瓦斯爆炸衰减规律和破坏效应

瓦斯爆炸衰减规律和破坏效应瓦斯爆炸衰减规律和破坏效应 1 引言引言 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 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 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 chapman 和 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 c j 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 o2 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 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 9 300 m 直接经济损失 1 200 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的点源爆炸 能量的 释放是瞬时的 且爆源的尺寸与爆炸的影响范围相比表征为一 个点 瓦斯爆炸则不同 爆炸性混合气体的特征尺寸 8 与火 焰锋面可以达到的最远距离相比是不能忽略的 有时甚至为同 一数量级 这一领域中的研究并不多见 瓦斯爆炸的影响范围最终会 有多大 产生的地震效应到底有多广泛等问题值得研究 3 瓦斯爆炸的破坏效应瓦斯爆炸的破坏效应 瓦斯爆炸的破坏和伤害体现在爆炸的传播过程中 实验研 究和现场勘察表明 瓦斯爆炸产生的致命危险因素有 火焰锋面 的高温灼烧 爆炸冲击波的超压破坏及作用时间和井巷内有毒 有害气体成分的变化 爆炸过程 特别是高能量爆炸中产生的强大冲击波在击碎 地质介质 9 10 的同时 也往往危及到爆炸源附近一定范围 内地下工程的稳定与安全 某直墙拱形地下巷道 锚支 在一次较 大当量的爆炸事件中发生了大范围的坍塌 破坏总长度超过 100 m 巷道完全报废 根据文献资料 火焰速度 100 m s 时所 产生冲击波可近似处理成声波 引起的结构破坏较小 一旦火 焰加速达到 200 m s 时则会引起严重的湍流效应 这种高速火 焰的压力波引起的爆炸波的破坏效应与爆轰波产生的破坏效应 相当 产生构破坏程度很大 究其原因 则是由于在瓦斯爆炸 过程中 瓦斯被点燃后 燃烧产物膨胀 火焰阵面前形成冲击 波 并压缩未反应的混合物 这种冲击波阵面到火焰阵面之间 面积收敛 形成了较大的附加压缩 其最终的流场性质从冲击 波到火焰是逐渐增加的 火焰传播速度越大 冲击波阵面到火 焰阵面之间面积收敛越急剧 超压值就越大 引起的破坏效应 越大 同时 瓦斯爆炸的破坏效应体现在传播阶段 因此 掌 握瓦斯爆炸传播阶段的力学变化特征及物理机制 对于制定瓦 斯阻隔爆措施 查清事故原因 具有理论和实践意义 瓦斯爆 炸的点火阶段是外界火源诱发的链式反应过程 其反应速度以 指数函数形式递增 燃烧迅速从火源附近扩张到整个巷断面 形成爆炸波的初始条件 实验和理论分析均表明 11 13 点 火阶段在瓦 斯爆炸过程中所占时间极短 瓦斯爆炸事故的时间主要体 现在传播阶段 从传播空间上 瓦斯爆炸的传播可分为含瓦斯 气体和一般空气 2 个区域中传播 在含瓦斯气体区域 瓦斯爆 炸传播的物理机制是 点火阶段形成的高温 高压气体迅速向远 离火源方向冲击 高温高压气体与前方气体之间在压力 温度 速度等物理参数上存在突变 即数学间断 表现出明显的波动 效应 两种气体的接触面为前驱冲击波的波阵面 紧随前驱冲 击波后面的是火焰波阵面 火焰波阵面实际上是在已受扰动的 气体中传播 而火焰波后面的气体则与火焰区有显著差异 因 此 这一阶段的爆炸冲击波结构是前驱冲击波波阵面和火焰波 阵面的双波三区结构 由于火焰波不断补充能量 前驱冲击波 的压力 波速是处于递增状态 在这一阶段 火焰传播速度 vf 前驱冲击波的最大压力 pq 是表征瓦斯爆炸伤害与破坏效应的重 要参数 由于前驱冲击波的压缩效应 波后气体与波前气体存 在密度差 根据波动理论 在前驱冲击波传播的同时 存在气 体的膨胀波以当地声速沿其反方向传播 在一般空气区域 瓦 斯气体燃烧完 火焰波消失 爆炸波演变为一般空气冲击波 传播阶段 由于摩擦 巷道壁面的吸热 冲击波的压力 温度 速度参数沿传播方向呈衰减状态 最终恢复至正常大气参数 在这一阶段 气体冲击波的冲量 is 波阵面的超压 p 是决定 其伤害与破坏的关键因素 煤矿瓦斯爆炸的属性一般为爆燃过程 但在一定条件下 瓦 斯浓度分布条件 引爆方式和强度 瓦斯爆炸空间几何特性 8 等 有可能发展为爆轰过程 煤矿巷道发生爆燃 其主 要破坏特征是热破坏效应 机械破坏作用较为有限 但一旦发 生瓦斯爆轰 出现激波 其形成的爆压 爆温 爆速对矿井的 破坏效应比爆燃要大得多 惨重得多 火焰与超压之间的相互 关系是 冲击波阵面的强度与火焰的传播速度有关 火焰速度 100 m s 时 超压较小 由于超压是反映冲击波阵面强度的重要 指标 因此 当火焰速度 100 m s 时 反映出冲击波阵面强度 较弱 一旦火焰速度超过 200 m s 超压明显增大 冲击波阵 面的强度提高 在瓦斯爆炸过程中 瓦斯被点燃后 燃烧产物 膨胀 火焰阵面前形成冲击波 并压缩未反应的混合物 冲击 波阵面到火焰阵面之间面积收敛 形成了较大的附加压缩 其 最终的流场性质从冲击波到火焰是逐渐增加的 火焰传播速度 越快 冲击波阵面到火焰阵面之间面积收敛越急剧 超压值就 越大 引起的破坏效应就可能越大 对于煤矿井下来说 则会 导致经济损失以及人员伤亡的增大 瓦斯爆炸冲击波对通风设施的破坏 与冲击波强弱和目标 有关 描述空气冲击波破坏效应的主要参数有 3 个 峰值超压 正压作用时间和冲量 冲击波峰值超压表示冲击波瞬间作用的 量 而冲量则表达出在温度可达 2 300 时 冲击波的峰值压力 会达到约 30 101 325 pa 而爆炸产物中 co 的浓度会达 9 在 极短时间内就会导致人死亡 有时冲击波的破坏范围会达数千 米 会危及地面安全 正压区时间范围内超压的持续作用量 二者对目标都起破坏作用 哪一个起主要作用 要看目标对冲 击波破坏载荷接受的情况 冲击波破坏作用的准则有 3 个 超压 准则 冲量准则 超压 冲量准则 实验研究表明 当正压区 作用时间大于 10 倍的物体自振动周期时 物体的破坏可以靠冲 击波峰值超计算 按超压准则 只要冲击波超压达到一定值时 便会对目标造成一定的破坏 当超压达到 0 08 0 1 mpa 时 能 使砖墙倒塌 达 0 1 0 21 mpa 时能使防震钢筋混凝土破坏 冲 击波对建筑物破坏作用的研究已有成熟的结果 国家也有关于 建筑物防冲击波破坏的安全距离的设计规定 但对于煤矿井下 通风构筑物的抗冲击波强度值 目前还要进行理论研究或实验 数据的获取 4 分析讨论分析讨论 4 1 存在问题 通过对上述分析研究 瓦斯爆炸的衰减规律和破坏效应方 面的研究存在的问题如下 1 当瓦斯涌出的浓度 体积 聚积位置确定的条件下发生 瓦斯爆炸时 以往的文献对由此产生的爆炸冲击波沿巷道的传 播过程中冲击波是如何衰减的 压力场 温度场 浓度场在时 间 空间上的衰减规律未做出有效的研究 2 井下掘进巷道内不同形状的通风构筑物材料组成 自振 周期等因素各不相同 当瓦斯爆炸冲击波对构筑物产生破坏作 用时 其破坏机理如何 在相互作用当中 冲击波的超压峰值 正压作用时间 比冲量等主要参数 以及空气冲击波波阵面上 的空气密度 绝对温度 声速 空气质点速度 波阵面的传播 速度等参数的变化及它们的关系对破坏效应的影响如何等问题 都需进一步研究 4 2 分析研究对上述问题主要运用数学 热力学 气体动力 学 爆炸动力学等理论 3 14 进行分析 并与实验相结合进 行研究 1 由于瓦斯爆炸过程当中产生高温和高压 爆炸的瞬间未 爆炸的瓦斯空气预混气体和爆炸后的爆轰产物均可视为理想气 体 应用气体状态方程 p1v1t1 p2v2t2 在确定初始条件 p1 v1 t1 和边界条件的情况下 通过理论分析 数值模拟和实验 研究求得 p2 v2 t2 即爆炸后的超压等特征参数 通过对爆 炸后产生的膨胀气体进行研究 利用质量守恒定律 动量守恒 定律 能量守恒定律 内能方程和辅方程求出爆炸后的超压 冲量 爆速 正压作用时间 气体温度等动力学参数并进行比 较