瓦斯爆炸衰减规律和破坏效应

1、瓦斯爆炸衰减规律和破坏效应1 引言我国煤矿瓦斯大，瓦斯涌出强度高，危险性较大。大中型煤矿 中，高瓦斯矿井占 20.34%；小型煤矿中，高瓦斯矿井占 15%左右。 随着开采深度的增加，机械化程度的提高，开采强度的增大，瓦斯 涌出量就会进一步增大；那么，瓦斯灾害的治理越来越成为煤矿灾 害防治的重点。因此，在煤矿安全事故中，瓦斯爆炸事故一直是煤 矿最严重的灾害之一。 2004年 10月20日 22:10 ，郑煤集团大平煤矿 突然发生岩巷特大瓦斯事故， 148人遇难； 2004年 11月 28 日上午 07:10 左右，陕西省铜川矿务局陈家山煤矿发生一起瓦斯爆炸事故， 166人遇难； 2005年 2月

2、 1415:03 ，辽宁省阜新市孙家湾煤矿发生一 起特大瓦斯事故，死亡人数 214 人。从以上几起近期发生的影响较大的瓦斯爆炸事故来看，造成大 量的人员伤亡和重大财产损失的原因在于管理漏洞，对发生瓦斯爆 炸后通风系统破坏程度不能及时了解，决策不够及时；反过来，当 决策人员对破坏程度的不同有了了解就有助于救灾决策，确定要保 护的关键的通风构筑物，调节通风系统，使爆炸后产生的有害烟流 及时排出，保持通风系统的稳定、保护井下人员的安全，从而将重 大事故灾害造成的破坏减少到最低程度。无论对于决策人员还是对 于研究人员而言，发生瓦斯爆炸过程中以及瓦斯爆炸后表征爆炸的 压力场、温度场和浓度变化规律和衰减规

3、律的参数的获得都较难。因此，在掘进工作面瓦斯的聚积位置、浓度、体积确定的条件 下，研究瓦斯爆炸后超压、温度和瓦斯浓度的变化、衰减规律，瓦 斯爆炸对通风设施的破坏效应及对通风系统的破坏作用和影响范围， 以及由此而导致的有毒气体的蔓延规律和产生的风流紊乱定量分析， 对于减少瓦斯爆炸灾害对人员的伤亡、建立健全有效可行的瓦斯爆 炸灾害预防处理计划和救灾决策具有十分重要的意义。2 瓦斯爆炸机理瓦斯爆炸事故是经济损失最大、人员伤亡最多的事故，也是造 成社会影响最大的重特大事故。有效防止瓦斯爆炸事故是改善我国 煤矿安全状况的重中之重 1。要想了解瓦斯爆炸冲击波在巷道中 的衰减规律和对井下构筑物或障碍物的破坏

4、作用，就必须首先了解 瓦斯爆炸的传播机理。2.1 掘进巷道瓦斯爆炸的基本模型(1)物理模型建立的条件。本文讨论的瓦斯爆炸发生在一端封 闭、一端开口的平直掘进巷道中，初始状态为常温、常压，声速为 当地声速。以点源来点燃爆炸，点燃位置位于巷道的封闭端；为 研究方便，假设壁面光滑且刚性。爆炸冲击波一般是在扰动区内在 与壁面的相互作用后形成稳定激波的；由于瓦斯爆炸过程中产生 的爆炸冲击波的高速度，爆后形成的混合气体高温、高压，因此， 冲击波在这种介质中传播和衰减时可忽略质量力、粘性和热传导， 但不是以忽略压缩性。(2) 物理模型的建立。以直的掘进巷道为研究对象，发生瓦斯爆炸时其作用相当于一维管道 2。

5、2.2 传播途径矿井瓦斯爆炸的传播过程属于可燃性预混气体在管道类空间中 爆炸的传播过程。由于传播过程中的气体流场的复杂性和冲击波的 存在，研究这一领域的问题历来困难重重。对煤矿瓦斯爆炸现象的 研究，Riemann首先从理论上推导出可压缩流体高速度运动可以产生 激波，激波是一个压力、密度、温度发生突变的间断面。 20 世纪初， ChapmarfH Jouguest建立了爆轰波传播的C J理论3，即将爆 轰波简化为包含瞬间完成化学反应的间断面，从而将复杂的反应流 体力学问题转化纯流体力学问题。但 CJ 理论是建立在一定假设的基础上的，其中两个重要假设 是激波波阵面为平面，波阵面后气体服从理想气体状

6、态方程，这限 制了它在气体爆炸传播过程中的应用。 20世纪 40年代提出的著名的 ZND模型3认为，爆轰波是由无化学反应的激波和跟随其后的一 个反应区组成，未反应的预混气体首先经过激波预压缩到较高的温 度和密度再经过燃烧反应区达到爆轰波的终态。 ZND模型奠定了爆轰 反应流体力学基础，指出燃烧反应区的传播不稳定性，强烈依赖于 反应区的温度。瓦斯爆炸必须3个要素：瓦斯浓度、02浓度和点火源。瓦斯爆炸 是基于链式反应的机理，单位时间内能量释放速度极快；在传播阶段，其混合气体在爆炸冲击波的高压压缩下，存在强烈的热动力学 现象，即快速产热效应。在瓦斯爆炸的传播过程中，从大量的爆炸 试验和理论上都可以证

7、明 : 在大气压力和氧气浓度正常的情况下，瓦 斯爆炸不仅取决于瓦斯浓度和瓦斯体积等因素，还受到爆炸地点环 境气候参数、爆炸空间的几何形状和参量等多个约束的影响。在瓦 斯爆炸过程中存在着复杂的气体流场，存在着激波；同时存在着剧 烈的燃烧现象和空气动力突跃现象。因此，瓦斯与空气的混合气体 爆炸传播实际上是冲击波与燃烧过程的耦合。2.3 传播机理 4爆炸是大量能量在有限体积和极短时间内快速释放或急骤转化 的现象，常分为物理爆炸和化学爆炸。瓦斯爆炸属于化学爆炸，化 学爆炸的一个重要特性是爆炸火焰的存在。气体爆炸和燃烧的区别 是: 如果火焰的传播不依赖气体流动速度，即在火源已经停止作用的 情况下火焰仍可

8、能传播，则这种过程就是燃烧。瓦斯爆炸是指火焰 从火源占据的空间不断地传播到爆炸混合气体所在的整个空间的过 程。矿井瓦斯爆炸属于以甲烷为主的可燃性气体和空气组成的爆炸 性混合性气体在火源引发下发生的一种迅猛氧化反应过程。煤矿瓦斯是一种可燃性爆炸气体，虽然瓦斯燃烧和瓦斯爆炸生 成的最终产物是相同的，而且瓦斯燃烧和爆炸的点火都是基于链式 反应机理，但是爆炸过程的燃烧速度远高于瓦斯的一般燃烧，即其 单位时间内能量释放速度也远大于常态下的瓦斯燃烧过程，深入研究表明，瓦斯爆炸在点火阶段结束以后，其在传播阶段的燃烧本质 上是瓦斯空气混合气体在爆炸冲击波高压压缩下的燃烧过程。与 其他物质爆炸的物理和化学机制一

9、样，瓦斯爆炸过程中的快速产热 效应是其传播过程中强烈动力现象存在的物质基础 5。2.4 影响范围2000 年 9 月发生在贵州水城矿务局木冲沟煤矿特大瓦斯煤尘爆 炸事故，死亡160多人，所产生的冲击波影响范围达 9300m直接经 济损失 1200 多万元。现场调研和后来实验表明，障碍物对爆炸波和 火焰的这种加速作用 6，主要是由于在障碍物附近形成高浓度的 黏性边界层，从而导致湍流，湍流使爆炸波和火焰加速，加速的爆 炸波和火焰又增强湍流 7，这种正反馈作用使爆炸波和火焰不断 加速。在此过程中，由于火焰在障碍物附近形成高浓度的黏性边界 层作用大于爆炸波在障碍物附近形成高浓度的黏性边界层，所以， 障碍物对火焰的加速作用大于爆炸波的加速作用。而爆炸波和火焰 传播速度的增大，则会扩大爆炸事故的影响范围。从这个意义上来 说，为了防止瓦斯爆炸，缩小波及范围，也应尽量避免煤矿井下不 必要的障碍物的存在。另外，可燃气体的爆炸与炸药爆炸最根本的 区别就是爆源特征。炸药爆炸可以看作是理想