瓦斯—煤塵爆炸特性研究

徐婷婷，李樹崗，郝慧斌，郝小剛，侯亮科

（1.大同煤礦集團 挖金灣煤業有限責任公司，山西 大同 037042；2.潞安集團 余吾煤業公司，山西 長治 046100）

在煤礦的開采過程中，瓦斯爆炸是最嚴重的礦難事故之一，死亡人數占總人數一半以上，爆炸瞬間的溫度可達2 000 ℃左右，且爆炸后，巷道中CO 和CO2含量迅速增加，導致被困人員中毒窒息死亡[1-6]。本文針對礦井的實際情況，通過使用Fluent 軟件模擬研究瓦斯爆炸過程中沖擊波的傳播規律，提前設計出有效的防爆設施，在很大程度上降低瓦斯爆炸的危害，保障人員的生命安全。

1 瓦斯爆炸機理的研究

1.1 瓦斯爆炸因素分析

瓦斯爆炸三要素為爆炸極限內的瓦斯濃度、高溫引燃火源和充足的氧氣。煤礦爆炸事故不僅僅是單一的瓦斯爆炸，而是摻雜了煤塵的混合爆炸，同時發生熱反應和鏈反應的化學反應[7-8]。

由上式可知，1 mol 甲烷和2 mol 氧氣充分燃燒反應，釋放能量為882.6 kJ，10.5 m3的空氣中含有2 m3的氧氣，故當瓦斯在空氣中的含量為9.5%時，是最危險的狀態，破壞性最大。

1.2 瓦斯爆炸傳播方式

瓦斯爆炸的傳播方式主要有沖擊波和火焰陣面，在爆炸的初始階段，沖擊波傳播速度快、破壞性強，隨著瓦斯的燃燒殆盡，爆炸的沖擊波逐漸變為空氣波；而火焰面先以球面的形式向外傳播，當火焰面碰到煤壁或巷道壁時，火焰面發生皺褶增加傳播的速度，在傳播的過程中，火焰面的速度先增大后由逐漸減小。此外，當爆炸過程中激發的能量達到103 ～106 J 時，瓦斯的燃燒就會變成爆轟，傳播速度達到超音速[9-12]。

1.3 煤塵的爆炸原理分析

若不受外界影響，巷道中沉積的煤塵不會發生爆炸，只有在外界動力Pd和溫度T 滿足一定的條件的情況下，才能發生爆炸，如下式所示：

式中：qd為煤塵起揚的最小動力，kPa；Tzh為煤塵燃點，k。

當瓦斯爆炸形成的沖擊波傳播到煤塵區域時，沖擊波在巷道壁面處形成速度梯度和壓力差，這樣給煤塵提供了一個上揚的動力Pd，當沖擊波提供的動力Pd大于煤塵起揚的最小動力qd時，煤塵飛揚起來與瓦斯混合；當瓦斯爆炸溫度T超過煤塵燃點Tzh時，瓦斯和煤塵發生爆轟反應。

2 瓦斯爆炸傳播的數值模擬分析

2.1 爆炸模型的選擇

瓦斯爆炸的化學反應過程比較復雜，查閱相關文獻資料，化學反應速率模型主要有4 種，層流有限速率模型、渦耗散模型、層流有限速率/渦耗散模型、渦耗散概念模型，但針對巷道有限空間的瓦斯粉塵爆炸，簡化其反應機理，本文選用渦耗散模型。

2.2 巷道模型的創建

本文以容積為10.77 L 的水平管為模型，截面尺寸長×寬=14 m×1.4 m，模型內部用0.7 m 的網格建模。為了得到瓦斯爆炸過程中火焰的傳播速度的影響因素，把模型的前7 m 作為反應區，分別裝入濃度為3%、5%、7%、9%、11%的瓦斯，然后分別混合濃度為200、300、400、500、550 g/m3的煤塵進行模擬計算。

2.3 模型邊界條件的設置

為了簡化模型和計算過程，假設巷道壁面為無滑移、無滲漏、非絕熱型的壁面，粗糙度Ra0.5，模型左端是封閉的，右端為卸壓側。點火區域的初始溫度為1 500 K，其余區域為300 K；模型內初始速度為0；煤塵粒徑為40、50、60、70 、90、110 μm，注射速度量 υ 為 0.2 kg/s。

3 Fluent 軟件模擬分析

3.1 瓦斯—煤塵模型傳播特征分析

使用Fluent 軟件模擬，以模型左端中間為引爆點，得到了瓦斯和煤塵在巷道爆轟過程中，壓力波的傳播和溫度云圖，如圖1 ～圖2 所示。

圖1 爆轟過程中壓力波的變化過程Fig.1 Pressure wave variation during explosion

圖2 爆轟過程中溫度云圖Fig.2 Cloud of temperature in explosion

由圖1 可知，圖中右上部分深色區域為甲烷未燃燒區，區域溫度為初始設置溫度300 K。圖2 中左邊淺色區域為瓦斯煤塵爆轟區，爆炸初期形成的火焰面以點火區為中心向四周傳播，形成火焰球面，當火焰傳播到巷道壁面時，受壁面影響和反射作用，火焰在水平方向的傳播速度遠大于垂直方向。

3.2 瓦斯—煤塵模型爆轟特征分析

為了便于分析瓦斯—煤塵模型在爆轟過程中壓力、溫度等參數的變化，分別取巷道模型內離點火點距離1.0、2.5、4、5.5 m 的位置為參考點，通過軟件模擬，繪制出壓力、溫度隨時間的變化圖，如圖3 ～ 圖4 所示。

由圖3 可知，各測點的壓力值，隨著時間先迅速增大后減小，因巷道模型是封閉的，壓力波在傳播過程中受巷道壁的反射疊加的影響，致使壓力最大后還會出現另一個壓力高峰。

此外，相比于后3 處監測點，在1.0 m 處的監測點，其壓力值的變化速率較慢，而其余監測點的壓力值的變化速率非常快，壓力曲線基本呈直線垂直上升，這表明后三處監測點位于爆轟區域內，火焰波呈超音速傳播的狀態。

圖3 各測點爆轟壓力值隨時間變化關系Fig.3 Relationship between detonation pressure values at each measuring point and time

圖4 各測點爆轟溫度隨時間變化關系Fig.4 Relation of detonation temperature at each measuring point with time

由圖4 可知，巷道內各監測點的最高溫度都在3 000 ～3 300 K，但因巷道模型的邊界是絕熱壁面，且模擬過程中假設瓦斯和煤塵發生了充分反應，造成模擬數據要高于實驗數據，故各測點的實際溫度應在2 800 K 左右。同時，四處監測點的溫度曲線斜率依次增大，表明火焰面的傳播呈遞增的趨勢。

3.3 煤塵粒徑對瓦斯—煤塵爆轟壓力的影響

為了研究煤塵粒徑對瓦斯—煤塵爆轟壓力的影響，選取濃度200 g/m3、粒徑分別為40、50、60、70、90、110 μm 等6 種大小不同的煤塵為模擬介質，在甲烷濃度為3%、7%、9%不同的條件下進行模擬，得到的模擬數據見表1。

表1 不同煤塵粒徑的瓦斯- 煤塵爆轟壓力值Table 1 Gas-coal dust detonation pressure values with different coal dust particle sizes

將不同煤塵粒徑的瓦斯—煤塵爆轟壓力值繪制成曲線，如圖5 所示。由圖5 可知，同一瓦斯濃度下，隨著煤塵粒徑的減小，瓦斯—煤塵爆轟過程中最大壓力值基本呈線性逐漸增大；當煤塵粒徑為40 μm，爆轟過程中產生的最大壓力值最大，這與理論實驗值比較接近，實驗表明在不同瓦斯濃度下，當粒徑小于43 μm時，均取得了最大爆轟壓力。

圖5 煤塵粒徑對爆炸壓力的影響Fig.5 Influence of coal dust particle size on explosion pressure

4 結 論

在煤礦開采的過程中，瓦斯爆炸嚴重制約著煤礦的安全生產和經濟效益，本文通過Fluent 軟件模擬瓦斯- 煤塵爆炸過程，研究其爆炸特性，主要得到以下結論。

（1） 煤塵粒徑越小，與氧氣接觸越充分，化學反應越強烈，瓦斯—煤塵爆炸過程中最大壓力值越大。

（2） 煤塵粒徑越小，瓦斯—煤塵爆炸過程中的壓力曲線斜率越大，壓力變化值越大。

（3） 煤塵粒徑一定時，隨著瓦斯濃度的增加，爆炸過程中的最大壓力先增加后減小。