不同轉彎角度巷道的瓦斯爆炸傳播規(guī)律數值模擬

王海燕 余 波 耿 蘭 崔小龍 陳美珍

中國礦業(yè)大學（北京）資源與安全工程學院

煤礦安全生產事故中，瓦斯爆炸屢屢發(fā)生，造成巨大的財產損失和人身傷亡。因此，研究瓦斯爆炸在巷道內的傳播規(guī)律對于瓦斯爆炸事故的預防具有一定的現實意義。目前已有學者[1-3]對瓦斯爆炸在巷道內的傳播規(guī)律進行了研究，取得了豐碩的成果，但仍然處于初級階段[4]。井下巷道系統(tǒng)錯綜復雜，經常出現截面積突變、轉彎、分叉、巷道內存在障礙物等特殊結構。目前評價瓦斯爆炸發(fā)生的可能性及后果的指標主要有最小點火能量，最大爆炸壓力，最高火焰溫度，壓力增長速度等[5-6]?；诖?，筆者以不同角度轉彎巷道為例，對瓦斯爆炸在0（平直巷道）、45、90、135轉彎巷道內的傳播規(guī)律進行了數值模擬，得到了火焰在這些巷道內的傳播規(guī)律，研究結果對瓦斯爆炸事故的預防提供了理論依據。

1 巷道瓦斯爆炸傳播基本假設及模型

1.1 基本假設

瓦斯爆炸經常發(fā)生在采煤工作面或者掘進工作面附近[7-14]。現用矩形管道模擬瓦斯爆炸巷道，本文為了簡化計算量，忽略了巷道的厚度，將三維的巷道簡化的二維的矩形管道，同時進行了一些合理的假設：

（1）在點火之前巷道內瓦斯氣體和空氣為均勻的混合理想氣體，瓦斯含量為按照化學當量比計算出來的9.5%，點火前氣體處于常溫常壓靜止狀態(tài)。

（2）假設瓦斯爆炸反應為單步不可逆過程，忽略反應過程的中間產物[15]。

（3）爆炸過程為絕熱過程，巷道壁面設置為光滑無滑移絕熱壁面，溫度為300K。不考慮與外界及壁面的熱交換。

（4）忽略壁面與氣體流動的流固耦合作用，壁面按照剛性壁面來處理。

（5）燃燒氣體混合物的比熱容遵循混合規(guī)則。

1.2 數學模型

巷道內瓦斯爆炸可以看成甲烷－空氣混合氣體在弱火源的誘導下而發(fā)生的氣體爆炸。整個過程滿足質量守恒方程，能量守恒方程和化學組分平衡方程，同時需要考慮氣體狀態(tài)方程及湍流方程。所以采用如下式子作為控制方程。

質量守恒方程：

2 數值模擬

2.1 物理模型

圖1 轉彎巷道物理模型

圖1分別是0（平直巷道）、45、90、135向轉彎巷道的物理模型，其中圓形代表瓦斯引爆點，未封閉部分是巷道出口，直巷道長1m，轉彎部分巷道長0.5m。

2.2 初始化條件及網格劃分

當甲烷濃度為9.5%時，各物質的質量分數計算結果如下。

本模擬巷道充滿瓦斯，初始時刻

圓形點火區(qū)域的點火溫度設置為1400K。

利用fluent前處理器gambit劃分網格，為了提高計算效率又不失模擬結果的準確性，劃分0.01m的結構化網格。

3 數值模擬結果及分析

圖2-圖5為每隔相同時間火焰在不同轉彎角度巷道內傳播發(fā)展的趨勢圖。

從圖2-圖5可以看出，當巷道充滿瓦斯時，無論是直巷道還是轉彎巷道，火焰在初始階段的整體發(fā)展過程是類似的?；鹧嫒紵跏茧A段，整體上火焰是加速向巷道后方傳播的，但由于巷道固體壁面的湍流加速作用使得靠近固壁的火焰?zhèn)鞑ニ俣认啾认锏乐胁康膫鞑ニ俣容^快，形成凹字形的火焰形狀。之后火焰沿巷道壁面?zhèn)鞑ニ俣冉档?，而火焰中部傳播速度增大，慢慢形成一個平面火焰，這主要是受到氣體反向流動的影響。最后，形成凸字型火焰向管道末端傳播。對于轉彎巷道，受轉彎部分外側壁面的反射作用，火焰在傳播過程中可能出現傳播速度下降更甚至發(fā)生反向傳播的現象。經過轉彎部分時，火焰不是先充滿整個轉角，而是先沿內側轉角迅速向巷道出口方向傳播，傳播速度明顯高于開始時的速度，這主要是由于轉彎增大了燃燒的湍流度引起的[16]。經過一段時間后火焰到達巷段末端并充滿整個巷道直至爆炸結束。通過對不同角度巷道瓦斯爆炸火焰發(fā)展趨勢的對比得知，隨著拐彎角度增大，火焰在轉彎部分內側火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之增大，燃燒火焰充滿整個巷道的時間隨之變短。

4 結論

（1）當巷道充滿瓦斯時，無論是直巷道還是轉彎巷道，火焰在初始階段的整體發(fā)展過程是類似的。表現為初始階段火焰是加速向管道后方傳播的，但由于巷道固體壁面的湍流加速作用使得靠近固壁的火焰?zhèn)鞑ニ俣认啾裙艿乐胁康膫鞑ニ俣容^快，形成凹字形的火焰形狀。之后火焰沿巷道壁面?zhèn)鞑ニ俣冉档?，而火焰中部傳播速度增大，慢慢形成一個平面火焰，這主要是受到氣體反向流動的影響。最后，形成凸字型火焰向巷道末端加速傳播。

（2）火焰經過轉彎部分時，不會先充滿轉彎部分巷道，而是先繞著轉彎內側迅速向巷道出口方向傳播，經過一段時間后才會充滿轉彎部分。隨著轉彎角度的增大，火焰在轉彎部分傳播的速度隨之增大。

（3）煤礦井下為防止瓦斯爆炸事故造成嚴重的破壞效應，在巷道設計時應盡量減少轉彎的情況。在必須轉彎的情況下，應在轉彎部分設置事故應急設備。

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