徐婷婷,李樹崗,郝慧斌,郝小剛,侯亮科
(1.大同煤礦集團(tuán) 挖金灣煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 大同 037042;2.潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)公司,山西 長治 046100)
在煤礦的開采過程中,瓦斯爆炸是最嚴(yán)重的礦難事故之一,死亡人數(shù)占總?cè)藬?shù)一半以上,爆炸瞬間的溫度可達(dá)2 000 ℃左右,且爆炸后,巷道中CO 和CO2含量迅速增加,導(dǎo)致被困人員中毒窒息死亡[1-6]。本文針對礦井的實際情況,通過使用Fluent 軟件模擬研究瓦斯爆炸過程中沖擊波的傳播規(guī)律,提前設(shè)計出有效的防爆設(shè)施,在很大程度上降低瓦斯爆炸的危害,保障人員的生命安全。
瓦斯爆炸三要素為爆炸極限內(nèi)的瓦斯?jié)舛?、高溫引燃火源和充足的氧氣。煤礦爆炸事故不僅僅是單一的瓦斯爆炸,而是摻雜了煤塵的混合爆炸,同時發(fā)生熱反應(yīng)和鏈反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)[7-8]。
由上式可知,1 mol 甲烷和2 mol 氧氣充分燃燒反應(yīng),釋放能量為882.6 kJ,10.5 m3的空氣中含有2 m3的氧氣,故當(dāng)瓦斯在空氣中的含量為9.5%時,是最危險的狀態(tài),破壞性最大。
瓦斯爆炸的傳播方式主要有沖擊波和火焰陣面,在爆炸的初始階段,沖擊波傳播速度快、破壞性強,隨著瓦斯的燃燒殆盡,爆炸的沖擊波逐漸變?yōu)榭諝獠ǎ欢鹧婷嫦纫郧蛎娴男问较蛲鈧鞑?,?dāng)火焰面碰到煤壁或巷道壁時,火焰面發(fā)生皺褶增加傳播的速度,在傳播的過程中,火焰面的速度先增大后由逐漸減小。此外,當(dāng)爆炸過程中激發(fā)的能量達(dá)到103 ~106 J 時,瓦斯的燃燒就會變成爆轟,傳播速度達(dá)到超音速[9-12]。
若不受外界影響,巷道中沉積的煤塵不會發(fā)生爆炸,只有在外界動力Pd和溫度T 滿足一定的條件的情況下,才能發(fā)生爆炸,如下式所示:
式中:qd為煤塵起揚的最小動力,kPa;Tzh為煤塵燃點,k。
當(dāng)瓦斯爆炸形成的沖擊波傳播到煤塵區(qū)域時,沖擊波在巷道壁面處形成速度梯度和壓力差,這樣給煤塵提供了一個上揚的動力Pd,當(dāng)沖擊波提供的動力Pd大于煤塵起揚的最小動力qd時,煤塵飛揚起來與瓦斯混合;當(dāng)瓦斯爆炸溫度T超過煤塵燃點Tzh時,瓦斯和煤塵發(fā)生爆轟反應(yīng)。
瓦斯爆炸的化學(xué)反應(yīng)過程比較復(fù)雜,查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料,化學(xué)反應(yīng)速率模型主要有4 種,層流有限速率模型、渦耗散模型、層流有限速率/渦耗散模型、渦耗散概念模型,但針對巷道有限空間的瓦斯粉塵爆炸,簡化其反應(yīng)機理,本文選用渦耗散模型。
本文以容積為10.77 L 的水平管為模型,截面尺寸長×寬=14 m×1.4 m,模型內(nèi)部用0.7 m 的網(wǎng)格建模。為了得到瓦斯爆炸過程中火焰的傳播速度的影響因素,把模型的前7 m 作為反應(yīng)區(qū),分別裝入濃度為3%、5%、7%、9%、11%的瓦斯,然后分別混合濃度為200、300、400、500、550 g/m3的煤塵進(jìn)行模擬計算。
為了簡化模型和計算過程,假設(shè)巷道壁面為無滑移、無滲漏、非絕熱型的壁面,粗糙度Ra0.5,模型左端是封閉的,右端為卸壓側(cè)。點火區(qū)域的初始溫度為1 500 K,其余區(qū)域為300 K;模型內(nèi)初始速度為0;煤塵粒徑為40、50、60、70 、90、110 μm,注射速度量 υ 為 0.2 kg/s。
使用Fluent 軟件模擬,以模型左端中間為引爆點,得到了瓦斯和煤塵在巷道爆轟過程中,壓力波的傳播和溫度云圖,如圖1 ~圖2 所示。
圖1 爆轟過程中壓力波的變化過程Fig.1 Pressure wave variation during explosion
圖2 爆轟過程中溫度云圖Fig.2 Cloud of temperature in explosion
由圖1 可知,圖中右上部分深色區(qū)域為甲烷未燃燒區(qū),區(qū)域溫度為初始設(shè)置溫度300 K。圖2 中左邊淺色區(qū)域為瓦斯煤塵爆轟區(qū),爆炸初期形成的火焰面以點火區(qū)為中心向四周傳播,形成火焰球面,當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ较锏辣诿鏁r,受壁面影響和反射作用,火焰在水平方向的傳播速度遠(yuǎn)大于垂直方向。
為了便于分析瓦斯—煤塵模型在爆轟過程中壓力、溫度等參數(shù)的變化,分別取巷道模型內(nèi)離點火點距離1.0、2.5、4、5.5 m 的位置為參考點,通過軟件模擬,繪制出壓力、溫度隨時間的變化圖,如圖3 ~ 圖4 所示。
由圖3 可知,各測點的壓力值,隨著時間先迅速增大后減小,因巷道模型是封閉的,壓力波在傳播過程中受巷道壁的反射疊加的影響,致使壓力最大后還會出現(xiàn)另一個壓力高峰。
此外,相比于后3 處監(jiān)測點,在1.0 m 處的監(jiān)測點,其壓力值的變化速率較慢,而其余監(jiān)測點的壓力值的變化速率非???,壓力曲線基本呈直線垂直上升,這表明后三處監(jiān)測點位于爆轟區(qū)域內(nèi),火焰波呈超音速傳播的狀態(tài)。
圖3 各測點爆轟壓力值隨時間變化關(guān)系Fig.3 Relationship between detonation pressure values at each measuring point and time
圖4 各測點爆轟溫度隨時間變化關(guān)系Fig.4 Relation of detonation temperature at each measuring point with time
由圖4 可知,巷道內(nèi)各監(jiān)測點的最高溫度都在3 000 ~3 300 K,但因巷道模型的邊界是絕熱壁面,且模擬過程中假設(shè)瓦斯和煤塵發(fā)生了充分反應(yīng),造成模擬數(shù)據(jù)要高于實驗數(shù)據(jù),故各測點的實際溫度應(yīng)在2 800 K 左右。同時,四處監(jiān)測點的溫度曲線斜率依次增大,表明火焰面的傳播呈遞增的趨勢。
為了研究煤塵粒徑對瓦斯—煤塵爆轟壓力的影響,選取濃度200 g/m3、粒徑分別為40、50、60、70、90、110 μm 等6 種大小不同的煤塵為模擬介質(zhì),在甲烷濃度為3%、7%、9%不同的條件下進(jìn)行模擬,得到的模擬數(shù)據(jù)見表1。
表1 不同煤塵粒徑的瓦斯- 煤塵爆轟壓力值Table 1 Gas-coal dust detonation pressure values with different coal dust particle sizes
將不同煤塵粒徑的瓦斯—煤塵爆轟壓力值繪制成曲線,如圖5 所示。由圖5 可知,同一瓦斯?jié)舛认?,隨著煤塵粒徑的減小,瓦斯—煤塵爆轟過程中最大壓力值基本呈線性逐漸增大;當(dāng)煤塵粒徑為40 μm,爆轟過程中產(chǎn)生的最大壓力值最大,這與理論實驗值比較接近,實驗表明在不同瓦斯?jié)舛认拢?dāng)粒徑小于43 μm時,均取得了最大爆轟壓力。
圖5 煤塵粒徑對爆炸壓力的影響Fig.5 Influence of coal dust particle size on explosion pressure
在煤礦開采的過程中,瓦斯爆炸嚴(yán)重制約著煤礦的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益,本文通過Fluent 軟件模擬瓦斯- 煤塵爆炸過程,研究其爆炸特性,主要得到以下結(jié)論。
(1) 煤塵粒徑越小,與氧氣接觸越充分,化學(xué)反應(yīng)越強烈,瓦斯—煤塵爆炸過程中最大壓力值越大。
(2) 煤塵粒徑越小,瓦斯—煤塵爆炸過程中的壓力曲線斜率越大,壓力變化值越大。
(3) 煤塵粒徑一定時,隨著瓦斯?jié)舛鹊脑黾?,爆炸過程中的最大壓力先增加后減小。