徐婷婷,李樹(shù)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(zhǎng)治 046100)
在煤礦的開(kāi)采過(guò)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(duì)礦井的實(shí)際情況,通過(guò)使用Fluent 軟件模擬研究瓦斯爆炸過(guò)程中沖擊波的傳播規(guī)律,提前設(shè)計(jì)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(shí)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(shí),是最危險(xiǎn)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(qiáng),隨著瓦斯的燃燒殆盡,爆炸的沖擊波逐漸變?yōu)榭諝獠?;而火焰面先以球面的形式向外傳播,?dāng)火焰面碰到煤壁或巷道壁時(shí),火焰面發(fā)生皺褶增加傳播的速度,在傳播的過(guò)程中,火焰面的速度先增大后由逐漸減小。此外,當(dāng)爆炸過(guò)程中激發(fā)的能量達(dá)到103 ~106 J 時(shí),瓦斯的燃燒就會(huì)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(huì)發(fā)生爆炸,只有在外界動(dòng)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(yáng)的最小動(dòng)力,kPa;Tzh為煤塵燃點(diǎn),k。
當(dāng)瓦斯爆炸形成的沖擊波傳播到煤塵區(qū)域時(shí),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(gè)上揚(yáng)的動(dòng)力Pd,當(dāng)沖擊波提供的動(dòng)力Pd大于煤塵起揚(yáng)的最小動(dòng)力qd時(shí),煤塵飛揚(yáng)起來(lái)與瓦斯混合;當(dāng)瓦斯爆炸溫度T超過(guò)煤塵燃點(diǎn)Tzh時(shí),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(guò)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(duì)巷道有限空間的瓦斯粉塵爆炸,簡(jiǎn)化其反應(yīng)機(jī)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(zhǎng)×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(guò)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(jì)算。
為了簡(jiǎn)化模型和計(jì)算過(guò)程,假設(shè)巷道壁面為無(wú)滑移、無(wú)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(diǎn)火區(qū)域的初始溫度為1 500 K,其余區(qū)域?yàn)?00 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(diǎn),得到了瓦斯和煤塵在巷道爆轟過(guò)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(guò)程中壓力波的變化過(guò)程Fig.1 Pressure wave variation during explosion
圖2 爆轟過(guò)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?yàn)榧淄槲慈紵齾^(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?yàn)橥咚姑簤m爆轟區(qū),爆炸初期形成的火焰面以點(diǎn)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(shí),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(guò)程中壓力、溫度等參數(shù)的變化,分別取巷道模型內(nèi)離點(diǎn)火點(diǎn)距離1.0、2.5、4、5.5 m 的位置為參考點(diǎn),通過(guò)軟件模擬,繪制出壓力、溫度隨時(shí)間的變化圖,如圖3 ~ 圖4 所示。
由圖3 可知,各測(cè)點(diǎn)的壓力值,隨著時(shí)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(guò)程中受巷道壁的反射疊加的影響,致使壓力最大后還會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)壓力高峰。
此外,相比于后3 處監(jiān)測(cè)點(diǎn),在1.0 m 處的監(jiān)測(cè)點(diǎn),其壓力值的變化速率較慢,而其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力值的變化速率非常快,壓力曲線基本呈直線垂直上升,這表明后三處監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)爆轟壓力值隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.3 Relationship between detonation pressure values at each measuring point and time
圖4 各測(cè)點(diǎn)爆轟溫度隨時(shí)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(cè)點(diǎn)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(guò)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),故各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際溫度應(yīng)在2 800 K 左右。同時(shí),四處監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shì)。
為了研究煤塵粒徑對(duì)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(jiàn)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(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的最大壓力值最大,這與理論實(shí)驗(yàn)值比較接近,實(shí)驗(yàn)表明在不同瓦斯?jié)舛认?,?dāng)粒徑小于43 μm時(shí),均取得了最大爆轟壓力。
圖5 煤塵粒徑對(duì)爆炸壓力的影響Fig.5 Influence of coal dust particle size on explosion pressure
在煤礦開(kāi)采的過(guò)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(guò)Fluent 軟件模擬瓦斯- 煤塵爆炸過(guò)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(qiáng)烈,瓦斯—煤塵爆炸過(guò)程中最大壓力值越大。
(2) 煤塵粒徑越小,瓦斯—煤塵爆炸過(guò)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(shí),隨著瓦斯?jié)舛鹊脑黾?,爆炸過(guò)程中的最大壓力先增加后減小。