瓦斯爆炸的研究進展及展望

魏 嘉， 聞利群

（中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051）

引 言

瓦斯煤塵爆炸事故是我國煤礦事故中最嚴重的一種事故。在重特大事故中，瓦斯煤塵爆炸事故致人死亡的人數常年占據首位。瓦斯爆炸產生的瞬間溫度可達1 850℃～2 650℃，壓力可達出壓的9倍之多，爆源附近氣體以每秒幾百米以上的速度向外沖擊，致使人員傷亡、巷道和器材設施損壞。爆炸后的揚起物中生成大量CO2和CO，有窒息和中毒的危險。煤礦井下瓦斯爆炸事故的頻繁發生，促使人們必須深入地研究瓦斯爆炸的傳播規律，以便針對井下的具體條件來預防瓦斯爆炸事故，制造出安全穩定的阻隔爆設施，減輕爆炸事故造成的危害。

1 實驗研究

1910 年，美國礦務局建立了專門的巷道式實驗礦井，開始了對礦井瓦斯爆炸事故的實驗研究，對爆炸過程中火焰傳播速度、爆炸超壓的變化趨勢、障礙物對爆炸波的影響等進行了分析。從實驗研究的啟蒙到今日，全世界各主要產煤國家，如法國、英國、日本、德國、波蘭都陸續建立了自己的大型瓦斯爆炸實驗巷道［1］。我國在這方面的研究起步較晚，但也相繼在煤科總院重慶分院、北京理工大學、中國礦業大學、南京理工大學等建立了井下巷道或實驗巷道的氣體爆炸實驗系統。煤科總院重慶分院的第1條瓦斯煤塵爆炸實驗巷道建立于1982年，巷道全長896m，橫截面積為7.2m2。司榮軍［2］、徐景德等都利用該實驗巷道做了關于瓦斯爆炸的實驗，他們分別選用不同的瓦斯與空氣混合體積，針對爆炸壓力峰值、壓力增長速率、最高壓力峰值與爆源點的距離、火焰溫度等數據進行了研究。測量火焰傳播速度的方法有2種，一種是利用相鄰光電傳感器的距離與時間差的比值進行計算，這個方法誤差率大。另一種是利用高速攝像機對火焰的傳播過程進行記錄，然后通過火焰傳播的傳播路徑和經過時間來計算。

為了獲得更多關于巷道比例尺寸、障礙物尺寸大小、數量多少及壁面粗糙程度等一些外因對瓦斯爆炸傳播的影響，需要頻繁地修改巷道結構，這樣做雖然可以得到更接近井下環境中爆炸的真實數據，但成本高、周期長、實用性不強。著重于小尺寸管道的爆炸實驗似乎更切合實際。

2 不同因素對爆炸傳播特性的影響

2.1 障礙物

Moen等［3］針對障礙物對爆炸過程中壓力及火焰傳播速度進行了研究。實驗得出，與無障礙物時火焰速度相比，障礙物的加入可以使火焰速度增加24倍，并且火焰在經過障礙物后速度下降。

Masri等［4］研究了障礙物的形狀、尺寸和阻塞率對管道內瓦斯爆炸傳播特征的影響。研究發現，矩形截面障礙物對火焰加速和爆炸壓力影響最大，圓形截面對火焰加速和爆炸壓力的影響最?。蛔枞实脑龃髸е卤▔毫Φ脑龃?。

徐景德、張莉聰等［5］研究了障礙物對瓦斯煤塵爆炸傳播過程特征的影響。他們認為，障礙物可以促使爆炸產生的新組分充分混合接觸，促進反應速率；壓力波在傳至障礙物處會被障礙物壓縮，反射一部分，生成疊加區域，從而導致壓力增大，影響火焰的傳播速度。

2.2 煤塵

費國云等［6］對瓦斯爆炸誘導沉積煤塵爆炸的機理進行了實驗研究。他們認為，煤塵在沉積狀態下不會對瓦斯爆炸起推進作用，當瓦斯爆炸沖擊波傳播過來后，由于波后氣壓升高，煤塵會受到一個揚升的動力。當揚升動力大于所需的最小動力時，煤塵粒子被揚起形成煤塵云，會達到爆炸濃度。當爆炸火焰傳播過來時，就會發生爆炸。

何朝元、劉義等［7-8］進行了煤塵與不同濃度的瓦斯混合的爆炸實驗。實驗得出結論，揮發分的增加會導致最小點火能量的指數級下降，增大危險性，瓦斯的混入、煤塵揮發分的增高都會致使煤塵爆炸的最低下限濃度下降。而且，混合爆炸的最高爆炸超壓會升高，沖擊波速度會加快，從而增強了煤塵爆炸的破壞力。

陳東梁等［9-10］針對甲烷混合爆炸中甲烷含量、煤塵種類、濃度和粒徑在不同情況下，對復合爆炸火焰的傳播特性和煤塵最低爆炸濃度的影響進行了分析。

2.3 不同巷道結構

林柏泉等［11］研究分析了瓦斯爆炸在分岔管道（包括直管、分岔、拐彎、U形管、Z管等不同形狀）中的傳播規律。實驗得出，分岔管道對爆炸火焰和壓力都有明顯的增強作用，爆炸沖擊波和爆炸火焰對岔道處管壁的破壞特別大。

菅從光等［11］研究分析了巷道斷面的不同對瓦斯爆炸特性的影響。實驗發現，巷道斷面的突然增大或突然縮小，這2種情況都會使火焰的傳播速度劇增。巷道斷面的突然減小會使局部壓力增大，形成一定的壓力差，推動火焰的加速傳播；而斷面的突然增大會增大斷面兩側壓力差。巷道斷面的突然增大和縮小造成的壓力差相比，斷面增大造成的壓力差更大，更能推進火焰的傳播，增大火焰的傳播速度。

景國勛［12］在此基礎上進一步研究了爆炸沖擊波在管道拐彎和截面積突變情況下的變化規律。

總的來說，目前，國內外瓦斯爆炸、瓦斯煤塵混合爆炸實驗絕大部分是在模擬的小型管道中進行，而模擬的小型管道與實際礦井下巷道之間在空間尺度、重力、壓力、濕度等不同環境因素方面存在很大的不同，而且巷道的多樣不規則性對瓦斯爆炸有著很大的影響。因此，無論是實驗礦井還是小型管道實驗測得的數據與真實礦井相比，還是存在一定誤差的。

3 數值模擬研究

現在，比較成熟的模擬商用軟件主要有Auto-ReaGas、Fluent、FLACS等。

江丙友等［13］采用AutoReaGas軟件對瓦斯爆炸沖擊波在并聯巷道內的傳播特征進行了數值模擬。研究結果顯示，沖擊波峰值超壓和最高溫度隨著巷道距離的增加而不斷減小，傳播到回風巷交叉口時，2條相向傳播的沖擊波在此處交匯并相互疊加，導致沖擊波超壓和溫度突然增大；2個并聯采煤工作面最高溫度與峰值超壓在巷道內的變化規律基本一致。

王志榮［14］運用Fluent軟件采用k-e湍流模型和渦破碎燃燒模型，通過解守恒方程，模擬了密閉管道內均勻混合氣體爆炸過程，研究了點火位置、氣體濃度、管道長徑比和管道內障礙物等對爆炸過程影響；還模擬了連通容器內氣體爆炸過程中火焰傳播、壓力變化以及湍流流動過程。數值模擬結果與實驗基本上一致。

Khokhlov等［15］采用二維 N-S方程對乙炔-空氣混合爆炸過程進行了數值模擬研究，并證明從爆燃向爆轟的轉變是由于火焰前鋒與爆炸波的相互作用，爆炸波的推進和火焰使未反應區產生高溫高壓區域，高溫高壓區域通過梯度機理致使爆燃向爆轟的轉變。

吳兵等［16］采用三維N-S方程，用TVD格式對瓦斯爆炸過程進行了數值模擬，分析了障礙物對爆炸過程中壓力波、火焰溫度的影響。

4 反應機理

瓦斯的主要成分是甲烷。甲烷的化學反應機理是十分復雜的，在不同的環境中也有所不同。所以，要針對不同的情況，選擇不同的反應機理，才能更真實地模擬，得出較真實的數據。國內外的很多學者都研究分析了很多氧化反應機理。如，著名的GRIMECH機理是由美國BERKELEY大學提出的，其中包含了177個基元反應，32種組分［17］；Mile等提出的反應機理中有235個基元反應，包含51種組分；Glarborg等得出的機理中有438個基元反應，包含63種組分。由于上述的這些反應機理都比較復雜，因此學者們又提出了許多簡化的反應機理，主要有：部分平衡法、準穩態近似法和速率控制受限平衡法。比較常用的簡化機理有17組分40步反應機理和14組分28步反應機理［18-19］。司榮軍、宋廣鵬、李潤之等用的是趙堅行［20］提出的碳氫燃燒兩步和四步反應系統。

5 未來展望

目前，通過大型巷道、小尺寸實驗研究和數值模擬仿真研究對瓦斯爆炸、瓦斯煤塵混合爆炸取得了一定的研究成果，為預防瓦斯-煤塵爆炸、控制爆炸事故嚴重程度及事故調查取證提供了理論依據。但是，在以下幾個方面還需作深入探討。

1）煤礦井下的實際條件比較復雜，巷道結構交叉相連，巷道的結構如何設置才能降低瓦斯爆炸沖擊波的破壞力。實驗中的瓦斯、瓦斯-煤塵的濃度都是均勻的，但實際井下的瓦斯、瓦斯-煤塵濃度分布是不均勻的，爆炸環境除了考慮溫度、壓力以外，還應該考慮濕度、氣流速率等因素對爆炸特性的影響。

2）目前為止，數值模擬仿真技術的發展相當快，模擬得出的數據與實驗所得基本相符。但是，如何將模擬的計算時間縮短、精度提高，爆炸過程可視化，簡化數據結果等這些方面都有待提高。

［1］ 李潤之.瓦斯爆炸誘導沉積煤塵爆炸的研究［D］.北京：煤炭科學研究總院，2007.

［2］ 司榮軍.礦井瓦斯煤塵爆炸傳播規律研究［D］.青島：山東科技大學，2007.

［3］ Moen I O，Bjerketvedt D，Rinnan A，et al.Deflagration of detonation from tubes into a large fuel-air explosive cloud［J］.Symposium （International）on Combustion Elsevier，1982，19（1）：635-644.

［4］ Masri A R，Ibrahim S S，Nehzat N，et al.Experimental study of premixed flame propagation over various solid obstructions［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2000，21（1）：109-116.

［5］ 張莉聰，徐景得，吳兵，等.甲烷-煤塵爆炸波與障礙物相互作用的數值研究［J］.中國安全科學學報，2004，14（8）：82-85.

［6］ 費國云.獨頭巷道中瓦斯爆炸引爆沉積煤塵的實驗［J］.煤炭工程師，1997（4）：16-19.

［7］ 劉義.甲烷、煤塵火焰結構及傳播特征的研究［D］.大連：大連理工大學，2000.

［8］ 何朝遠.瓦斯煤塵共存條件下爆炸危險性的研究［J］.煤礦安全，1996（12）：5-6.

［9］ 陳東梁，孫金華，劉義，等.甲烷、煤塵復合體系燃燒特性及火焰結構的實驗研究［J］.自然科學進展，2007，17（4）：494-499.

［10］劉義.甲烷、煤塵火焰結構及傳播特性的研究［D］.合肥：中國科學技術大學，2006.

［11］菅從光，林柏泉.瓦斯爆炸過程中爆炸波的結構變化規律［J］.中國礦業大學學報，2003，32（4）：363-366.

［12］賈智偉，景國勛，程磊，等.巷道截面積突變情況下瓦斯爆炸沖擊波傳播規律的研究［J］.中國安全科學學報，2007，17（12）：92-94.

［13］江丙友，林柏泉，朱傳杰，等.瓦斯爆炸沖擊波在并聯巷道中傳播特性的數值模擬［J］.燃燒科學與技術，2011，17（3）：250-254.

［14］王志榮.受限空間氣體爆炸傳播及其動力學過程研究［D］.南京：南京工業大學，2005.

［15］Khokhlov A M，Oran E S，Thomas G O.Numerical simulation ofdeflagration-to-detonation transition：the role of shock-flame interactions in turbulent flames［J］.Combustion and Flame，1999，117（1/2）：323-339.

［16］吳兵，張莉聰，徐景德.瓦斯爆炸運動火焰生成壓力波的數值模擬［J］.中國礦業大學學報，2005，34（4）：423-426.

［17］靳建明.火焰在激波誘導下穩定性問題的數值模擬與實驗驗證［D］.南京：南京理工大學，2004.

［18］王從銀.瓦斯爆炸火焰傳播機理與火焰特性的實驗研究［D］.徐州：中國礦業大學，2001.

［19］周霖.爆炸化學基礎［M］.北京：北京理工大學出版社，2005.

［20］趙堅行.燃燒的數值模擬［M］.北京：科學出版社，2002.