瓦斯爆炸作用下井口外部區(qū)域災(zāi)害分布特征*

龐 磊，靳江紅，亢 永，呂鵬飛

(1.北京石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，北京 102617; 2.北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054)

1 引 言

瓦斯爆炸是我國煤炭工業(yè)生產(chǎn)中最主要的事故類型之一，不僅造成重大人員傷亡，對巷道主體結(jié)構(gòu)及配套建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施也具有顯著的破壞作用。在多次瓦斯爆炸事故中，井口附近的礦燈房、自救器房、浴室等建筑物常遭受不同程度的破壞，處于井口附近的有關(guān)人員也常受到爆炸的沖擊。我國煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范對煤炭工業(yè)場地總平面布置給出了詳細(xì)要求，明確指出平面布置應(yīng)結(jié)合地形、工程地質(zhì)、水文、氣象等自然條件和工業(yè)場地豎向布置，協(xié)調(diào)井下開拓部署、地面生產(chǎn)系統(tǒng)、鐵路運(yùn)輸?shù)戎饕a(chǎn)環(huán)節(jié)，做到有利生產(chǎn)、方便生活、節(jié)約用地、減少壓煤，并限定了各種建筑物與井口的最小距離，但卻忽視了瓦斯爆炸等安全生產(chǎn)事故給井口附近區(qū)域人員及建筑物帶來的潛在性危害，同樣，相關(guān)的煤礦安全規(guī)程也沒有結(jié)合瓦斯爆炸事故的潛在危害對相關(guān)人員在井口附近場地的活動加以限定，這無形中增加了井下瓦斯爆炸事故的風(fēng)險。因此，認(rèn)知這一事故風(fēng)險對煤礦安全開采與事故預(yù)防控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)外學(xué)者對瓦斯爆炸事故進(jìn)行了深入而持續(xù)的研究，并取得了豐碩的研究成果。從已有大量相關(guān)研究來看，瓦斯爆炸機(jī)理[1-3]、瓦斯爆炸在巷道內(nèi)的演化規(guī)律[4-5]以及瓦斯爆炸火焰和沖擊波傳播規(guī)律[6-9]等方面成為研究熱點(diǎn)，但尚未有人對瓦斯爆炸作用下井口附近的災(zāi)害效應(yīng)給予關(guān)注和探索。此外，瓦斯爆炸場景尺度較大，借助全尺度實(shí)驗難以實(shí)施研究，小尺度模型實(shí)驗又會引發(fā)較大的尺度效應(yīng)[10]?；诖?，本研究結(jié)合2009年黑龍江鶴崗新興煤礦特別重大瓦斯爆炸事故，利用計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)研究了瓦斯爆炸對井口外部區(qū)域的破壞效應(yīng)，揭示出井下瓦斯爆炸后井口外部區(qū)域的沖擊波、高溫分布規(guī)律。

2 典型事故案例

2009年11月21日，黑龍江龍煤集團(tuán)鶴崗分公司新興煤礦發(fā)生特別重大瓦斯爆炸事故。事故發(fā)生時全礦井下作業(yè)人員528人，108人遇難[11]。圖1為該事故簡圖。事故中引發(fā)井口附近建筑物的破壞情況如圖2所示[12-13]，井口外堆滿坍塌的磚瓦，礦燈房窗戶的玻璃均已震碎，窗框嚴(yán)重?fù)p壞。這說明該事故中爆炸沖擊波對井口外部區(qū)域仍有較強(qiáng)的破壞作用。

圖1 事故簡圖 Fig.1 Accident diagram

圖2 井口附近損壞的建筑物 Fig.2 Damaged building near the pithead

3 研究方法

圖3 數(shù)值模擬計算域 Fig.3 Physical model of numerical simulation

結(jié)合上述典型事故情境，基于CFD技術(shù)對瓦斯爆炸瞬態(tài)流場進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)值模擬。數(shù)值模擬的計算域見圖3。假設(shè)立井垂直，井深500 m，斷面為直徑6.5 m的圓形。在井口外部取1 000 m×1 000 m×500 m的長方體區(qū)域模擬井口外部的大氣區(qū)域。連接立井底部的是一段水平煤巷。該巷道斷面面積約為6 m2，簡化為正方形。選擇爆炸破壞性最大的情況，即巷道右端為封閉端，左端開口，并與立井底部連接，球形爆源位于巷道封閉端附近。假設(shè)水平巷道內(nèi)完全充滿瓦斯和空氣的預(yù)混混合氣，濃度為10%，略高于當(dāng)量濃度[14]。由于巷道壁面的約束激勵作用，瓦斯爆炸后從巷道封閉端至開口端是一個火焰加速過程，立井內(nèi)和地面以上的區(qū)域?qū)⑹菦_擊波傳播和衰減區(qū)域。

采用主流氣體爆炸沖擊動力學(xué)仿真軟件AutoReaGas對該氣體爆炸沖擊過程進(jìn)行求解。計算基于質(zhì)量、動量、能量及組分等流體力學(xué)基本守恒方程組，采用單步不可逆反應(yīng)描述甲烷和氧氣的高速化學(xué)反應(yīng)過程，并采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型描述爆炸沖擊過程中的湍流流動。湍流燃燒時體積燃燒率Rc的表達(dá)式為

(1)

式中:ρ是混合物密度，Γc是能量的湍流耗散系數(shù)，Ct是燃燒模型常數(shù)(Ct=70[15])，St是湍流燃燒速度，Rmin是燃料、氧氣、反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最小值。St通過公式(2)[16]得到

(2)

式中:ut是湍流強(qiáng)度，Lt是湍流特征長度尺寸，Sl是層流燃燒速度，ν是流體的動力黏性?；贏utoReaGas采用8節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的自身特點(diǎn)，本研究數(shù)值模擬過程中對煤巷及立井對應(yīng)的局部非長方體計算域進(jìn)行了適當(dāng)簡化，并采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行了離散。網(wǎng)格獨(dú)立性驗證工作可詳見文獻(xiàn)[15]。為了研究瓦斯量對其爆炸災(zāi)害的影響，分別考察了瓦斯初始預(yù)混區(qū)長度為100、200和500 m的3種情況。

4 結(jié)果與討論

4.1 井口外部區(qū)域的流場分布

以瓦斯初始預(yù)混區(qū)長度100 m的情況為例分析井口外部爆炸流場分布。由于井口正上方一般無建筑物，在地面以上5 m高度的水平面上選取距離井口10、20、30、50、70、100、150、200和300 m的位置作為觀測點(diǎn)，重點(diǎn)考察接近地面處不同水平位置的沖擊波超壓和溫度分布。

圖4給出了井口正上方5 m處的超壓和溫度變化。井口正上方附近的沖擊波超壓在1.543 s時刻達(dá)到峰值。溫度曲線于1.570 s時刻出現(xiàn)一個小的突越，該突越是由沖擊波經(jīng)過該點(diǎn)時對空氣擾動而形成的。經(jīng)歷一段時間后，在6.487 s時刻溫度達(dá)到峰值369 K。從上述各時刻也可看出，沖擊波的流動先于高溫氣流，從而峰值超壓先于峰值溫度到達(dá)。由于井口附近峰值超壓和峰值溫度都相對較高，使井口臨近區(qū)域的爆炸災(zāi)害性最大。較高的超壓對井口的建筑結(jié)構(gòu)造成巨大沖擊，高溫易使巷道及混凝土結(jié)構(gòu)的理化性質(zhì)發(fā)生根本性變化，從而誘發(fā)井口坍塌等次生災(zāi)害。

圖4 立井井口正上方5 m處的超壓和溫度分布 Fig.4 Overpressure and temperature distributions at top 5 m from the vertical shaft pithead

圖5給出了距井口水平距離10 m處的超壓和溫度分布。在爆炸3 s以后的時間里，呈現(xiàn)類似于阻尼震蕩的衰減規(guī)律，這種震蕩可能加重對人員及建筑物的危害程度。根據(jù)圖5(b)，該點(diǎn)的溫度峰值接近于初始狀態(tài)，表明立井井口附近水平方向的高溫災(zāi)害很小。

圖5 距立井井口水平距離10 m處的超壓和溫度分布 Fig.5 Overpressure and temperature distributions at horizontal distance of 10 m from the vertical shaft pithead

圖6 距井口不同水平位置處的超壓-時間分布 Fig.6 Overpressure versus time distribution at different horizontal distances from the vertical shaft pithead

距離井口不同水平位置的超壓分布如圖6所示，隨著水平距離的增加，沖擊波的衰減也越明顯。井口附近的超壓變化過程如圖7所示，圖中坐標(biāo)(0，0)為井口中心位置。根據(jù)圖7，井口附近豎直方向和水平方向的超壓分布極不對稱，豎直方向的超壓比水平方向更具危害性。井口附近的溫度變化如圖8所示。井口附近豎直方向和水平方向的溫度分布差異較大，井口正上方將形成一個類似于蘑菇云形狀的高溫區(qū)，其高度可達(dá)300 m以上。水平方向的溫度變化則不明顯。

圖8 立井井口附近的溫度云圖 Fig.8 Temperature distribution near the vertical shaft pithead

4.2 瓦斯初始預(yù)混區(qū)長度對井口外部區(qū)域災(zāi)害效應(yīng)的影響

圖9 不同瓦斯初始預(yù)混區(qū)長度時峰值超壓隨水平距離的衰減 Fig.9 Attenuation of the peak overpressure with horizontal distances for different lengths of methane/air area

基于以上分析，井口附近水平方向的溫度變化很小，因此著重考察不同瓦斯初始預(yù)混區(qū)長度時的沖擊波超壓分布差異。圖9給出了初始預(yù)混區(qū)長度為100、200和500 m時峰值超壓隨水平距離的衰減過程。顯然，初始預(yù)混區(qū)長度越大，距井口相同水平距離的峰值超壓越大。例如，初始預(yù)混區(qū)長度為100、200和500 m時，距井口水平距離為50 m處的峰值超壓分別為0.002 3、0.004 9和0.018 0 MPa。

針對煤礦工業(yè)場地平面布置，我國煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范(GB50215-2005)提出了各種建筑物與井口的最小距離，如低瓦斯和高瓦斯礦井的通風(fēng)機(jī)房與進(jìn)風(fēng)井口的最小距離分別為30和50 m；鍋爐房距離井口不宜小于30 m；儲存量在10 t及以下、11～45 t、45 t以上的油脂庫至進(jìn)風(fēng)井口的距離分別不應(yīng)小于30、50、80 m；坑木堆場、礦井排矸場距進(jìn)風(fēng)井口不得小于80 m等等。

在新興煤礦瓦斯爆炸事故中，距爆炸井口最近的礦燈房窗框已嚴(yán)重?fù)p壞，如果以爆炸波超壓準(zhǔn)則[17]衡量井口外部區(qū)域的災(zāi)害性，該事故中礦燈房附近的沖擊波超壓應(yīng)在0.015～0.020 MPa范圍內(nèi)。由圖9可知，當(dāng)初始預(yù)混區(qū)長度為500 m時，距井口30、50、80 m位置的峰值超壓分別為0.018 0、0.013 1和0.009 4 MPa。根據(jù)本研究結(jié)論“初始預(yù)混區(qū)長度越大，距井口相同水平距離的峰值超壓越大”，新興煤礦中參與爆炸的瓦斯初始預(yù)混區(qū)長度很可能接近并超過500 m，這與文獻(xiàn)[10]的預(yù)測結(jié)果相符，從而也進(jìn)一步驗證了本研究數(shù)值計算方法及結(jié)果的準(zhǔn)確性。

根據(jù)不同超壓對人體作用的閾值[17]，根據(jù)圖9，瓦斯區(qū)長度為500 m時，井口附近的峰值超壓可能超過0.035 MPa,甚至0.050 MPa，因此該算例中井口附近的作業(yè)人員極有可能受到輕微損傷、聽覺器官損傷甚至骨折。

由于瓦斯爆炸事故中參與反應(yīng)的瓦斯量很可能高出500 m的初始預(yù)混區(qū)長度，所以其爆炸災(zāi)害性也將高于該事故案例。根據(jù)上述分析，我國《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范》中對各種建筑物與井口最小距離的要求是不夠的。

5 結(jié) 論

瓦斯爆炸對井口外部區(qū)域的危險主要源于沿水平方向傳播的爆炸沖擊波，其峰值超壓量級可達(dá)0.01 MPa，對井口附近人員及建筑物足夠造成顯著危害。同時，井口外部附近區(qū)域的爆炸沖擊波峰值超壓及波及范圍隨瓦斯量的增加而逐漸增大，500 m長瓦斯初始預(yù)混區(qū)對應(yīng)的井口水平方向人員及建筑物危害區(qū)域可達(dá)300 m，而井口外水平方向的高溫災(zāi)害則不明顯。在煤炭工業(yè)場地平面布置及煤礦作業(yè)過程中應(yīng)當(dāng)對該風(fēng)險加以針對性的重視和有效防范，相關(guān)的風(fēng)險評估應(yīng)涵蓋瓦斯爆炸對井口外部區(qū)域的危害效應(yīng)，而瓦斯爆炸事故調(diào)查過程中也可結(jié)合本研究結(jié)論，通過井口外部區(qū)域的災(zāi)害分布特征反演井下事故過程。

[1] JANOVSKY B,SELESOVSKY P,HORKELA J,et al.Vented confined explosions in Stramberk experimental mine and AutoReaGas simulation [J].J Loss Prevent Proc,2006,19(2/3):280-287.

[2] BURLUKA A A,GRIFFITHS J F,LIU K,et al.Experimental studies of the role of chemical kinetics in turbulent flames [J].Combustion,Explosion,and Shock Waves,2009,45(4):383-391.

[3] 賈寶山,溫海燕,梁運(yùn)濤,等.受限空間瓦斯爆炸與氫氣促進(jìn)機(jī)理研究 [J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2012,22(2):81-87.

JIA B S,WEN H Y,LIANG Y T,et al.Study on the methane explosion in an enclosed space and hydrogen promoting mechanism [J].China Safety Science Journal,2012,22(2):81-87.

[4] BAKER W E,COX P A,WESTINE P S,et al.Explosion hazards and evaluation [M].New York:Elsevier Scientific Publishing Company,1983:556-560.

[5] 宇德明.重大危險源的評價及火災(zāi)爆炸事故嚴(yán)重度的若干研究 [D].北京:北京理工大學(xué),1997.

YU D M.The study of evaluation of major hazards and accident severity of fire and explosion [D].Beijing:Beijing Institute of Technology,1997.

[6] SALZANO E,MARRA F S,RUSSO G,et al.Numerical simulation of turbulent gas flames in tubes [J].J Hazard Mater,2002,95(3):233-247.

[7] AKINORI H,AKIKO M.Numerical analysis of gas explosion inside two rooms connected by ducts [J].J Loss Prevent Proc,2007,20(4/5/6):455-461.

[8] SILVESTRINI M,GENOVA B,PARISI G,et al.Flame acceleration and DDT run-up distance for smooth and obstacles filled tubes [J].J Loss Prevent Proc,2008,21(5):555-562.

[9] PANG L,ZHANG Q,WANG T,et al.Influence of laneway support spacing on methane/air explosion shock wave [J].Safety Science,2012,50(1):83-89.

[10] ZHANG Q,PANG L.Effect of scale on the explosion of methane in air and its shockwave [J].J Loss Prevent Proc,2011,24(1):43-48.

[11] 王寶興,經(jīng)建生,李 晨,等.鶴崗新興煤礦瓦斯爆炸的幾個疑點(diǎn)與礦難主要原因 [J].消防科學(xué)與技術(shù),2010,29 (4):338-340.

WANG B X,JING J S,LI C,et al.Disbelief and main cause of gas explosion of Hegang Xinxing coal mine [J].Fire Science and Technology,2010,29 (4):338-340.

[12] 新華通訊社.事故的主井口 [N/OL].[2014-03-09].http://news.xinhuanet.com/society/2009-11/23/content_12522593.htm.

Xinhua News Agency.Head of main shaft in accident [N/OL].[2014-03-09].http://news.xinhuanet.com/society/2009-11/23/content_ 12522593.htm.

[13] 新華通訊社.事故礦井附近的礦燈房窗戶被震壞 [N/OL].[2014-03-09].http://news.cctv.com/china/20091121/102696_1.shtml.

Xinhua News Agency.Damaged window of cap lamp room near the mine [N/OL].[2014-03-09].http://news.cctv.com/china/ 20091121/102696_1.shtml.

[14] KINDRACKI J,KOBIERA A,RARATA G,et al.Influence of ignition position and obstacles on explosion development in methane-air mixture in closed vessels [J].J Loss Prevent Proc,2007,20(4/5/6):551-561.

[15] 龐 磊,張 奇,李 偉,等.煤礦巷道瓦斯爆炸沖擊波與高溫氣流的關(guān)系 [J].高壓物理學(xué)報,2011,25(5):457-462.

PANG L,ZHANG Q,LI W,et al.Relationship between shock wave and high-temperature flow produced by gas explosion in coal mine roadways [J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2011,25(5):457-462.

[16] BRAY K N C.Studies of the turbulent burning velocity [J].Proc R Soc Lond A,1990,431:315-335.

[17] 崔克清.安全工程燃燒爆炸理論與技術(shù) [M].中國計量出版社,2005.

CUI K Q.Theory and technology of combustion and explosion in safety engineering [M].Beijing:China Metrology Publishing House,2005.