李淑娟，賈真真，葉 青，程 于，譚帥玉

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)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(nèi)外許多學(xué)者對(duì)瓦斯爆炸特性及其規(guī)律進(jìn)行理論分析、實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬等研究。林柏泉、葉青對(duì)受限空間瓦斯爆炸傳播規(guī)律方面進(jìn)行研究，分析管內(nèi)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(jī)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(xiàn)[2-6]對(duì)障礙物的數(shù)量、形狀、阻塞率等對(duì)瓦斯爆炸超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戦_展實(shí)驗(yàn)研究。由于板型障礙物存在一定面積的缺口時(shí)，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(jié)束時(shí)巷道能夠正常通風(fēng)[7]。文獻(xiàn)[8-11]利用實(shí)驗(yàn)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(duì)瓦斯爆炸壓力與火焰速度的影響規(guī)律。

風(fēng)門是通風(fēng)系統(tǒng)中重要的組成部分，引導(dǎo)和控制礦井風(fēng)流。目前對(duì)風(fēng)門破壞的研究主要集中在瓦斯爆炸沖擊波對(duì)風(fēng)門的破壞失效[12-13]。張?jiān)隽粒锼加甑难芯勘砻黠L(fēng)門在瓦斯爆炸傳播過程中會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)作用[12,14]。作者團(tuán)隊(duì)前期數(shù)值模擬分析了瓦斯爆炸對(duì)風(fēng)門的破壞作用，但沒有考慮風(fēng)窗的影響[15]。然而在實(shí)際情況中，為提高通風(fēng)效率，通常風(fēng)門都設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗[16]。因此，本文通過FLACS軟件建立附有調(diào)節(jié)風(fēng)窗的風(fēng)門-巷道模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬。由于篇幅限制，本文僅模擬不同工況的調(diào)節(jié)風(fēng)窗對(duì)瓦斯爆炸及其傳播的影響。期望研究結(jié)果能為礦井風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)窗設(shè)置提供一定的參考和借鑒，并完善礦井瓦斯爆炸災(zāi)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(shè)置坐標(biāo)原點(diǎn)為模型起點(diǎn)，巷道封閉端指向開口端方向?yàn)檎较颉１疚哪M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(nèi)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(fēng)門之間的整個(gè)空間內(nèi)，填充體積為80 m3。點(diǎn)火源設(shè)置的坐標(biāo)為(2.7 m,1.1 m,1 m)，0 s時(shí)開始點(diǎn)火。

煤礦井下帶有調(diào)節(jié)風(fēng)窗的風(fēng)門如圖1所示。

圖1 實(shí)際的風(fēng)門Fig.1 Actual air door

為方便計(jì)算，進(jìn)行整理簡化，建立風(fēng)門的物理模型，風(fēng)門模型的長、寬均為2 m，厚度為0.1 m，2扇風(fēng)門設(shè)置相同面積的正方形調(diào)節(jié)風(fēng)窗，關(guān)于風(fēng)門中線軸對(duì)稱。結(jié)合實(shí)際情況，本文模擬的調(diào)節(jié)風(fēng)窗采用6種工況，調(diào)節(jié)風(fēng)窗邊長l分別為：0(未設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗)，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 m。將調(diào)節(jié)風(fēng)窗的中心點(diǎn)分別設(shè)置在3個(gè)位置，x，z方向的坐標(biāo)為20 m，1.5 m不變，y方向的坐標(biāo)分別為(0.4,1.6) m，(0.5,1.5) m，(0.6,1.4) m。當(dāng)l=0.3 m時(shí)，風(fēng)門模型示意圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)門模型示意Fig.2 Schematic of air door model

1.2 網(wǎng)格劃分

將整個(gè)巷道設(shè)置為模擬過程的計(jì)算區(qū)域，為確保計(jì)算精度，x軸方向在風(fēng)門處的網(wǎng)格大小設(shè)置為0.1 m，風(fēng)門兩側(cè)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(shè)置7個(gè)測點(diǎn)，即測點(diǎn)1～7，用于檢測爆炸過程中巷道內(nèi)的爆炸特征參數(shù)的變化情況，測點(diǎn)1，2，3位于風(fēng)門前的巷道內(nèi)，其中測點(diǎn)3位于風(fēng)門前0.5個(gè)網(wǎng)格處，測點(diǎn)4，5，6，7位于風(fēng)門后的巷道內(nèi)，其中測點(diǎn)7位于巷道開口末端。

1.3 邊界條件

本文運(yùn)用FLACS 軟件進(jìn)行氣體爆炸的數(shù)值模擬，設(shè)置所有邊界條件為EULER邊界；設(shè)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(jí)為F，即大氣環(huán)境穩(wěn)定。

目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)大多采用通風(fēng)機(jī)-風(fēng)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(fēng)機(jī)-風(fēng)窗聯(lián)合均壓作用。選取的隨時(shí)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(shè)

為使模擬結(jié)果便于計(jì)算，根據(jù)問題的實(shí)際情況，對(duì)本文建立的模型做以下合理假設(shè)：

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(nèi)填充的氣體為不可壓縮氣體。

3)瓦斯爆炸過程為單步反應(yīng)。

4)不考慮調(diào)節(jié)風(fēng)窗對(duì)風(fēng)門原有結(jié)構(gòu)的破壞。

5)忽略風(fēng)門各結(jié)構(gòu)間連接處之間的縫隙。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 爆炸壓力的變化

調(diào)節(jié)風(fēng)窗中心位于位置2，邊長分別為0.2，0.6 m的巷道內(nèi)測點(diǎn)1～7爆炸壓力曲線圖如圖3所示。從圖3可以看出測點(diǎn)1，2，3的壓力值變化規(guī)律相似，均存在多個(gè)壓力峰值，壓力值在波動(dòng)中上升至最大值，隨后波動(dòng)下降至反應(yīng)結(jié)束。測點(diǎn)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(diào)節(jié)風(fēng)窗中心位于位置2時(shí)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(nèi)測點(diǎn)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(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗的巷道內(nèi)只有前3個(gè)測點(diǎn)存在壓力值，最大值可達(dá)0.787 MPa。設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗的巷道內(nèi)測點(diǎn)1～7均存在壓力峰值，并且當(dāng)l=0.2 m時(shí)，風(fēng)門前測點(diǎn)的最大爆炸超壓值為0.379 MPa，是未設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗巷道內(nèi)最大爆炸超壓值的50%。調(diào)節(jié)風(fēng)窗邊長從0 m增加到0.6 m，測點(diǎn)1～ 3的最大爆炸超壓值從0.787 MPa降低到0.170 MPa，而測點(diǎn)4～7的最大爆炸超壓值從0 MPa上升到0.34 MPa。

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

從圖4中可以看出，調(diào)節(jié)風(fēng)窗邊長在0.2～0.5 m之間時(shí)，相同面積情況下，設(shè)置不同中心位置的調(diào)節(jié)風(fēng)窗的巷道內(nèi)最大爆炸超壓值接近。因此，調(diào)節(jié)風(fēng)窗的中心位置對(duì)巷道瓦斯爆炸超壓值影響不大。然而當(dāng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗邊長為0.6 m時(shí)，風(fēng)門的后4個(gè)測點(diǎn)的最大爆炸超壓值受調(diào)節(jié)風(fēng)窗位置變化的影響出現(xiàn)較大差異。

根據(jù)模擬的結(jié)果分析不同調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積對(duì)瓦斯爆炸壓力的影響，得出瓦斯爆炸最大壓力值隨調(diào)節(jié)風(fēng)窗邊長變化的規(guī)律。在不同調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積下測點(diǎn)3(位于風(fēng)門前0.5個(gè)網(wǎng)格)、測點(diǎn)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(diào)節(jié)風(fēng)窗面積的增大，風(fēng)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(diào)節(jié)風(fēng)窗邊長從0 m增加到0.6 m，測點(diǎn)3瓦斯爆炸最大壓力值減少4.4倍；測點(diǎn)7的瓦斯爆炸最大壓力值上升幅度較為平緩，調(diào)節(jié)風(fēng)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(diào)節(jié)風(fēng)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(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)窗邊長呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，但風(fēng)門前后的測點(diǎn)呈現(xiàn)的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系不同，第3個(gè)測點(diǎn)最大瓦斯爆炸壓力值與調(diào)節(jié)風(fēng)窗邊長對(duì)應(yīng)方程為：y=e0.522x2-2.535 45x-0.259，第7個(gè)測點(diǎn)最大瓦斯爆炸壓力值與調(diào)節(jié)風(fēng)窗邊長對(duì)應(yīng)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(diào)節(jié)風(fēng)窗位于位置2時(shí)，巷道內(nèi)的部分火焰進(jìn)程圖，從圖中可知在0.4 s左右，火焰結(jié)構(gòu)開始受到調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積的影響，調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積越大，火焰被拉伸的越明顯。并且調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積較大的巷道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣茸钕燃铀伲鹧娲┻^調(diào)節(jié)風(fēng)窗后，風(fēng)門后巷道內(nèi)的燃燒隨著調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積的增大更加劇烈。

圖6 不同面積調(diào)節(jié)風(fēng)窗位于位置2時(shí)巷道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)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(fēng)門前巷道內(nèi)的混合氣體受沖擊波驅(qū)動(dòng)通過風(fēng)門，造成風(fēng)門后巷道內(nèi)的氣體體積隨調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積增大而增大。研究表明，在一定的范圍內(nèi)，氣體體積越大火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兇骩17]。在風(fēng)門后巷道內(nèi)的混合氣體因預(yù)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)鞑ニ俣龋瑢?dǎo)致風(fēng)門后的火焰?zhèn)鞑ニ俣入S調(diào)節(jié)風(fēng)窗增大而增大。

由圖6可知，這6種調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積的巷道內(nèi)火焰穿過或到達(dá)風(fēng)門的時(shí)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(shí)間變化而獲得，其計(jì)算公式如式(1)所示:

(1)

式中：t為火焰到達(dá)風(fēng)門所用的時(shí)間，s；r為點(diǎn)火點(diǎn)距火焰前沿位置的距離(從點(diǎn)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(zhǔn))，m；v表示火焰?zhèn)鞑ニ俣?，m/s。

調(diào)節(jié)風(fēng)窗中心位于不同位置時(shí)，風(fēng)門前巷道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣入S調(diào)節(jié)風(fēng)窗邊長變化如圖7所示。

圖7 不同調(diào)節(jié)風(fēng)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(diào)節(jié)風(fēng)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(diào)節(jié)風(fēng)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(diào)節(jié)風(fēng)窗邊長呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。相同面積情況下設(shè)置不同位置的調(diào)節(jié)風(fēng)窗的巷道內(nèi)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(diào)節(jié)風(fēng)窗邊長關(guān)系共同擬合為一條曲線。得到火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c調(diào)節(jié)風(fēng)窗邊長對(duì)應(yīng)方程為：y=e-4.218 91x2+4.890 45x+2.190 84。

3 結(jié)論

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

2)相同位置情況下，風(fēng)門前巷道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c調(diào)節(jié)風(fēng)窗邊長呈現(xiàn)指數(shù)遞增函數(shù)關(guān)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(diào)節(jié)風(fēng)窗中心位置對(duì)巷道內(nèi)各測點(diǎn)的最大爆炸超壓值、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懖淮螅挥挟?dāng)l=0.6 m時(shí)，風(fēng)門的后4個(gè)測點(diǎn)最大爆炸超壓值受調(diào)節(jié)風(fēng)窗位置變化的影響出現(xiàn)較大差異。