回采工作面瓦斯爆炸風(fēng)門沖擊載荷研究*

高建良，王文祺，吳澤琳，陳太東，蔡行行

(1.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；3.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454003)

0 引言

煤礦井下開采技術(shù)進(jìn)步及煤礦開采深度的加深導(dǎo)致瓦斯涌出量增加，瓦斯積聚和超限所引發(fā)瓦斯爆炸的概率也隨之增大[1-2]。在瓦斯爆炸事故中，回采工作面上隅角瓦斯積聚引發(fā)瓦斯爆炸所占比例較大，其產(chǎn)生的沖擊波將沿著回風(fēng)巷等巷道傳播。進(jìn)入回風(fēng)巷的沖擊波將會摧毀回風(fēng)巷與運輸巷、行人巷之間的風(fēng)門，從而進(jìn)入運輸巷、行人巷以及下一個工作地點。因發(fā)生瓦斯爆炸后風(fēng)門的破壞可能會造成風(fēng)流紊亂及人員傷亡，故研究瓦斯爆炸情況下，風(fēng)門所受的沖擊載荷變化規(guī)律意義重大，且可為減少瓦斯爆炸后的災(zāi)害損失提供依據(jù)。

由于礦井瓦斯爆炸實驗需要較多的人力、物力去完成。因此，大量學(xué)者使用數(shù)值模擬方式對煤礦瓦斯爆炸過程進(jìn)行研究。Gao等[3]利用CFD軟件建立瓦斯爆炸的數(shù)值模型，研究火焰和激波的傳播特性；趙軍凱等[4]、龐磊等[5]、馬秋菊等[6]借助計算流體力學(xué)軟件Fluent研究得出，在體積分?jǐn)?shù)為9.5%的瓦斯氣體爆炸過程中，火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒊瑝汉蜏囟染畲?；馮路陽[7]運用Fluent軟件對不同濃度下的瓦斯爆炸過程進(jìn)行研究得出，管道中瓦斯爆炸溫度值隨著管徑的增大而增大，密閉條件下瓦斯爆炸后管道內(nèi)各點的壓力值大小分布較為均勻；孟亦飛等[8]、徐阿猛等[9]利用Fluent軟件研究得出，障礙物的存在可改變通風(fēng)管網(wǎng)內(nèi)未燃瓦斯的積聚區(qū)域，隨著障礙物尺寸的增加，爆炸超壓峰值也隨之增加；朱邵飛等[10]采用流固耦合算法，了解瓦斯爆炸沖擊波的衰減過程，并發(fā)現(xiàn)在受限空間會發(fā)生反射與疊加的現(xiàn)象；江丙友等[11]運用AutoReaGas軟件模擬得出，沖擊波在采煤工作面首尾相連巷網(wǎng)中傳播時，沖擊波超壓最大值和最高溫度持續(xù)減小，向同一方向傳播的2個沖擊波由于疊加效應(yīng)，超壓顯著增大；鄧照玉[12]、程衛(wèi)民等[13]利用ANSYS/LS-DYNA研究瓦斯爆炸對巷道的破壞效應(yīng)得出，在巷道壁面邊緣位置和中心位置超壓測值越大，其壁面損傷相對越嚴(yán)重，風(fēng)門門垛最薄弱位置就是風(fēng)筒所在位置；朱傳杰等[14]研究封閉型管道內(nèi)瓦斯爆炸的傳播特征，結(jié)果表明閉口型系統(tǒng)內(nèi)的瓦斯爆炸呈明顯的振蕩特征；高科等[15]借助開源化學(xué)動力學(xué)軟件Cantera研究瓦斯爆炸特性的影響因素得出，在沖擊波誘導(dǎo)瓦斯爆炸中，點火延遲時間隨著瓦斯體積分?jǐn)?shù)的增大而出現(xiàn)增大現(xiàn)象，隨沖擊波強度的增大而降低。

上述研究主要是針對不同因素對瓦斯爆炸沖擊波的強度、特征及超壓變化的影響進(jìn)行研究，但對瓦斯爆炸后風(fēng)門等通風(fēng)構(gòu)筑物的研究不足。本文結(jié)合羊場灣礦井Ⅱ020612回采工作面的實際情況，對在風(fēng)門無破壞的情況下，工作面上隅角不同體積的瓦斯爆炸后沖擊波傳播過程開展模擬研究。研究結(jié)果可為煤礦井下風(fēng)門的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

1 瓦斯爆炸計算模型的建立

1.1 回采工作面風(fēng)門布置概況

羊場灣Ⅱ020612回采工作面巷道為U型布置，由采區(qū)軌道下山、采區(qū)運人下山、回采工作面進(jìn)風(fēng)巷、回采工作面回風(fēng)巷、采區(qū)回風(fēng)下山構(gòu)成，在回風(fēng)巷及進(jìn)風(fēng)巷的另一端計劃開設(shè)進(jìn)風(fēng)巷綜掘面以及回風(fēng)巷綜掘面。

回采工作面布置中有3處風(fēng)門，作用分別為隔絕回采工作面回風(fēng)巷與采區(qū)軌道下山的風(fēng)流(稱為風(fēng)門a)、隔絕回采工作面進(jìn)風(fēng)巷與回采工作面進(jìn)風(fēng)巷綜掘面風(fēng)流(稱為風(fēng)門b)、隔絕采區(qū)運人下山、采區(qū)軌道下山以及回采工作面進(jìn)風(fēng)巷綜掘面風(fēng)流(稱為風(fēng)門c)。風(fēng)門a位于回采工作面回風(fēng)巷支路中，風(fēng)門b位于回采工作面進(jìn)風(fēng)巷中，風(fēng)門c位于回采工作面進(jìn)風(fēng)巷支路中。Ⅱ020612回采工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 Ⅱ020612回采工作面巷道布置

1.2 物理模型的構(gòu)建

根據(jù)羊場灣礦井Ⅱ020612回采工作面原比例尺寸，及數(shù)值模擬平臺情況，適當(dāng)簡化部分巷道，建立三維立體模型，如圖2所示。根據(jù)礦井實際采煤高度及巷道設(shè)計情況，將巷道截面簡化為寬5 m、高3 m的矩形。

圖2 三維幾何模型

利用ANSYS軟件中mesh單元模塊對所建立的三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為提高計算效率，采用500 mm劃分1個網(wǎng)格。

1.3 數(shù)學(xué)模型的確定

瓦斯爆炸本質(zhì)上是帶化學(xué)反應(yīng)氣體的流動過程，可用Navier-Stokes(N-S)方程來模擬，包括質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程以及描述化學(xué)反應(yīng)的組分方程。具體方程可以統(tǒng)一表示為式(1)：

(1)

式中：ρ為流體的密度，kg/m3；xj為空間坐標(biāo)(j=1，2，3)；uj為直角坐標(biāo)系下xj方向的速度分量，m/s；φ為通用變量；t為時間，s；Sφ為源項；Γφ為φ的交換系數(shù)。

瓦斯爆炸是1種劇烈的化學(xué)反應(yīng)，瓦斯爆炸后流場會產(chǎn)生較多大漩渦，因使用N-S方程對瓦斯爆炸狀況下進(jìn)行數(shù)值模擬時計算量過大，因此本文利用大渦模擬(LES)方法對其進(jìn)行計算。通過該方法將流場進(jìn)行劃分，按照尺度大小分為大尺度和小尺度，對大尺度的流場通過N-S方程進(jìn)行直接計算，小尺度流場進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 瓦斯爆炸求解參數(shù)的確定

2.1 邊界條件的設(shè)置

1)將采區(qū)運人下山、采區(qū)軌道下山與回采工作面進(jìn)風(fēng)巷支路接觸面設(shè)為壓力入口，采區(qū)回風(fēng)下山與回采工作面回風(fēng)巷相交的斷面設(shè)為壓力出口。

2)將其他面邊界類型均設(shè)置為絕熱壁面，溫度為300 K；壁面無位移與滲透，且與外界無熱輻射及熱交換。

3)風(fēng)門在礦井中的主要作用是確保通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，減少無效漏風(fēng)，通常為關(guān)閉狀態(tài)。在數(shù)值模擬中設(shè)置風(fēng)門邊界類型為墻壁，將所在斷面設(shè)置為數(shù)據(jù)測量點，記錄風(fēng)門的平均超壓變化。

2.2 初始條件的設(shè)置

結(jié)合羊場灣礦井的實際瓦斯涌出情況，設(shè)置回采工作面上隅角聚集瓦斯的體積分?jǐn)?shù)為9.5%(空氣預(yù)混氣體)，聚集區(qū)域的長度為0.3，2.3，4.3，6.3，8.3，10.3，12.3 m，對應(yīng)的瓦斯積聚體積為5，35，65，95，125，155，185 m3。

1)充填瓦斯區(qū)域(除點火區(qū)外)的初始條件：預(yù)混氣體中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為ωCH4=0.053，ωO2=0.212，ωCO2=0，ωH2O=0；初始溫度T=300 K。

2)一般空氣區(qū)的初始溫度T=300 K；氣體中各組分的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為ωCH4=0，ωO2=0.23，ωCO2=0，ωH2O=0。

3)點火區(qū)設(shè)置為1個球性高溫、高壓區(qū)域，假設(shè)氧化反應(yīng)完全，溫度為T=1 600 K；點火區(qū)中氣體各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為ωCH4=0，ωO2=0，ωCO2=0.145，ωH2O=0.118。

2.3 求解參數(shù)設(shè)置

壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，甲烷燃燒化學(xué)反應(yīng)采用Eddy-Dissipation-Concept(EDC)渦擴散模型。壓力項、動量及能量湍流相關(guān)量、組分相關(guān)量采用二階迎風(fēng)格式。離散方程組的耦合解采用SIMPLE算法。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 風(fēng)門沖擊載荷隨時間的變化

為研究瓦斯爆炸后沖擊波對風(fēng)門的影響，模擬上隅角瓦斯積聚體積為5，35，65，95，125，155，185 m3時風(fēng)門的沖擊載荷變化。

瓦斯積聚體積95，125，155，185 m3的情況下各風(fēng)門沖擊載荷隨時間的演變過程如圖3～5所示。

由圖3～5可知，不同瓦斯爆炸體積下風(fēng)門a～c沖擊載荷隨時間的演變規(guī)律基本均為瞬間達(dá)到最大值，之后快速衰減，在短時間內(nèi)再次上升。

由圖3～4可知，風(fēng)門a～b處沖擊載荷隨著時間的變化情況基本一致，出現(xiàn)2個峰值，各個峰值形成原因不同。由于瓦斯爆炸后產(chǎn)生具有高溫高壓的爆轟氣體，產(chǎn)生的氣體壓縮周圍的空氣，導(dǎo)致空氣壓強跳躍式升高，空氣產(chǎn)生高速位移，形成1個壓縮狀態(tài)的沖擊空氣層；當(dāng)壓縮的空氣層至風(fēng)門時，風(fēng)門狀態(tài)參數(shù)改變，沖擊載荷突躍，形成第1個沖擊載荷峰值。沖擊波的波陣面在到達(dá)風(fēng)門后產(chǎn)生反射，風(fēng)門沖擊載荷在峰值后下降，由于沖擊波是由多道壓縮波疊加形成，波陣面在風(fēng)門處反射后與后方壓縮波相遇，產(chǎn)生碰撞與反射，部分沖擊波再次傳播至風(fēng)門處，形成峰值2。沖擊波向前推進(jìn)時，由于受井下巷道壁面限制會向其他方向傳播，并在粗糙的巷道壁面上發(fā)生反射，巷道形狀不同，則反射波大小、方向及到達(dá)風(fēng)門時間不同。因此，風(fēng)門沖擊載荷在恢復(fù)到常壓過程中有不同程度的波動，在曲線上表現(xiàn)為峰值2后的波動式下降。

圖3 風(fēng)門a在不同瓦斯積聚體積下沖擊載荷變化

圖4 風(fēng)門b在不同瓦斯積聚體積下沖擊載荷變化

由圖5可知，風(fēng)門c沖擊載荷變化在前期與風(fēng)門a～b變化相同，但在后期出現(xiàn)峰值3。這是因為風(fēng)門c在回采工作面進(jìn)風(fēng)巷支路中，風(fēng)門b在回采工作面進(jìn)風(fēng)巷中，沖擊波在風(fēng)門b的表面反射后沿進(jìn)風(fēng)巷返回進(jìn)入支路中，且遠(yuǎn)大于風(fēng)門c處的反射波，因此會繼續(xù)向風(fēng)門c傳播，導(dǎo)致風(fēng)門c沖擊載荷值再次上升，形成峰值3。

圖5 風(fēng)門c在不同瓦斯積聚體積下沖擊載荷變化

3.2 不同瓦斯爆炸體積對風(fēng)門沖擊載荷最大值的影響

根據(jù)模擬的結(jié)果分析不同瓦斯爆炸體積對風(fēng)門沖擊載荷的影響，得出風(fēng)門沖擊載荷最大值隨著瓦斯變化的規(guī)律。

在不同瓦斯積聚體積下風(fēng)門沖擊載荷最大值情況如圖6所示。

由圖6可知，隨著瓦斯積聚體積的增加，沖擊載荷最大值增加幅度由大變小，曲線呈現(xiàn)上凸式。瓦斯爆炸體積從5 m3增加到185 m3，風(fēng)門a沖擊載荷增加4.4倍；風(fēng)門b沖擊載荷增加8倍；風(fēng)門c沖擊載荷增加4.6倍。風(fēng)門b沖擊載荷最大值增加幅度大于風(fēng)門a，c沖擊載荷最大值增加幅度。這是由于瓦斯爆炸體積增加，爆炸后沖擊波的速度增大，沖擊波進(jìn)入支路中減少，沖擊波衰減程度小。

圖6 不同瓦斯爆炸體積下風(fēng)門沖擊載荷的最大值

風(fēng)門沖擊載荷最大值與瓦斯積聚量呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，但不同位置的風(fēng)門呈現(xiàn)的具體對應(yīng)關(guān)系不同，位于回風(fēng)巷中的風(fēng)門沖擊載荷與瓦斯積聚體積對應(yīng)方程為y=0.026 5x0.447，位于進(jìn)風(fēng)巷直巷中的風(fēng)門對應(yīng)方程為y=0.02x0.626，位于進(jìn)風(fēng)巷支巷中的風(fēng)門對應(yīng)方程為y=0.012x0.467。

3.3 不同瓦斯爆炸體積對風(fēng)門沖擊載荷達(dá)到最大值的時間影響

不同瓦斯爆炸體積下風(fēng)門到達(dá)沖擊載荷最大值的時間隨瓦解積聚量變化如圖7所示。由圖7可知，隨著瓦斯爆炸體積的增加，風(fēng)門達(dá)到?jīng)_擊載荷最大值的時間減小幅度變小，曲線呈現(xiàn)下凸式。風(fēng)門a到達(dá)沖擊載荷最大值的時間小于風(fēng)門b～c到達(dá)沖擊載荷最大值的時間，這是由于風(fēng)門a～c距爆炸地點分別為617，770，750 m，風(fēng)門a距離爆炸地點較近。風(fēng)門b達(dá)到?jīng)_擊載荷最大值小于風(fēng)門c的，是由于風(fēng)門b在回采工作進(jìn)風(fēng)巷中，風(fēng)門c在回采工作面進(jìn)風(fēng)巷支路中，在距離相差較小的情況下，進(jìn)風(fēng)巷中沖擊波的速度大于進(jìn)風(fēng)巷支路中沖擊波速度。

圖7 不同瓦斯爆炸體積下風(fēng)門到達(dá)沖擊載荷最大值的時間

風(fēng)門沖擊載荷到達(dá)最大值時間與瓦斯積聚量呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，但不同位置的風(fēng)門呈現(xiàn)的具體對應(yīng)關(guān)系不同，位于回風(fēng)巷中的到達(dá)風(fēng)門沖擊載荷時間與瓦斯積聚量對應(yīng)方程為y=1.87x-0.125，位于進(jìn)風(fēng)巷直巷中的風(fēng)門對應(yīng)方程為y=2.201x-0.107，位于進(jìn)風(fēng)巷支巷中的風(fēng)門對應(yīng)方程為y=2.248x-0.105。

4 結(jié)論

1)瓦斯爆炸后，風(fēng)門沖擊載荷出現(xiàn)2次峰值，且第1峰值為最大值；當(dāng)2處風(fēng)門設(shè)計距離較近時，風(fēng)門沖擊載荷會因另一風(fēng)門的反射波傳播至自身風(fēng)門處而出現(xiàn)第3次峰值。

2)隨著瓦斯體積增加，風(fēng)門爆炸沖擊載荷最大值與瓦斯積聚量呈現(xiàn)冪函數(shù)遞增的關(guān)系，不同位置的風(fēng)門具體對應(yīng)關(guān)系不同，位于回風(fēng)巷中的風(fēng)門沖擊載荷與瓦斯積聚量對應(yīng)方程為y=0.026 5x0.447，位于進(jìn)風(fēng)巷直巷中的風(fēng)門對應(yīng)方程為y=0.02x0.626，位于進(jìn)風(fēng)巷支巷中的風(fēng)門對應(yīng)方程為y=0.012x0.467。

3)隨著瓦斯體積增加，風(fēng)門到達(dá)爆炸沖擊載荷最大值時間與瓦斯積聚量呈現(xiàn)冪函數(shù)遞減的關(guān)系，不同位置的風(fēng)門呈現(xiàn)的具體對應(yīng)關(guān)系不同，位于回風(fēng)巷中的達(dá)到風(fēng)門沖擊載荷時間與瓦斯積聚量對應(yīng)方程為y=1.87x-0.125，位于進(jìn)風(fēng)巷直巷中的風(fēng)門對應(yīng)方程為y=2.201x-0.107，位于進(jìn)風(fēng)巷支巷中的風(fēng)門對應(yīng)方程為y=2.248x-0.105。