煤礦掘進(jìn)巷道內(nèi)瓦斯爆炸沖擊波的超壓預(yù)測探究

董學(xué)林

中煤華晉集團(tuán)韓咀煤業(yè)有限公司 山西臨汾 042199

煤礦掘進(jìn)作業(yè)過程中，巷道內(nèi)部有可能會出現(xiàn)瓦斯爆炸現(xiàn)象，繼而產(chǎn)生爆炸沖擊波，這種瓦斯爆炸沖擊波具有衰減規(guī)律，煤礦現(xiàn)場觀眾人員需要著重研究瓦斯爆炸相關(guān)內(nèi)容，明確瓦斯爆炸存在的破壞效應(yīng)，總結(jié)爆炸在現(xiàn)場的影響，有利于防控沖擊波對煤礦掘進(jìn)巷道作業(yè)現(xiàn)場帶來的破壞。

1 煤礦掘進(jìn)巷道內(nèi)瓦斯爆炸沖擊波的研究

煤礦掘進(jìn)巷道中產(chǎn)生的瓦斯爆炸現(xiàn)象，可以視為甲烷、空氣混合物發(fā)生反應(yīng)之后產(chǎn)生的爆炸。針對巷道內(nèi)部沖擊波傳播存在的衰減規(guī)律，可以從理論與實驗兩個層面展開探討。首先，理論層面建議創(chuàng)建氣體動力學(xué)模型、爆炸相似律模型、流體力學(xué)數(shù)值模擬模型。按照爆炸氣體動力學(xué)理論，針對強(qiáng)沖擊波進(jìn)行假設(shè)可以總結(jié)突出沖擊波超壓傳播衰減規(guī)律，弱沖擊波假設(shè)則可以總結(jié)得出沖擊波衰減規(guī)律[1]。其次，實驗方面，建議針對瓦斯爆炸超壓展開實驗，通過擬合得出超壓衰減規(guī)律?；蛘弑ü艿乐锌梢栽鲈O(shè)理性障礙物，通過實驗了解設(shè)備、設(shè)施在爆炸傳播方面可能帶來的影響?；诒ㄏ嗨坡煽梢栽讵氼^巷道中組織瓦斯爆炸超壓實驗，期間可以創(chuàng)建預(yù)測模型，總結(jié)超壓、沖擊波傳播距離兩者的聯(lián)系。另外，結(jié)合爆炸相似律，可以在坑道內(nèi)設(shè)置炸藥，研究炸藥爆炸波之后傳播的規(guī)律進(jìn)，也可以研究點火能量與瓦斯爆炸壓力支架的關(guān)系，或者利用數(shù)值模擬的方式，了解瓦斯積聚范圍、獨頭巷道瓦斯爆炸沖擊波破壞特點、傳播規(guī)律的聯(lián)系，為超壓預(yù)測瓦斯爆炸沖擊波提供參考[2]。

2 煤礦掘進(jìn)巷道內(nèi)瓦斯爆炸沖擊波的形成原因

煤礦掘進(jìn)巷道中的瓦斯爆炸現(xiàn)象，與現(xiàn)場高溫、高壓氣體有直接關(guān)系，會在巷道內(nèi)的受限空間形成空氣，從而產(chǎn)生壓縮波。所有壓縮波以爆點為對象，分別在巷道兩側(cè)傳播,經(jīng)過疊加之后便會形成沖擊波。沖擊波與之前形成的未擾動空氣相比，期間形成突變鋒面，具有壓強(qiáng)陡，密度、質(zhì)點速度、溫度變化高的的特點,該鋒面也被稱之為沖擊波陣面。波陣面之后大于未擾動大氣壓P0，超過的壓強(qiáng)即超壓ΔP[3]。在陣面中的最大超壓是超壓峰值，用ΔPs表示。一旦產(chǎn)生沖擊波，會破壞巷道中的物體，這與沖擊波超壓、沖擊波作用時間兩個因素有直接關(guān)系。瓦斯爆炸超壓可以作為瓦斯爆炸破壞效應(yīng)、影響范圍、抗災(zāi)減災(zāi)的判斷依據(jù)，明確巷道遠(yuǎn)端影響范圍內(nèi)所有沖擊波呈現(xiàn)的超壓峰值，即ΔPs預(yù)測以及剖析,工作人員根據(jù)分析結(jié)果選擇科學(xué)有效的防護(hù)舉措，避免出現(xiàn)降低空氣沖擊波超壓值的現(xiàn)象。

3 煤礦掘進(jìn)巷道內(nèi)部瓦斯爆炸沖擊波超壓預(yù)測分析

3.1 沖擊波超壓計算

在空氣沖擊波的波陣面形成的超壓，是以相似定律為基礎(chǔ)，一旦炸藥發(fā)生爆炸，當(dāng)時的空氣沖擊波會呈現(xiàn)出衰減性，換言之，空氣沖擊波的波陣面壓力與藥包絕對尺寸、重量沒有直接關(guān)系，很大程度上是由爆炸地點間距、藥包半徑比值、炸藥爆炸比能、附近空氣壓力這四點因素導(dǎo)致[4]。另外，按照量綱理論，計算無限空氣內(nèi)部的炸藥爆炸沖擊波超壓的公式如下：

公式（1）中的△P代表爆炸超壓，E代表爆炸物能量，而R則代表待測點和爆炸中心之間距離。

3.2 瓦斯爆炸超壓預(yù)測

煤礦掘進(jìn)巷道中形成的沖擊波，傳播與無限空氣沖擊波存在差異。無限空氣內(nèi)部形成的沖擊波擴(kuò)展形狀為球形，方向為向外擴(kuò)展，與傳播距離有直接關(guān)系，一旦傳播距離增加，波陣面面積也會逐漸擴(kuò)大，單位面積中呈現(xiàn)出來的分布能量逐漸減小。煤礦掘金巷道中混合氣體發(fā)生爆炸之后，溫度驟然升高，爆炸產(chǎn)物快速膨脹，期間還會形成壓縮波，隨后壓縮波快速與前面產(chǎn)生的壓縮波疊加，形成高速沖擊波。因為巷道邊界與馬赫桿作用的影響，會將沖擊波在傳播過程中轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鏇_擊波。巷道中沖擊波發(fā)生衰減，主要是由勁性消耗、空氣動能與熱能提升有關(guān)。按照量綱理論計算巷道中的炸藥爆炸沖擊波超壓，公式如下：

公式（2）中的S代表巷道截面積。另外，計算瓦斯量向炸藥能量轉(zhuǎn)換的公式為：

公式（3）中的η代表TNT轉(zhuǎn)化率，ξ代表的是爆炸系數(shù)，、表示TNT與瓦斯發(fā)熱量，是瓦斯密度，是瓦斯?jié)舛?，V則表示瓦斯-空氣混合物的體積。針對一定量混合物，可以用公式表示，如果≤0.095，k代表常數(shù)，因此巷道中的瓦斯爆炸沖擊波超壓計算公式為：

公式（5）中系數(shù)a1、a2、a3數(shù)值采用最小二乘法擬合即可獲得。

如果一定體積Vref瓦斯-空氣混合物已知，在c1，c2，…，cm濃度下，R1，R2，…，Rn距離條件下超壓計算公式為Δpij(i=1,2,...,m:j=1,2,...,n)，計算可知選擇a1、a2、a3可以將公式：

公式（6）數(shù)值達(dá)到最小。

按照多元函數(shù)取極值提出必要條件，a1、a2、a3是公式：

公式（7）的最小二乘解。將公式⑦簡化為方程組Ra=△p，再通過MATLAB完成求解，得出最終解是：

為了保證煤礦掘進(jìn)巷道內(nèi)瓦斯爆炸沖擊波超壓預(yù)測實驗效果，可以專門組織瓦斯爆炸實驗，設(shè)置實驗條件如下：獨頭巷道數(shù)量為1，斷面積7.5m2，主巷長都700m，形狀為半圓拱形，在該條件下分別對瓦斯-空氣混合氣體積、瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行測試，測試條件分別是（100m3，8.5%）、（100m3，9.0%）、（100m，8.6%），最后對得出的瓦斯爆炸超壓數(shù)據(jù)記錄。假設(shè)Vref數(shù)值為100m3，按照實驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出結(jié)果如下：

實驗過程中需要將瓦斯體積與爆炸的關(guān)系考慮其中，要求在計算中加入體積修正因子，便可以得出各個瓦斯-空氣混合物體積條件下，所呈現(xiàn)出來的超壓衰減規(guī)律。計算公式如下：

3.3 超壓規(guī)律驗證

驗證總結(jié)得出超壓規(guī)律，可以采用實驗數(shù)據(jù)對比的方法。根據(jù)瓦斯爆炸實驗條件組織瓦斯-空氣混合氣體積的測試，得出測試結(jié)果是50m3、100m3、200m3，瓦斯?jié)舛仁?.5%。針對100m3、200m3條件下的混合氣體實驗數(shù)值、預(yù)測值進(jìn)行對比，不難發(fā)現(xiàn)預(yù)測值可以了解到不同條件下瓦斯爆炸所蘊(yùn)含的超壓衰減規(guī)律。在100m3條件下，實驗值變化并不是非常明顯，但是預(yù)測值會驟然提高之后維持平穩(wěn)，且兩種數(shù)值相似；200m3條件下實驗值降低，但是預(yù)測值提高，兩者數(shù)值最終接近相似。

4 超壓預(yù)測結(jié)論與建議

4.1 瓦斯爆炸沖擊波超壓預(yù)測結(jié)論

第一，以爆炸相似律為基礎(chǔ)，煤礦掘進(jìn)巷道中發(fā)生瓦斯爆炸，形成的沖擊波超壓衰減規(guī)律中，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)體積下的瓦斯-空氣混合物爆炸，可以創(chuàng)建預(yù)測模型，分析沖擊波超壓、瓦斯?jié)舛?、傳播距離的關(guān)系；第二，利用體積修正因創(chuàng)建沖擊波超壓、瓦斯-空氣混合物體積關(guān)系的預(yù)測模型；第三，實驗數(shù)據(jù)對比與模型觀察發(fā)現(xiàn)，因為初期平面沖擊波并沒有完全形成，所以預(yù)測、實驗數(shù)據(jù)之間的偏差比較明顯，但是在傳播一段距離之后，預(yù)測和實驗數(shù)據(jù)便接近溫和。如果航道內(nèi)部形成了平面沖擊波，則證明爆炸相似律成立和可行，即預(yù)測模型這一方法實施超壓預(yù)測合理。

4.2 超壓預(yù)測建議

為了避免產(chǎn)生瓦斯爆炸問題，建議工作人員做好瓦斯積聚和超限預(yù)防的工作。第一，要求瓦斯局部積聚體積小于0.5m3，濃度大于2%；第二，所有礦井務(wù)必加強(qiáng)采掘與生產(chǎn)的管理力度，以免發(fā)生瓦斯聚集現(xiàn)象；第三，加強(qiáng)現(xiàn)場通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，保證瓦斯抽采工作符合標(biāo)準(zhǔn)。其中通風(fēng)系統(tǒng)作為瓦斯治理不可缺少的一部分，在現(xiàn)場創(chuàng)建安全、穩(wěn)定性高的通風(fēng)系統(tǒng)非常必要。尤其是礦井內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)，可以保證采掘工作面實時獲得風(fēng)流，避免瓦斯積聚或者超限的問題；第四，優(yōu)化現(xiàn)場通風(fēng)方法，加強(qiáng)采煤機(jī)設(shè)備檢查，避免巖石掉落導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)瓦斯燃燒[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，煤礦在掘進(jìn)過程中，巷道內(nèi)部可能會產(chǎn)生瓦斯爆炸現(xiàn)象，進(jìn)而形成沖擊波，為了避免沖擊波帶來嚴(yán)重的影響，需要實施超壓預(yù)測。工作人員要先展開實驗分析，明確超壓預(yù)測的條件與沖擊波形成規(guī)律，采用科學(xué)有效的方法降低沖擊波帶來的影響，保證煤礦掘進(jìn)施工質(zhì)量與效率，切實提升巷道內(nèi)部作業(yè)的安全性，采用可行的舉措避免瓦斯爆炸問題，以免威脅到所有工作人員的人身安全。