大，泡沫铁镍金属材料对瓦斯爆炸冲击波的衰减作用越强，厚度为2cm和3cm，不同孔径率泡沫铁镍金属材料3层组合对瓦斯爆炸冲击波的衰减性能如表13和表14所示。
表13 3层2cm不同孔径率泡沫铁镍金属阻隔瓦斯爆炸压力峰值与衰减情况
表14 3层3cm不同孔径率泡沫铁镍金属阻隔瓦斯爆炸压力峰值与衰减情况
通过对表13、表14中实验压力分布情况和泡沫铁镍金属材料对冲击波衰减率的分析，得出以下结论：当实验管道内布置有3层泡沫铁镍金属材料时，泡沫铁镍金属材料对瓦斯爆炸冲击波的衰减能力随材料孔径率的增加而增加，厚度2cm，30PPI，3层组合的泡沫铁镍金属材料较厚度2cm，10PPI，3层组合材料对瓦斯爆炸衰减效果增加了10.77％。
但当3层泡沫铁镍金属材料孔径率一定时，泡沫铁镍金属材料孔径率过大，反而可能导致对爆炸压力的衰减作用下降，例如当泡沫铁镍金属材料孔径率为10PPI时，厚度为2cm的3层组合体对瓦斯爆炸冲击波超压的衰减率为51.72％，而当泡沫铁镍金属材料孔径率升高为20PPI时，衰减率提高为55.06％，而当泡沫铁镍金属材料孔径率升高为30PPI时，对瓦斯爆炸冲击波的衰减率则降为53.48％。
当泡沫铁镍金属材料的厚度增加为3cm时，不同孔径率泡沫铁镍金属材料对瓦斯爆炸的衰减作用并未发生明显变化，如3层3cm泡沫铁镍金属材料、不同孔径率下的衰减率分别为62.94％、61.66％和62.49％，变化情况不大。
5、单层、双层和三层泡沫铁镍金属材料阻隔爆实验结果对比
将上述实验中厚度2cm、孔径率10PPI、20PPI和30PPI，布置层数1层、2层和3层的泡沫铁镍金属材料阻隔瓦斯爆炸冲击波超压的情况进行汇总和对比分析，将实验数据绘制成距离点火距离(x轴)与瓦斯爆炸压力(y轴)图，如图15、16和17所示(图中——表示空管实验平均，■表示单层，▲表示双层，●表示三层)。
厚度2cm不同层数泡沫铁镍金属材料组合对瓦斯爆炸冲击波的衰减性能如表15、表16和表17所示。
表15厚度2cm，10PPI不同层数阻隔爆实验压力峰值与衰减情况
表16厚度2cm，20PPI不同层数阻隔爆实验压力峰值与衰减情况
表17厚度2cm，30PPI不同层数阻隔爆实验压力峰值与衰减情况
通过对表15、表16和表17中实验压力分布情况和泡沫金属材料对冲击波衰减率的分析，得出以下结论：当实验管道内布置的泡沫铁镍金属材料孔径率和厚度一定时，泡沫铁镍金属材料对瓦斯爆炸冲击波的衰减能力随材料孔径率升高而提升；当材料厚度和孔径率一定时，泡沫铁镍金属材料对瓦斯爆炸冲击波的衰减作用，随泡沫铁镍金属材料层数增加而提升，在厚度为2cm、孔径率分别为10PPI、20PPI和30PPI情况下，布置有3层泡沫铁镍金属材料较布置有1层时分别提升26.31％、26.67％和18.68％，也说明当泡沫铁镍金属材料孔径率大时，泡沫铁镍金属材料对瓦斯爆炸冲击波超压的衰减效果，随层数增加衰减幅度会越小。
当单层布置有10PPI、厚2cm泡沫铁镍金属材料时，其对瓦斯爆炸压力的衰减率为25.41％，当增加一层相同泡沫金属材料时，其对瓦斯爆炸压力的衰减率增加为36.62％，而当单层泡沫金属材料孔径率增加为20PPI，其他参数不变时，其对瓦斯爆炸压力的衰减率增加为28.35％，当孔径率增加为30PPI时，衰减率提升为34.80％，可以得出泡沫铁镍金属材料层数增加对瓦斯爆炸压力的衰减作用要优于泡沫铁镍金属材料孔径率的变化。但也有特殊情况，例如厚度为2cm、孔径率为30PPI的情况下，2层泡沫铁镍金属材料反而要比3层泡沫金属材料具有更高的衰减率，即减少了一层泡沫铁镍金属材料却获得了更高的衰减率，是本领域技术人员事先没有预料到的。
二、阻隔瓦斯爆炸火焰传播速度分析
本发明实验研究为实验管道端部气室爆炸，后经实验管道内部向前传播，在实验管道气室薄膜外部无瓦斯气体，因此实验过程中，光敏传感器对瓦斯爆炸火焰采集到的火焰均为气室内部瓦斯气体爆炸反应后产生。
瓦斯爆炸传播管路上共布置有火焰传感器3支，编号分别为测点7、8和9，通过测定火焰通过传感器时间来确定计算火焰平均传播速度，其计算公式如下：
式中：ΔS为传感器间距。
Tn+1-Tn为火焰在两个传感器的时间间隔。
v7：测点7～8间平均速度；v8：测点8～9间平均速度。其中测点7、8间距为1.5m，测点8、9间距为2.2m。
阻抑瓦斯爆炸实验中，除空管爆炸的2组爆炸实验外，共有7组布置有泡沫金属材料的实验在测点7、8和9先后采集到火焰信号，为保证分析的可比性，对瓦斯爆炸火焰传播速度的影响规律研究，仅以如下实验数据为研究对象，分别为空管实验1、空管实验2、单层2cm，10PPI、单层2cm，20PPI、单层2cm，30PPI、单层3cm，10PPI、双层2cm，10PPI间距0cm、双层2cm，10PPI间距5cm和双层2cm，10PPI间距10cm，共9组数据进行分析，各组实验中采集到的火焰通过时间如表18所示。
表18不同实验条件下测点火焰采集值单位：ms
根据测点7-8的间距为1.5m、测点8-9的间距为2.2m，得到各组实验测点7-8和测点8-9之间的平均速度如表19所示。
表19不同实验条件下火焰平均传播速度单位：m/s
表19不同实验条件下火焰平均传播速度单位：m/s
1、空管瓦斯爆炸火焰速度传播规律
通过实验数据对瓦斯爆炸在实验管道内无障碍物情况下和布置有阻隔爆多孔泡沫铁镍金属情况下的火焰传播速度情况进行研究，结果表明：在实验管道内无泡沫铁镍金属材料布置时，瓦斯爆炸冲击波在实验管道内的两段传播区域内的平均传播速度呈加速状态，即在测点8-9段的传播速度要大于在测点7-8段的传播速度，火焰在传播过程中的平均速度增加；
2、放置单层泡沫铁镍金属时瓦斯爆炸火焰速度传播规律
当实验传播管路内布置有单层2cm不同孔径率泡沫铁镍金属材料时，实验管道内的瓦斯爆炸火焰的传播速度整体均有不同程度下降，泡沫铁镍金属材料厚度变化对瓦斯爆炸火焰传播速度的影响要低于泡沫金属材料孔径率变化对瓦斯爆炸火焰速度的影响，如当泡沫铁镍金属材料参数为单层2cm，10PPI时，测点8-9之间火焰的平均传播速度为236.6m/s；但材料参数厚度变为3cm，测点8-9间的火焰的平均传播速度降为220.0m/s，较单层2cm，10PPI时下降了7.01％；而当材料单层2cm，孔径变化为20PPI时8-9间的传播速度为141.0m/s，较单层2cm，10PPI时下降了40.41％。
2、放置双层泡沫金属时瓦斯爆炸火焰速度传播规律
2.1间距布置影响
当实验管道内布置有双层泡沫铁镍金属材料时，材料的间距对瓦斯爆炸火焰传播速度的衰减作用影响不大，如材料间距分别为0cm、5cm和10cm时，8-9点间布置有泡沫铁镍金属材料的管道内部的火焰平均传播速度分别为114.0m/s、82.09m/s和81.18m/s，较单层2cm，10PPI材料对火焰传播的衰减作用有所增加，但当材料间距为5cm和10cm时，对瓦斯爆炸火焰传播速度影响不大。
2.2层数影响
层数的变化对瓦斯爆炸火焰的传播速度影响较大，以8-9测点为例，当传播管道内无泡沫铁镍金属材料时爆炸火焰最低传播速度为415.1m/s，当布置有单层2cm，10PPI泡沫金属材料时，火焰传播速度降低为236.6m/s，降低了43.00％，当布置有两层2cm，10PPI泡沫金属材料间距为5cm时，火焰传播速度降低为82.09m/s，降低了80.22％，因此层数对瓦斯爆炸火焰传播速度影响最为明显。
三、多层泡沫铁镍金属参数优选
综上所述，将优选的阻抑效果较好的多层泡沫铁镍金属材料参数列于下表20和表21。分析可知3层材料、厚度均为3cm、间距5cm的泡沫铁镍金属阻抑瓦斯爆炸效果整体上是最优的。而2层材料、首层30PPI的泡沫铁镍金属阻隔爆效果要优于3层材料、厚度均为2cm的泡沫金属组合。
表20不同参数的多层泡沫铁镍金属材料阻抑瓦斯爆炸实验压力峰值与衰减情况
表21不同参数的多层泡沫铁镍金属材料阻抑瓦斯爆炸火焰平均传播速度单位：m/s
| 序号 | 实验参数 | 测点7-8间火焰速度 | 测点8-9间火焰速度 |
| 1 | 2层材料，每层均为10PPI，厚度均为2cm，间距5cm | 116.3 | 82.09 |
| 2 | 2层材料，每层均为10PPI，厚度均为2cm，间距10cm | 117.2 | 81.18 |
| 3 | 2层材料，每层均为10PPI，厚度均为2cm，间距0cm | 135.1 | 114.0 |
Claims (5)
1.多层泡沫铁镍金属材料在阻抑瓦斯爆炸中的应用，其特征在于具体方法为：将2～3层泡沫铁镍金属材料间隔放置，相邻两层泡沫铁镍金属材料之间的距离为5～20cm，每层泡沫铁镍金属材料的厚度为2～3cm，靠近起爆点一侧的泡沫铁镍金属材料的孔径率为20～30PPI，其余的泡沫铁镍金属材料的孔径率为10PPI～30PPI，所述泡沫铁镍金属材料按重量百分含量是由10％～30％的镍和70％～90％的铁组成，通孔率为80％～90％。
2.根据权利要求1所述的多层泡沫铁镍金属材料在阻抑瓦斯爆炸中的应用，其特征在于将2层泡沫铁镍金属材料间隔放置，相邻两层泡沫铁镍金属材料之间的距离为5～10cm，靠近起爆点一侧的泡沫铁镍金属材料的孔径率为30PPI。
3.根据权利要求1所述的多层泡沫铁镍金属材料在阻抑瓦斯爆炸中的应用，其特征在于将两层泡沫铁镍金属材料间隔放置，两层泡沫铁镍金属材料之间的距离为5cm，靠近起爆点一侧的泡沫铁镍金属材料的孔径率为30PPI，厚度为2cm，另一侧的泡沫铁镍金属材料的孔径率为30PPI，厚度为3cm。
4.根据权利要求1所述的多层泡沫铁镍金属材料在阻抑瓦斯爆炸中的应用，其特征在于将3层泡沫铁镍金属材料间隔放置，相邻两层泡沫铁镍金属材料之间的距离为5cm，每层泡沫铁镍金属材料的厚度为2cm，靠近起爆点一侧的泡沫铁镍金属材料的孔径率为20PPI，其余的泡沫铁镍金属材料的孔径率为20PPI。
5.根据权利要求1所述的多层泡沫铁镍金属材料在阻抑瓦斯爆炸中的应用，其特征在于将2层泡沫铁镍金属材料间隔放置，相邻两层泡沫铁镍金属材料之间的距离为5cm，每层泡沫铁镍金属材料的厚度为2cm，靠近起爆点一侧的泡沫铁镍金属材料的孔径率为30PPI，其余的泡沫铁镍金属材料的孔径率为30PPI。
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