巷道內(nèi)不同形狀障礙物對瓦斯爆炸傳播影響的數(shù)值模擬研究

宋曉婷，徐景德，李 暉

(華北科技學院 研究生處，北京 東燕郊 065201)

巷道內(nèi)不同形狀障礙物對瓦斯爆炸傳播影響的數(shù)值模擬研究

宋曉婷，徐景德，李 暉

(華北科技學院 研究生處，北京 東燕郊 065201)

礦井下巷道由于開采需要布置了掘進、開采和運輸設(shè)備等障礙物，文章基于FLACS軟件對井下巷道無障礙物、球形障礙物、圓柱形障礙物、方形障礙物等四種常見的障礙物分布情況進行數(shù)值模擬，研究不同形狀障礙物對瓦斯爆炸傳播影響的規(guī)律。通過研究發(fā)現(xiàn)障礙物能對礦井下瓦斯爆炸傳播起到一定的激勵作用，不同形狀的障礙物激勵效應(yīng)不同，通過爆炸壓力峰值影響程度、火焰陣面拉伸程度、火焰?zhèn)鞑ニ俣热齻€表征參數(shù)對四種形狀障礙物產(chǎn)生的不同激勵效應(yīng)進行描述，正方形障礙物對爆炸壓力峰值影響最大，圓柱形障礙物對火焰陣面拉伸程度影響最為嚴重，在火焰繞過障礙物后傳播速度上升最快的是球形障礙物。不同形狀障礙物產(chǎn)生的不同激勵效應(yīng)有關(guān)結(jié)論的提出對降低井下瓦斯爆炸嚴重程度具有重要意義。

瓦斯爆炸;形狀;障礙物;激勵效應(yīng);數(shù)值模擬

Abstract: Due to the need of mining, the excavation, mining and transportation equipment are arranged in the mine roadway. The article is based on the FLACS software to numerically simulate four common obstacle distributions in the underground tunnel such as without obstacle, spherical obstacle, cylindrical obstacle and square obstacle, to study the influence of different shapes on the occurrence of gas explosion. It is found that the obstacle can play a certain role in the propagation of the gas explosion under the mine. The different effect of the obstacle is different, the paper uses the following three parameters: influence of the peak value of explosion pressure, the degree of flame front, the flame propagation velocity to study the effects of the four kinds of shapes obstructions on the mine roadway. The square obstacle has the greatest influence on the peak pressure of the explosion. The cylindrical obstacle has the most serious effect on the flame front, and the highest propagation speed increases after the flame bypasses is the spherical obstacle. The different excitation effects of different shape obstructions are of great significance to reduce the severity of underground gas explosion.

Keywords:mine gas explosion; shape; obstacle incentive effect; numerical simulation

0 引言

我國現(xiàn)有煤礦中，有95%采用地下開采方式，巷道封閉，出口少，瓦斯容易聚集的特點導(dǎo)致煤礦事故頻發(fā)[1]。其中以瓦斯爆炸事故波及范圍廣、造成危害嚴重的特點成為煤礦生產(chǎn)安全的重大威脅。同時，由于開采和防護的需求，通常要在巷道內(nèi)布置和擺放大量的掘進、開采、運輸和支護設(shè)備，其中礦車和液壓支柱是井下最常見的兩種設(shè)備。不同的設(shè)備具有不同的幾何形狀，瓦斯爆炸發(fā)生時，這些設(shè)備必然會因自身的幾何形狀不同對爆炸沖擊波和火焰波的傳播造成不同的影響。因此，研究放置不同形狀的障礙物對巷道瓦斯傳播規(guī)律的影響，十分貼近井下的真實情況。

煤礦瓦斯爆炸容易誘發(fā)二次爆炸和連續(xù)爆炸，事故調(diào)查難以開展，難以查清爆炸事故誘因[2]。在爆炸事故的調(diào)查方法中，相比于現(xiàn)場人員訪問和實驗?zāi)M的研究方法，基于數(shù)值模擬的爆炸后果分析方法具有三個優(yōu)點：一是相比現(xiàn)場人員訪問安全系數(shù)高，二是相比于實驗研究方法而言受實驗條件限制少，三是易操作，成本低，可以設(shè)置邊界條件，定量描述事故情況及發(fā)展過程。數(shù)值模擬憑借其模擬結(jié)果準確度高、運行成本低、高精度還原事故現(xiàn)場環(huán)境等優(yōu)勢逐漸獲得更多研究人員的青睞，現(xiàn)在數(shù)值模擬基本彌補了實驗研究的缺陷，與實驗研究共同開展，相互驗證，成為瓦斯爆炸過程研究的重要手段[3]。

本文在結(jié)合前人研究成果的基礎(chǔ)上，深入分析瓦斯爆炸機理，以矩形巷道為例，利用FLACS軟件對巷道內(nèi)不同形狀的障礙物對爆炸傳播規(guī)律產(chǎn)生的不同激勵效應(yīng)進行數(shù)值模擬研究，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，提出相應(yīng)的參考意見，完善煤礦瓦斯爆炸防護措施。

1 瓦斯爆炸傳播過程基本規(guī)律

1.1 瓦斯爆炸傳播基本過程

瓦斯爆炸是由于可燃氣體預(yù)先混合后，有點火源出現(xiàn)并且在預(yù)混氣體中快速向周圍傳播的一種劇烈的化學反應(yīng)。 通常認為，瓦斯爆炸的最終化學反應(yīng)過程為：CH4+2O2→2CO2+ 2H2O[4]。預(yù)混氣體一旦被點燃，會迅速形成一個以點火源為中心的小火球，并以壓力波的形式一層一層向外傳播，最終引燃所有氣體。

在井下巷道中，由于處于相對密閉狀態(tài)，瓦斯泄漏與空氣混合并且被點燃后，預(yù)混氣體在燃燒鋒面劇烈反應(yīng)后不斷向外層傳播，同時受到密閉空間的約束或擾動后逐漸加強，未燃區(qū)域受壓縮壓力不斷升高，形成前驅(qū)沖擊波，也稱為壓力波，這一過程稱作爆燃。爆燃是一種帶有壓力波的燃燒，由前方的壓力波(也稱為前驅(qū)沖擊波)和后方的火焰波陣面構(gòu)成，前方的壓力波以當?shù)匾羲賯鞑ィ蠓降幕鹧鎰t以亞音速傳播[5]。因此整個燃爆區(qū)域形成經(jīng)典的兩波三區(qū)結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1 燃爆的兩波三區(qū)結(jié)構(gòu)

其中：e—比熱能；p—壓力；ρ—密度；u—速度；T—溫度；γ—等熵指數(shù)；0區(qū)—可燃氣體的初始狀態(tài)；1區(qū)—前驅(qū)沖擊波通過后的狀態(tài)；2區(qū)—火焰陣面通過后的狀態(tài)。

1.2 瓦斯爆炸表征參數(shù)

在對瓦斯爆炸的數(shù)值模擬和實驗中，通常通過以下兩種參數(shù)來描述爆炸傳播的過程和破壞能力。

(1) 火焰速度與燃燒速度：火焰速度是指火焰沿管道相對靜止坐標系的傳播速度。由于燃燒速度難以測定，普遍選用火焰速度來表征火焰的運動情況。火焰速度一般在每秒幾米到幾百米之間；爆轟狀態(tài)下，最高可達到1800～2000 m/s。

(2) 爆炸壓力峰值與爆炸壓力上升速度：爆炸壓力峰值表征可燃物質(zhì)的爆炸危險性，受初始壓力、溫度、混合氣體中可燃氣體濃度以及容器形狀、大小等因素的影響。爆炸壓力上升速率為壓力差與時間差的比值[6]。

本文運用FLACS軟件對巷道瓦斯不同形狀障礙物對爆炸傳播過程的影響研究，主要描述爆炸過程的數(shù)據(jù)參數(shù)為：壓力峰值、爆炸壓力上升速率、火焰?zhèn)鞑ニ俣燃盎鹧骊嚸胬炷M圖。

2 障礙物形狀的改變對巷道瓦斯爆炸傳播影響的模擬研究

2.1 模型建立

根據(jù)巷道內(nèi)實際情況，礦車和液壓支柱可模擬為方形和圓柱型障礙物，所以前三組障礙物設(shè)置形狀為：無障礙物(理想狀態(tài)下)、方形障礙物、圓柱形障礙物。同時為了對比障礙物的外形流線結(jié)構(gòu)對沖擊波和火焰波的激勵作用能否有效減小，設(shè)置一組球形障礙物。在三組障礙物中，將障礙物橫截面積固定為4 m2，并保證其他條件一致，盡量確保其他條件一致的情況下障礙物形狀的變化對巷道瓦斯爆炸傳播的影響。重點分析爆炸場內(nèi)壓力、溫度及速度分布情況。為了使模擬結(jié)果更為明顯，每組模型設(shè)置四個形狀大小相同的障礙物，管道中呈直線分布。仿真模擬對80 m*3 m*3 m的管道充滿濃度為9.5%的甲烷——空氣預(yù)混氣體，點火點設(shè)置在管道左端，忽略管壁厚度。模型1中不放置障礙物，以便于觀察在無外界影響的情況下管道瓦斯爆炸傳播規(guī)律。在模型2至模型4中設(shè)置對照組，分別放置三組不同形狀但相同截面積的障礙物，每組設(shè)置四個障礙物且障礙物全部規(guī)定在管道相同位置以便于對模擬結(jié)果進行對比分析。模型2中的障礙物為直徑為2.258 m的球狀物；模型3中的障礙物為底部直徑1.33 m、高3 m的圓柱體；模型4中的障礙物為2 m*2 m*2 m的正方體。具體物理模型如圖2所示：

圖2 物理模型

2.2 網(wǎng)格劃分

為提高軟件的計算速度，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為0.25m*0.25m*0.25m，設(shè)置網(wǎng)格劃分區(qū)域在(-1，-0.5，-0.5)至(81,3.5,3.5)，X方向劃分328個；在Y方向和Z方向均劃分16個，則模型網(wǎng)格總數(shù)為83968個。圖3為網(wǎng)格劃分結(jié)果。

圖3 網(wǎng)格劃分情況

2.3 參數(shù)設(shè)置

為便于觀測爆炸傳播過程，在管道中均勻布置8個觀測點，如圖4，障礙物布置在第2-4觀測點之間，初始溫度為20℃，初始壓力為101kPa，甲烷體積分數(shù)設(shè)置0.095，其余氣體默認為空氣。

圖4 不同形狀障礙物條件下爆炸場內(nèi)各觀測點壓力輸出情況折線圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 爆炸壓力峰值及壓力上升速率分析

通過對四組情況下爆炸傳播壓力變化情況的觀察可知：障礙物影響爆炸壓力峰值，管道內(nèi)光滑無障礙物時，瓦斯爆炸壓力峰值穩(wěn)定在7.88P左右；當管道內(nèi)布置障礙物時，瓦斯爆炸壓力峰值相對略有降低，其中不同形狀障礙物對爆炸壓力峰值影響不同： P(正方形障礙物)>P(球形障礙物)>P(圓柱形障礙物)。

表1 不同形狀障礙物條件下爆炸場內(nèi)各觀測點壓力輸出表

表2 不同形狀障礙物條件下巷道瓦斯爆炸傳播壓力峰值及壓力上升速率對比表

由表2可以看出：無障礙物情況下，爆炸場內(nèi)壓力上升速率較慢，為9.066 MPa/s；管道內(nèi)布置有障礙物時，爆炸場內(nèi)壓力變化較為明顯，當前驅(qū)壓力波傳播到障礙物前時，出現(xiàn)壓力突增的情況，這是由于在沖擊波傳播過程中，當遇到障礙物時，空氣質(zhì)點原本的運動趨勢受到阻礙而被迫從較高速度急速降低，空氣因此受到極大壓縮，在障礙物前壁形成高壓區(qū)[7]。模擬結(jié)果表明：障礙物影響爆炸場內(nèi)沖擊波的傳播，爆炸壓力峰值相對略有減小，但爆炸場內(nèi)壓力上升速率大幅度增加。

3.2 火焰陣面的拉伸變形圖分析

火焰陣面真實的拉伸變形圖如圖5所示，深色部分表示火焰溫度高，淺色部分表示火焰溫度低，同時通過軟件得知：四種狀態(tài)下火焰最高溫度分別為：2863K、2735K、2793K、2764K。

圖5 不同形狀障礙物情況下巷道瓦斯爆炸傳播火焰陣面圖(X-Y方向)

結(jié)合圖5深色火焰變形程度區(qū)域及四種條件下火焰最高溫度可以看出，不同形狀的障礙物對火焰陣面的拉伸程度也不同。無障礙物情況下，火焰陣面規(guī)律向前傳播，對比模型2至模型4，發(fā)現(xiàn)相同阻塞比條件下，圓柱形障礙物對火焰陣面的拉伸最為嚴重；球形障礙物下火焰陣面被拉伸的程度次之；方體障礙物對火焰陣面的影響相對最小。

3.3 火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據(jù)分析

由圖6可以觀察出，無障礙物情況下，瓦斯爆炸傳播規(guī)律較為明顯：爆炸傳播速度先逐漸增加，在爆炸場中部達到峰值，后漸漸減??；存在障礙物的情況下，爆炸場內(nèi)速度變化相對復(fù)雜,模擬中將所有障礙物布置在觀測點2至觀測點4之間，根據(jù)不同觀測點輸出的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢园l(fā)現(xiàn)一定規(guī)律：火焰通過障礙物時，在障礙物前壁處出現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ニ俣蠕J增的現(xiàn)象，經(jīng)過障礙物群上方時傳播速度迅速降低，經(jīng)過障礙物后，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍俅渭眲≡黾覽8]。對比模型2至模型4發(fā)現(xiàn)，同阻塞比條件下，正方形障礙物對火焰波傳播速度的影響最小；當障礙物為球形時，爆炸火焰波傳播經(jīng)過障礙物時，速度銳減明顯小于其他形狀障礙物情況下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，但是?jīng)過障礙物之后，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊纳仙俾适亲畲蟮?；圓柱形障礙物下火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律與正方形障礙物相似，但是圓柱形障礙物下，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔▌酉鄬Ω蟆?/p>

表3 不同形狀障礙物條件下爆炸場內(nèi)各觀測點速度輸出

圖6 不同形狀障礙物條件下爆炸場內(nèi)各觀測點速度輸出情況折線圖

圖7 不同形狀障礙物條件下巷道瓦斯爆炸傳播速度云圖(X-Y方向)

通過軟件計算巷道瓦斯在四種不同形狀障礙物的影響下傳播的最高速度分別為：6 m/s、19 m/s、13 m/s、11 m/s。通過對圖7云圖中顯示的各形狀障礙物下爆炸場內(nèi)的火焰波傳播速度和軟件給出的火焰最高速度相結(jié)合，可以看出：設(shè)置障礙物條件下，當發(fā)生爆炸情況時，火焰經(jīng)過障礙物后，傳播速度銳減，后出現(xiàn)逐漸升高趨勢，而當障礙物形狀為正方形時，這種變化最為明顯。

4 結(jié)論

通過FLACS軟件針對巷道內(nèi)不同形狀障礙物在瓦斯爆炸傳播過程的數(shù)值模擬可以清楚地看出，無論哪一種形狀的障礙物，存在于巷道中都會對瓦斯爆炸的傳播產(chǎn)生激勵效應(yīng)。激勵效應(yīng)主要表現(xiàn)在以下三個方面：

(1) 造成瓦斯爆炸壓力峰值提升：從圖中顏色分布可以看出，沖擊波傳播到障礙物前方，氣體運動質(zhì)點被迫急速停止，在障礙物前壓縮形成高壓區(qū)，另一方面沖擊波繞過障礙物形成湍流，湍流增大沖擊波傳播速度，加速未燃氣體壓縮也增大了氣體壓力。對于不同形狀障礙物對爆炸壓力峰值的影響程度大小排序為： P(正方形障礙物)>P(球形障礙物)>P(圓柱形障礙物)。

(2) 火焰陣面拉伸變形程度增大：從實驗圖中可以看出，有障礙物存在則會出現(xiàn)火焰陣面拉伸的情況，其原因是火焰在障礙物附近形成高梯度的粘性邊界層，形成湍流，湍流拉伸扭曲了火焰陣面。三種障礙物對于火焰陣面拉伸變形的程度排序為：圓柱形障礙物>球形障礙物>方形障礙物。

(3) 對火焰?zhèn)鞑ニ俣犬a(chǎn)生影響：存在障礙物影響了原有的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?guī)律，從速度云圖中可以看出，火焰通過障礙物時，在障礙物前壁處出現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ニ俣蠕J增的現(xiàn)象，經(jīng)過障礙物群上方時傳播速度迅速降低，經(jīng)過障礙物后，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍俅渭眲≡黾?。這種變化體現(xiàn)在三種障礙物作用下的明顯程度排序為：正方形障礙物>球形障礙物>圓柱形障礙物。

綜上，正方形障礙物由于存在棱角，便于沖擊波經(jīng)過時形成湍流，所以在瓦斯爆炸傳播過程中相對于其他形狀障礙物形成的激勵效應(yīng)最為明顯，球形障礙物的激勵效應(yīng)次之，圓柱形障礙物的激勵效應(yīng)最弱。

因此，在井下巷道中易發(fā)生瓦斯泄漏爆炸的工作區(qū)域盡量減少礦車等正方形障礙物的存放，可以防止其在爆炸傳播過程中產(chǎn)生的激勵效應(yīng)，從而降低爆炸的嚴重程度。

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StudyontheImpactofDifferentTypesofObstructionsintheroadwaytotheMineGasExplosionBasedontheTheNumericalSimulation

SONG Xiao-ting, XU Jing-de, LI Hui

(SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScience&Technology,Yanjiao,065201,China)

TD712.7

A

1672-7169(2017)03-0020-07

2017-04-27

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助(3142017027)

宋曉婷(1991-), 女, 福建南平人，華北科技學院在讀碩士研究生，研究方向：可燃氣體泄漏與爆炸。E-mail:songxt2014@163.com