調節(jié)風窗對瓦斯爆炸影響的數(shù)值分析*

李淑娟，賈真真，葉 青，程 于，譚帥玉

(湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

瓦斯爆炸是煤礦中的重大惡性事故之一，國內外許多學者對瓦斯爆炸特性及其規(guī)律進行理論分析、實驗及數(shù)值模擬等研究。林柏泉、葉青對受限空間瓦斯爆炸傳播規(guī)律方面進行研究，分析管內瓦斯爆炸傳播過程中壓力、溫度及火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律及其加速機理[1]。影響瓦斯爆炸傳播規(guī)律的因素較多，如初始溫度、壓力、障礙物等，文獻[2-6]對障礙物的數(shù)量、形狀、阻塞率等對瓦斯爆炸超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戦_展實驗研究。由于板型障礙物存在一定面積的缺口時，缺口可視為泄爆口，泄爆口能將瓦斯爆炸產(chǎn)生的大量沖擊波排出巷道，保證爆炸結束時巷道能夠正常通風[7]。文獻[8-11]利用實驗與數(shù)值模擬等方法研究泄爆口面積、位置、泄壓口比率等因素對瓦斯爆炸壓力與火焰速度的影響規(guī)律。

風門是通風系統(tǒng)中重要的組成部分，引導和控制礦井風流。目前對風門破壞的研究主要集中在瓦斯爆炸沖擊波對風門的破壞失效[12-13]。張增亮，田思雨的研究表明風門在瓦斯爆炸傳播過程中會產(chǎn)生激勵作用[12,14]。作者團隊前期數(shù)值模擬分析了瓦斯爆炸對風門的破壞作用，但沒有考慮風窗的影響[15]。然而在實際情況中，為提高通風效率，通常風門都設置調節(jié)風窗[16]。因此，本文通過FLACS軟件建立附有調節(jié)風窗的風門-巷道模型，并進行數(shù)值模擬。由于篇幅限制，本文僅模擬不同工況的調節(jié)風窗對瓦斯爆炸及其傳播的影響。期望研究結果能為礦井風門調節(jié)風窗設置提供一定的參考和借鑒，并完善礦井瓦斯爆炸災害防治理論。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

簡化的模擬巷道，一端封閉、一端開口，設置坐標原點為模型起點，巷道封閉端指向開口端方向為正方向。本文模擬的巷道模型在x，y，z軸方向上的長度分別為50，2，2 m，總體積為200 m3。巷道內填充氣體濃度為9.5%的甲烷-空氣混合物，填充范圍為巷道封閉端到風門之間的整個空間內，填充體積為80 m3。點火源設置的坐標為(2.7 m,1.1 m,1 m)，0 s時開始點火。

煤礦井下帶有調節(jié)風窗的風門如圖1所示。

圖1 實際的風門Fig.1 Actual air door

為方便計算，進行整理簡化，建立風門的物理模型，風門模型的長、寬均為2 m，厚度為0.1 m，2扇風門設置相同面積的正方形調節(jié)風窗，關于風門中線軸對稱。結合實際情況，本文模擬的調節(jié)風窗采用6種工況，調節(jié)風窗邊長l分別為：0(未設置調節(jié)風窗)，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 m。將調節(jié)風窗的中心點分別設置在3個位置，x，z方向的坐標為20 m，1.5 m不變，y方向的坐標分別為(0.4,1.6) m，(0.5,1.5) m，(0.6,1.4) m。當l=0.3 m時，風門模型示意圖如圖2所示。

圖2 風門模型示意Fig.2 Schematic of air door model

1.2 網(wǎng)格劃分

將整個巷道設置為模擬過程的計算區(qū)域，為確保計算精度，x軸方向在風門處的網(wǎng)格大小設置為0.1 m，風門兩側5 m為緩沖區(qū)，網(wǎng)格間距介于0.1～0.2 m之間，其余部分的網(wǎng)格大小為0.2 m，y，z方向的網(wǎng)格均勻分布，網(wǎng)格大小為0.1 m。在巷道軸線處，x軸方向的5.5，15.5，19.95，25.5，35.5，45.5，50.1 m處設置7個測點，即測點1～7，用于檢測爆炸過程中巷道內的爆炸特征參數(shù)的變化情況，測點1，2，3位于風門前的巷道內，其中測點3位于風門前0.5個網(wǎng)格處，測點4，5，6，7位于風門后的巷道內，其中測點7位于巷道開口末端。

1.3 邊界條件

本文運用FLACS 軟件進行氣體爆炸的數(shù)值模擬，設置所有邊界條件為EULER邊界；設定的初始條件：溫度為20 ℃，壓力為0.1 MPa，氧氣濃度為20.95%，地面高度為0.01 m，地面粗糙度為0.03，大氣穩(wěn)定性等級為F，即大氣環(huán)境穩(wěn)定。

目前礦井通風系統(tǒng)大多采用通風機-風窗聯(lián)合均壓防滅火系統(tǒng)，但為模擬方便，本文不考慮通風機-風窗聯(lián)合均壓作用。選取的隨時間變化的變量參數(shù)包括p(爆炸壓力，MPa)，pmax(最大爆炸壓力，MPa)，T(爆炸溫度，K)，vvce(流場正反向速度，m/s)。

1.4 基本假設

為使模擬結果便于計算，根據(jù)問題的實際情況，對本文建立的模型做以下合理假設：

1)爆炸過程為絕熱過程，忽略瓦斯爆炸傳播過程中的耗散熱。

2)巷道內填充的氣體為不可壓縮氣體。

3)瓦斯爆炸過程為單步反應。

4)不考慮調節(jié)風窗對風門原有結構的破壞。

5)忽略風門各結構間連接處之間的縫隙。

2 數(shù)值模擬結果及分析

2.1 爆炸壓力的變化

調節(jié)風窗中心位于位置2，邊長分別為0.2，0.6 m的巷道內測點1～7爆炸壓力曲線圖如圖3所示。從圖3可以看出測點1，2，3的壓力值變化規(guī)律相似，均存在多個壓力峰值，壓力值在波動中上升至最大值，隨后波動下降至反應結束。測點4，5，6，7的壓力值變化規(guī)律相似，即爆炸壓力上升至最大之后又迅速下降。

圖3 調節(jié)風窗中心位于位置2時瓦斯爆炸壓力曲線圖Fig.3 Curve of gas explosion pressure when the center of the ventilation-regulator window is at position 2

巷道內測點1～7的最大爆炸壓力值折線圖如圖4所示。從圖4可知未設置調節(jié)風窗的巷道內只有前3個測點存在壓力值，最大值可達0.787 MPa。設置調節(jié)風窗的巷道內測點1～7均存在壓力峰值，并且當l=0.2 m時，風門前測點的最大爆炸超壓值為0.379 MPa，是未設置調節(jié)風窗巷道內最大爆炸超壓值的50%。調節(jié)風窗邊長從0 m增加到0.6 m，測點1～ 3的最大爆炸超壓值從0.787 MPa降低到0.170 MPa，而測點4～7的最大爆炸超壓值從0 MPa上升到0.34 MPa。

圖4 各測點最大爆炸超壓值折線圖Fig.4 Line charts of maximum explosion overpressure at each monitoring point

從圖4發(fā)現(xiàn)調節(jié)風窗面積越小，測點1，2，3的爆炸超壓值越大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：風門前的火焰通過風門時，爆炸壓力作用會反向傳播，反射波與燃燒反應區(qū)相遇，在反射波和后驅沖擊波的作用下，使預混氣體在巷道封閉端與風門之間燃燒反應更加充分。同時從圖4也發(fā)現(xiàn)測點4，5，6，7的最大爆炸超壓值隨調節(jié)風窗面積增大而增大，其原因是：受到爆炸源方向以及反應區(qū)高壓的驅動，瓦斯氣體向巷道末端傳播，并且沖擊波驅動混合氣體通過調節(jié)風窗進入風門后的巷道內，以致調節(jié)風窗面積越大，被沖擊波驅動通過風門的氣體體積越大。

從圖4中可以看出，調節(jié)風窗邊長在0.2～0.5 m之間時，相同面積情況下，設置不同中心位置的調節(jié)風窗的巷道內最大爆炸超壓值接近。因此，調節(jié)風窗的中心位置對巷道瓦斯爆炸超壓值影響不大。然而當調節(jié)風窗邊長為0.6 m時，風門的后4個測點的最大爆炸超壓值受調節(jié)風窗位置變化的影響出現(xiàn)較大差異。

根據(jù)模擬的結果分析不同調節(jié)風窗面積對瓦斯爆炸壓力的影響，得出瓦斯爆炸最大壓力值隨調節(jié)風窗邊長變化的規(guī)律。在不同調節(jié)風窗面積下測點3(位于風門前0.5個網(wǎng)格)、測點7(位于巷道開口末端)的瓦斯爆炸最大壓力值情況如圖5所示。

由圖5可知，隨著調節(jié)風窗面積的增大，風門前瓦斯爆炸最大壓力值降低幅度由大變小，曲線呈現(xiàn)下凹式，調節(jié)風窗邊長從0 m增加到0.6 m，測點3瓦斯爆炸最大壓力值減少4.4倍；測點7的瓦斯爆炸最大壓力值上升幅度較為平緩，調節(jié)風窗邊長從0 m增加到0.6 m，瓦斯爆炸最大壓力值從0 MPa增加到了0.208 MPa。

圖5 不同調節(jié)風窗邊長下瓦斯爆炸最大壓力值Fig.5 Maximum pressure values of gas explosion under different side lengths of ventilation-regulator window

瓦斯爆炸壓力與風門調節(jié)風窗邊長呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關系，但風門前后的測點呈現(xiàn)的具體對應關系不同，第3個測點最大瓦斯爆炸壓力值與調節(jié)風窗邊長對應方程為：y=e0.522x2-2.535 45x-0.259，第7個測點最大瓦斯爆炸壓力值與調節(jié)風窗邊長對應方程為y=e-12.583 54x2+16.033 52x-6.637 08。

2.2 火焰速度的發(fā)展變化

圖6為不同面積的調節(jié)風窗位于位置2時，巷道內的部分火焰進程圖，從圖中可知在0.4 s左右，火焰結構開始受到調節(jié)風窗面積的影響，調節(jié)風窗面積越大，火焰被拉伸的越明顯。并且調節(jié)風窗面積較大的巷道內火焰?zhèn)鞑ニ俣茸钕燃铀伲鹧娲┻^調節(jié)風窗后，風門后巷道內的燃燒隨著調節(jié)風窗面積的增大更加劇烈。

圖6 不同面積調節(jié)風窗位于位置2時巷道內火焰?zhèn)鞑ミM程Fig.6 Flame propagation process in the roadway when the ventilation-regulator window with different areas at position 2

其原因是：風門前巷道內的混合氣體受沖擊波驅動通過風門，造成風門后巷道內的氣體體積隨調節(jié)風窗面積增大而增大。研究表明，在一定的范圍內，氣體體積越大火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兇骩17]。在風門后巷道內的混合氣體因預熱作用產(chǎn)生更大的激波和高熱，極大地提高爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣?，導致風門后的火焰?zhèn)鞑ニ俣入S調節(jié)風窗增大而增大。

由圖6可知，這6種調節(jié)風窗面積的巷道內火焰穿過或到達風門的時間分別為：2.274，1.068，0.682，0.617，0.595，0.525 s?；鹧?zhèn)鞑ニ俣仁歉鶕?jù)火焰前沿位置隨時間變化而獲得，其計算公式如式(1)所示:

(1)

式中：t為火焰到達風門所用的時間，s；r為點火點距火焰前沿位置的距離(從點火位置指向巷道末端為正方向，以巷道中線上火焰前沿位置為準)，m；v表示火焰?zhèn)鞑ニ俣?，m/s。

調節(jié)風窗中心位于不同位置時，風門前巷道內火焰?zhèn)鞑ニ俣入S調節(jié)風窗邊長變化如圖7所示。

圖7 不同調節(jié)風窗面積下火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.7 Flame propagation velocities under different areas of ventilation-regulator window

由圖7可知，隨著調節(jié)風窗面積的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣壬叻扔纱笞冃?，曲線呈現(xiàn)上凸式。調節(jié)風窗邊長從0 m增加到0.6 m，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾恿?.3倍。

火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c調節(jié)風窗邊長呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關系。相同面積情況下設置不同位置的調節(jié)風窗的巷道內火焰?zhèn)鞑ニ俣冉咏?，因此，將位?、位置2、位置3的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c調節(jié)風窗邊長關系共同擬合為一條曲線。得到火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c調節(jié)風窗邊長對應方程為：y=e-4.218 91x2+4.890 45x+2.190 84。

3 結論

1)相同位置情況下，風門前巷道內最大瓦斯爆炸壓力值與調節(jié)風窗邊長呈現(xiàn)指數(shù)遞減關系，下降幅度逐漸減小。而風門后巷道內最大瓦斯爆炸壓力值與調節(jié)風窗邊長呈現(xiàn)指數(shù)遞增關系，增加幅度逐漸減小。

2)相同位置情況下，風門前巷道內火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c調節(jié)風窗邊長呈現(xiàn)指數(shù)遞增函數(shù)關系，增加幅度逐漸減小，最后基本接近穩(wěn)定值。

3)相同面積情況下，調節(jié)風窗中心位置對巷道內各測點的最大爆炸超壓值、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懖淮螅挥挟攍=0.6 m時，風門的后4個測點最大爆炸超壓值受調節(jié)風窗位置變化的影響出現(xiàn)較大差異。