礦井隔爆密閉墻抗暴沖擊壓力的數值模擬研究

陳哲

摘 要：煤礦隔爆密閉墻是煤礦安全生產的重要保障，本文以密閉墻為研究對象，通過密閉墻抗暴沖擊壓力試驗，得到爆炸最大壓力為1.03MPa，通過Fluent數值模擬軟件得到瓦斯爆炸對密封墻造成的最大壓力為0.7MPa，小于試驗過程中測得的1.03MPa，兩者皆遠遠小于礦山壓力疊加最大值5.3MPa，滿足安全生產的要求。

關鍵詞：隔爆密閉墻;沖擊壓力;Fluent數值模擬

1 引言

煤礦密閉墻是防止采空區煤與瓦斯自燃的重要措施。密閉墻不僅能在強度上承受來自料漿的作用力，還能在結構上滿足充填料漿的濾水，在一定的沖擊壓力作用下，即使發生變形，利用其良好的氣密性和強度指數也能起到很好的隔斷作用。目前，充填料漿的力學特性和密閉墻的破壞機理是礦山密閉墻設計的關鍵，傳統的泥漿充填在強大的沖擊力作用下容易造成氣體的泄露，長時間應力作用下，密閉墻的氣密性能降低，嚴重影響生產的安全進行[1]。為此，本文以山西某礦為研究背景，通過密閉墻抗暴沖擊壓力試驗得到爆炸最大壓力為1.03MPa，遠遠小于礦山壓力疊加最大值5.3MPa，滿足生產的安全進行。

2 密閉墻抗暴沖擊壓力試驗

密閉墻抗暴沖擊壓力試驗選擇甲烷以及煤粉進行，以GB/T 16425-1996為標準，實驗中甲烷含量上限是14%，下限是5%，符合國家規定。試驗過程中，燃燒產生的紅色火焰，且并未發生爆炸現象，因此證明了試驗方法的合理性。試驗工程中，觀察爆炸壓力隨時間的變化曲線，得到圖1所示的結果，從圖中可以看出，在測試初始階段，爆炸壓力值較為穩定，當時間為2.1×105ms時，爆炸壓力開始增加，最大值達到0.58MPa，隨后爆炸壓力值逐漸下降。

為了準確計算試驗過程中氣體的爆炸壓力，對實驗條件做以下假設：試驗過程中的空氣主要有氮氣和氧氣組成;試驗初始溫度為常溫，初始壓力為101kPa，試驗前后條件均為初始狀態;在計算過程中，溫度函數不受試驗壓力和氣體密度影響;試驗產生的熱量均用于爆炸作用，不存在外漏以及反應不充分現象。

試驗過程中的CH4燃燒方程為：

試驗過程中爆炸最大壓力公式為：

式中，爆炸最大壓力值為pmax，單位MPa;pmax為爆炸最大壓力對應的溫度，單位為℃;p0為初始壓力，值為101kPa;T0為初始溫度，25℃;氣體摩爾數m、n均為10.3。

反應后氣體產生的總熱量為：

式中，產生的總熱量為Cr，單位J;Cri為各產物的熱量值，單位J;各個產物的摩爾系數為ni。

因為甲烷燃燒的速度極快，在反應的過程中，基本處于絕熱的狀態，因此可用以下公式進行燃燒熱計算：

根據公式（3）可得到反應過程中產生的總熱量為：

計算過程中，CO2、H2O、N2的熱量分別是36.8+

0.00214T、15.6+0.00621T、19.0+0.00251T，其中T為強度。試驗過程中產生的最高溫度為2786℃，爆炸最大壓力為1.03MPa，產生的總熱量為220.9+0.03446T。

3 密閉墻沖擊壓力數值模擬分析

為了驗證試驗結果的準確性，因此進行了數值模擬分析，數值模擬過程中，假設巷道內充滿氣體，且以瓦斯混合氣體的方式存在，當巷道一側發生火災后，巷道內氣體迅速消耗，燃燒形成火焰，高溫使得擴散層流由內向外迅速擴散;燃燒產生的火焰球因為巷道壁的存在擴散困難，導致火焰球長時間存在于巷道內，在巷道壁的阻礙作用下，火焰球側面最終以平面的形式展現出巷道內氣體模型。模擬實驗得知，爆炸從巷道左側開始，通過燃燒區最終聚集在沖擊波區。

并對巷道進行邊界以及初始條件設置，設置模型巷道壁為絕熱面，巷道壁的初始溫度為228.52K，粗糙度為0.03mm。利用Fluent數值模擬軟件中的自適應溫度調節功能，對溫度梯度進行網格劃分，在網格劃分的過程中，不同尺度下劃分單元格下帶來的計算時間以及計算結果差異小，在大量計算的過程中發現，當采用5mm劃分單元時，網格劃分細，計算結果更加準確，計算時間也最小，因此選用5mm劃分單元，劃分了8653分單元。

模擬密封強沖擊壓力試驗其實是氣體燃燒反應的過程中，在極其短暫的時間內氣體反應燃燒過程中，必然滿足能量守恒以及化學組分平衡方程。通過試驗再進行計算浪費大量的時間且計算過程復雜，因此采用模型模塊中的湍流模型，輸入非穩態的Navier-Stokes方程，實現了方程組的封閉式快速求解。在模型以及計算方法的選擇上，應該盡量以實際情況為準，選擇通用性較高、模型簡單、計算結果準確的模型。

在上述數值模型的基礎上，設定模擬巷道內瓦斯氣體的濃度為9.6%，通過Fluent軟件進行氣體傳壓過程中溫度、速度以及壓力等參數的同時。當巷道內瓦斯點燃后，點燃瞬間形成火焰球，氣體的迅速燃燒消耗了巷道內的氣體，且燃燒產生的大量熱量使得巷道內壓力劇增，因此產生了壓力沖擊波。在壓力沖擊波的催化作用下，巷道為未燃燒的氣體迅速點燃，造成了燃燒反應的二次進行，然后產生的熱量擴大了壓力沖擊波的范圍，如此往復進行，沖擊波范圍不斷擴大，影響范圍也越來越廣。通過對巷道沖擊內壓的分布監測可知，當巷道氣體燃燒時，燃燒點處立即形成沖擊波，當燃燒范圍不斷擴大，巷道內氣體壓力逐漸上升，雖然上升趨勢逐漸降低，但是巷道內氣體壓力一直在增加。

圖2為超壓隨時間的變化曲線，從圖中可以看出，當時間達到1.5s后，超壓迅速增加，時間為2.3s左右，超壓增加趨勢緩慢，最后逐漸趨于穩定，整個過程時間短暫，圖3中的模擬結果僅僅發生0.8s，巷道沖擊壓力范圍2m，將數據進行對比分析，兩者趨勢相同。

通過監測結果分析得知，瓦斯爆炸對密封墻造成的最大壓力為0.7MPa，小于試驗過程中測得的1.03MPa，根據規定，礦井密封墻設計的壓力最大值為5.3MPa，證明了密封墻設計的安全性。

4 結論

通過密閉墻抗暴沖擊壓力試驗，計算得到試驗過程中產生的最高溫度為2786℃，爆炸最大壓力為1.03MPa，產生的總熱量為220.9+0.03446T。通過數值模擬研究，得到瓦斯爆炸對密封墻造成的最大壓力為0.7MPa，密封墻設計安區性系數高。工作面采空區密封墻的設計既可以防止氧氣等氣體進入采空區，又可防止采空區內氣體溢出至工作面，可以保證生產的安全進行。礦井應根據采區的地質條件考慮密閉墻的服務年限，承受一定壓力的同時，抵擋外界災害滿足生產的安全進行。

參考文獻：

[1]滕博，姜福興，莫自寧，等.煤礦防爆密閉墻技術標準探討[J].煤炭科學技術，2007（002）：97-100.