煤礦含障礙物的瓦斯爆炸數(shù)值模擬研究綜述

張莉聰，周振興，李斯曼

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院, 北京 東燕郊 065201)

0 引言

我國(guó)煤炭資源十分豐富，煤炭在能源結(jié)構(gòu)中一直占有重要的地位，它既是重要的工業(yè)原料，也是一種不可再生的能源[1]。據(jù)圖1 2011-2021原煤進(jìn)出口及增長(zhǎng)率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2021年，我國(guó)生產(chǎn)原煤41.3億噸，比上年增長(zhǎng)4.7%；進(jìn)口煤炭2.92億噸。

圖1 2011-2021原煤進(jìn)出口及增長(zhǎng)速率

在過去十年,煤炭在我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重分別在60%和50%以上,在未來相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，煤炭仍然是我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)的主要組成部分,而煤礦的安全生產(chǎn)是我國(guó)能源安全生產(chǎn)面臨的主要問題。在煤礦各類事故中，含塵瓦斯爆炸事故是最嚴(yán)重的事故之一，往往會(huì)造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。據(jù)國(guó)家礦山安監(jiān)局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，近十年我國(guó)共發(fā)生煤礦瓦斯死亡事故272起,造成1952人死亡,瓦斯爆炸、燃燒、窒息事故合計(jì)165起,死亡1217人[2]，其中僅2005年就發(fā)生414起、導(dǎo)致2171人死亡，平均每天發(fā)生1.13起。2020年共發(fā)生煤礦事故122起、死亡225人。國(guó)際上一度認(rèn)為中國(guó)煤礦開采業(yè)是世界最危險(xiǎn)的行業(yè)之一。

由于我國(guó)煤礦多為井工開采，地質(zhì)條件復(fù)雜，煤塵的混入，障礙物的激勵(lì)作用，氧氣和瓦斯的濃度，巷道的幾何形狀等均對(duì)爆炸的極限產(chǎn)生影響。為弄清瓦斯在井下復(fù)雜條件下爆炸的一系列特性及其影響因素，僅僅借助實(shí)驗(yàn)觀察，無法較好地獲得瓦斯爆炸全過程中的細(xì)節(jié)。借助計(jì)算機(jī)，通過數(shù)值模擬進(jìn)行爆炸的動(dòng)態(tài)模擬，可以更加形象地還原爆炸過程，流場(chǎng)的演化過程也更為可視化，通過實(shí)驗(yàn)研究、理對(duì)分析和數(shù)值模擬可以更好研究爆炸機(jī)理、傳播規(guī)律和流場(chǎng)的結(jié)果，本文通過對(duì)前人含障礙物瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究的結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)出瓦斯爆炸參數(shù)研究的現(xiàn)狀，通過對(duì)前人研究展望的分析，嘗試用模擬軟件進(jìn)行分析，進(jìn)一步說明軟件的應(yīng)用范圍和局限性。

1 瓦斯爆炸反應(yīng)機(jī)理

爆炸是某一物質(zhì)系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)極速的發(fā)生物理變化或化學(xué)變化，系統(tǒng)自身的能量借助于氣體的急劇膨脹對(duì)周圍介質(zhì)做機(jī)械功，一般伴有強(qiáng)烈的放熱，發(fā)光和聲響，產(chǎn)生高溫、高壓，瓦斯爆炸和燃燒是熱反應(yīng)和鏈反應(yīng)共同作用的結(jié)果。

爆炸最主要的破壞效應(yīng)就是爆炸波超壓作用，通常用爆炸強(qiáng)度來衡量，爆炸強(qiáng)度的決定因素主要是爆炸壓力和爆炸壓力上升速率。

可燃性混合氣體爆炸產(chǎn)生的壓力與初始?jí)毫?，初始溫度，濃度，組分以及容器等因素有關(guān)。爆炸時(shí)產(chǎn)生的壓力可按壓力與溫度及物質(zhì)的量成正比的規(guī)律確定。具體計(jì)算公式如下：

(1)

式中，pm、Tm、nm分別為爆炸后最大壓力，絕熱火焰溫度和氣體位置的量；p0、T0、n0分別為爆炸前的最大壓力，絕熱火焰溫度和氣體物質(zhì)的量。由此得出爆炸壓力計(jì)算公式為：

(2)

爆炸壓力上升速率是壓力-時(shí)間曲線上升拐點(diǎn)處的切線斜率，其值是爆炸壓力上升最大速率。壓力上升速率是衡量燃燒速度的標(biāo)準(zhǔn)，也是衡量爆炸強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)。

不同的可燃?xì)怏w的最大爆炸壓力及火焰的傳播速度是不同的，到達(dá)最大壓力所需的時(shí)間也不一樣。因此不同的可燃?xì)怏w爆炸時(shí)升壓速度不同。另外，容器體積不同，升壓速度也不一樣，體積越大，升壓速度越??；體積越小，升壓速度越大?？扇?xì)怏w燃燒的最大壓力上升速率與容器的關(guān)系可用“三次方定律”表示：

(3)

KG值通常叫做混合氣體爆炸特征值，并以此值來衡量爆炸的危險(xiǎn)性程度。

爆炸時(shí)對(duì)設(shè)備的破壞程度不僅與最大爆炸壓力有關(guān)，而且與升壓速度有關(guān)。為了衡量爆炸中壓力與壓力上升速度兩個(gè)參數(shù)的綜合作用效果，引人爆炸威力的概念，并認(rèn)為爆炸威力指數(shù)為最大爆炸壓力與平均升壓速度的乘積。

通常意義上的氣體燃燒速度包括火焰?zhèn)鞑ニ俣群蜌怏w本身的燃燒速度。火焰相對(duì)于前方已擾動(dòng)氣體的運(yùn)動(dòng)速度叫燃燒速度，氣體本身的燃燒速度是衡量氣體燃燒特性的重要指標(biāo)[3]，其中，層流預(yù)混火焰的燃燒速度是反應(yīng)物質(zhì)燃燒屬性的特征參數(shù)，表征反應(yīng)物質(zhì)的化學(xué)特性；火焰?zhèn)鞑ニ俣仁腔鹧嫦鄬?duì)于靜止坐標(biāo)系的速率，表征火焰波陣面前氣流的擾動(dòng)情況，通常它不是燃料的特征參數(shù)；混合氣體的燃燒速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢苑从潮土页潭?，燃燒速度越大的氣體，具有更大的危害性和破壞效應(yīng)。

常溫、常壓下的層流燃燒速度稱為基本燃燒速度。預(yù)混氣體層流燃燒作為一種穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑バ问?，在工程?yīng)用和科學(xué)研究領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注?；救紵俣葏?shù)是混合物燃燒的固有特征參數(shù)，在研究中，通常作為可燃性混合氣體重要觀測(cè)參數(shù)，層流燃燒過程是預(yù)混氣體燃燒機(jī)理的基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容，我們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)中所遇到的燃燒現(xiàn)象都有層流燃燒過程。因此，層流燃燒速度是分析和預(yù)測(cè)燃料燃燒性能的重要指標(biāo)，也是是分析和驗(yàn)證燃料燃燒過程的基礎(chǔ)參數(shù)，常常作為模擬燃燒和爆炸機(jī)理的重要輸入?yún)?shù)[6-9]。

燃燒速度較難測(cè)量，而火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢酝ㄟ^一定的測(cè)量手段測(cè)得，例如用光導(dǎo)纖維探頭或電離探針能較方便地測(cè)定管道中的火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｓ捎诨鹧鎮(zhèn)鞑サ牟环€(wěn)定性，故火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y(cè)定易受各種條件的影響。例如，氣體流動(dòng)中的耗散性、界面效應(yīng)、管壁摩擦、密度差、重力作用、障礙物繞流及射流效應(yīng)等可能引起湍流和旋渦，使火焰不穩(wěn)定，其表面變得褶皺不平，從而增大火焰面積、體積和燃燒速度，增強(qiáng)爆炸破壞效應(yīng)。在極端情況下，由于火焰加速面使燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z，達(dá)到最大破壞效應(yīng)。

2 障礙物對(duì)瓦斯爆炸傳播特性的影響研究分析

本文整理了21篇與管道形狀有關(guān)的瓦斯爆炸文獻(xiàn)[3-22]，其中16篇數(shù)值模擬，6篇實(shí)驗(yàn)研究。按引用次數(shù)，數(shù)值模擬研究選取2005年至2020年間文獻(xiàn)，實(shí)驗(yàn)研究選取2011年至2020年間的文獻(xiàn)。上述文獻(xiàn)中不論是實(shí)驗(yàn)研究還是數(shù)值模擬，障礙物的形狀不外乎立體障礙物和平面障礙物，立體障礙物包含正方體，長(zhǎng)方體，圓柱體等規(guī)則形狀；平面障礙物以擋板為主，為實(shí)現(xiàn)不同阻塞率，使用含圓形或者方形孔洞的擋板。

2.1 障礙物的數(shù)量、形狀和阻塞率的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究情況

圖2給出了有關(guān)障礙物數(shù)量、形狀和阻塞率的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究情況，從圖中可以看出：障礙物的數(shù)量，形狀一般是數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)照研究的，而阻塞率的數(shù)值模擬較多，實(shí)驗(yàn)分析略少。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)論中可以看出，障礙物的數(shù)量和阻塞率的增加對(duì)瓦斯爆炸沖擊波壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣染哂邢仍黾雍鬁p小的作用，障礙物的形狀的研究中，方形障礙物的激勵(lì)作用高于圓形障礙物，即發(fā)生的湍流作用越明顯，對(duì)瓦斯爆炸越有促進(jìn)作用。值得注意的是，在障礙物的研究多以剛性障礙物為主，而柔性障礙物的研究少之又少，且無論是數(shù)值模擬還是實(shí)驗(yàn)研究，研究所選取的管道均以水平長(zhǎng)直管道為主，雖還原了井下巷道形狀，但未能真實(shí)的還原井下巷道的障礙物的復(fù)雜情況。

2.2 瓦斯爆炸參數(shù)的研究情況

從圖3瓦斯爆炸參數(shù)研究情況中可以看出，衡量障礙物對(duì)爆炸激勵(lì)效應(yīng)的參數(shù)多以爆炸壓力為主，占比達(dá)60%，其次是火焰?zhèn)鞑ニ俣?，再次為火焰陣面，而?duì)爆炸壓力上升速率、沖擊波的速度和火焰的溫度研究較少。

圖2 障礙物數(shù)量、形狀和阻塞率的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究情況

圖3 瓦斯爆炸參數(shù)研究情況

從實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，火焰遇到障礙物時(shí)，火焰面發(fā)生形變，燃燒面積擴(kuò)大，燃燒速度加快，為前驅(qū)沖擊波提供的能量突然增加，由于管道面積變小后，氣流速度增大，湍流度增加，火焰?zhèn)鞑ミ^程中的湍流效應(yīng)是產(chǎn)生沖擊波的主要因素，爆炸后的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇笮≈苯佑绊懼_擊波的生成和加強(qiáng)程度。

火焰連續(xù)越過障礙物時(shí)，馬赫數(shù)不斷增大，障礙物下游形成強(qiáng)度逐漸增大的大尺度漩渦，火焰不斷發(fā)生褶皺變形，導(dǎo)致火焰上的渦量增大，而更大的湍流強(qiáng)度反過來又使湍流火焰速度升高。壓力波在傳播至障礙物時(shí)被障礙物壓縮，形成反射波，生成疊加區(qū)域，加上壁面反射，形成正反機(jī)制相互影響。

3 結(jié)論

(1) 研究多以剛性障礙物為主，而柔性障礙物的研究少之又少，且無論是數(shù)值模擬還是實(shí)驗(yàn)研究，研究所選取的管道均以水平長(zhǎng)直管道為主，雖還原了井下巷道形狀，但未能真實(shí)的還原井下巷道的障礙物的復(fù)雜情況。

(2) 瓦斯爆炸參數(shù)中爆炸壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧骊嚸嫜芯枯^多、而對(duì)爆炸壓力上升速率、沖擊波的速度和火焰的溫度等爆炸影響更直觀的參數(shù)研究較少。

(3) 關(guān)于爆炸過程的熱爆炸理論和瓦斯爆炸基元反應(yīng)闡述較少。

(4) 選取已有實(shí)驗(yàn)比較對(duì)照的模擬軟件，對(duì)礦井不同障礙物的情況進(jìn)行大量模擬，來更好的反映煤礦真實(shí)的情況，得到更能接近事實(shí)的數(shù)據(jù)資料。

(5) 根據(jù)不同軟件的特點(diǎn)，對(duì)爆炸壓力上升速率、沖擊波的速度和火焰的溫度等爆炸影響更直觀的參數(shù)開展數(shù)值模擬，通過已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行總結(jié)分析，為事故調(diào)查和防范提供更多的支撐。

(6) 根據(jù)不同軟件的特點(diǎn)，結(jié)合爆炸過程的熱爆炸理論和瓦斯爆炸基元反應(yīng)的模型，更好的分析沖擊波和火焰陣面的追趕情況，對(duì)隔爆和阻爆炸提供理論依據(jù)。