泄爆面積比對泄爆門封閉泄爆特性的影響研究*

李 昂，司俊鴻，彭 瑞，周西華

(1.華北科技學院 應急技術與管理學院，河北 廊坊 065201；2.河北省礦井災害防治重點實驗室,河北 廊坊 065201；3.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000；4.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

煤礦采用的被動式阻隔爆裝置，其失效原因往往由于裝置啟動靈敏度過高，低能前置沖擊波易啟動裝置，導致高能滯后沖擊波無法抑制[1-3]。另外，單一功能的泄壓門只能泄壓，無法泄壓后快速封閉火區，導致進風后二次爆炸和次生災害發生[4]。為解決目前裝置缺陷需研制新的技術，Su等[5]在不同工況條件下進行泄爆研究，發現在不同位置點火管道內產生爆炸壓力不同；陳曉坤等[6]運用FLACS研究泄爆導管長度對除塵器內部的泄爆影響規律，得出泄爆導管越長內部爆炸壓力越大；李昂等[7]通過自制爆炸設備和FLUENT軟件對泄爆門泄爆特性進行研究，發現泄爆門能顯著抑制爆炸壓力；劉長軍等[8]通過不同的點火位置和泄爆位置對RTO設備的泄爆影響進行模擬，得出點火源設置在RTO底部且泄爆口設置在頂部時，更有利于設備的系統安全；龐磊等[9]在大尺寸密閉空間研究不同泄爆面參數對爆炸超壓的影響規律，得出泄壓比與外部壓力強度成正相關；楊凱等[10]運用AutoReaGas軟件通過改變不同泄爆面壓力和不同障礙物形狀，研究天然氣爆炸特性規律，發現2者與氣體爆炸具有協同作用；萬少杰[11]通過自制小型實驗平臺研究側向泄爆面積對甲烷爆炸的泄放作用，得出泄爆口面積大小對其較遠區域的超壓有較大影響；師崢[12]運用AutoReaGas軟件對泄爆膜泄爆特性進行數值模擬，得出泄爆膜位置對管內壓力和溫度有顯著影響，泄爆壓力只對管內壓力有影響。

上述研究主要集中在小型尺寸爆炸密閉空間中不同點火位置、不同泄爆壓力和不同形狀的障礙物對泄爆效果及設備內部爆炸壓力的影響，而大尺度的密閉空間內瓦斯爆炸傳播規律和泄爆面積對泄爆門泄爆特性的影響規律研究較少。因此，本文選擇甲烷-空氣混合氣體作為爆炸對象，建立煤礦井下1∶1巷道模型，運用FLUENT模擬研究在泄爆門的作用下瓦斯爆炸在巷道中的傳播規律和泄爆的過程，分析不同的泄爆面積比對爆炸壓力、火焰溫度和火焰傳播速度的影響規律，為進一步研制新型泄爆門提供設計指導。

1 瓦斯爆炸理論模型建立

1.1 物理模型建立

由于煤礦井下巷道多為拱形和梯形，為了與設計好的泄爆門形狀適配，同時避免在模擬中由于不規則的巷道形狀導致對傳播規律和泄爆門泄爆的影響，本文僅研究矩形巷道對于瓦斯爆炸傳播規律的影響，因此建立矩形巷道，如圖1所示。該模型可模擬瓦斯爆炸傳播規律及泄爆門泄爆特性，模型尺寸為z=4 m，y=3 m，x=50 m，在模型x=24 m處設置3.5 m×2.5 m的泄爆門，泄爆門可設置在采掘工作面和采空區附近，具體放置位置和使用用途可參見文獻[13]，泄爆門的左側為封閉區域，泄爆門體上設置0～10個面積為1 m×0.7 m的泄爆窗。

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

1.2 湍流模型和燃燒模型的建立

選擇適用于非定常問題的PISO算法，該算法在保障精度的前提下能更好地減少收斂時間；甲烷/空氣混合物爆炸是復雜的湍流燃燒爆炸過程，選用k-epsilon湍流模型[14]；由于瓦斯爆炸為甲烷爆炸鏈式反應，FLUENT不具備氣體復雜化學反應，因此可導入簡化后的47步CHEMKIN GRI-3.0甲烷/空氣氧化反應動力學機理和EDC燃燒模型，對甲烷的燃燒過程進行運算[15]。

1.3 初始條件設定

由于巷道內部氣體成分復雜，本文只研究甲烷/空氣預混氣體爆炸的變化規律，可把巷道內混合氣體簡化為理想氣體；模型的左邊界為爆炸入口，右邊界為壓力出口，該設置為防止沖擊波回彈影響泄爆結果。初始時刻，P=1.01×105Pa，T=300 K，0≤x≤8 m，φ(CH4)=9.5%，φ(O2)=19.005%，φ(N2)=71.495%，φ(CO2)=0%，其中甲烷和氧氣填充量為V(CH4)=4×3×8×9.5%=9.12 m3，V(O2)=4×3×8×19.005%=18.24 m3，該區域為模擬自然發火點燃瓦斯爆炸區域，即在坐標(4 m，2 m，1.5 m)處設定1個r=0.6 m，T=1 750 K的著火點；8≤x≤50 m，φ(CH4)=0%，φ(O2)=21%，φ(N2)=79%，φ(CO2)=0%，該區域為模擬爆炸沖擊波傳播區域；初始條件設定結束后著火點點燃爆炸區。模擬過程可根據文獻[16]可知。

2 模擬結果及分析

瓦斯體積分數9.5%時不同泄爆面積比的設置情況如表1所示。在x=22 m處選取截面，對封閉區域內該截面的爆炸特性參數進行監測。泄爆面積比為泄爆面積占管道截面面積的比例，即泄爆面積比=泄爆面積/巷道截面面積，其中泄爆面積可等效為泄爆窗總面積，即泄爆面積=泄爆窗面積×泄爆窗數量。根據表1，S0～S4工況泄爆面積比分別為0%，23.33%，35%，46.67%，58.33%。

表1 模擬工況設置Table 1 Setting of simulation conditions

2.1 S0工況下泄爆門對瓦斯爆炸傳播規律影響

S0工況下泄爆門由于泄爆面積比為0%，等同于封閉火區內的泄爆墻，爆炸沖擊波壓力變化曲線如圖2(a)所示。在0～20 ms范圍內，泄爆墻前的壓力為0 Pa，由于點火區域發生復雜的化學反應，產生的爆炸沖擊波能量較低未傳播到監測處；在21～36 ms范圍內，爆炸沖擊波開始快速傳播，同時測點壓力瞬間達到最大，36 ms時刻出現最大壓力峰值為1.10 MPa；在37～300 ms范圍內，壓力會在108，178，260 ms時刻出現波峰，分別為0.58，0.44，0.38 MPa。在泄爆墻障礙物的作用下，撞擊后的沖擊波能量受到損失，但返回的前置沖擊波與滯后沖擊波重疊使監測面的爆炸壓力升高；300 ms之后壓力峰值快速降低，隨時間的推移維持在0.29 MPa，巷道內的沖擊波壓力長時間不能被泄掉，根據文獻[17]可知，爆炸載荷誘發的地應力瞬態卸荷對圍巖造成損傷，同時爆炸沖擊波對設備造成損壞。

圖2 在S0工況下瓦斯爆炸特性參數變化曲線Fig.2 Change curves of characteristic parameters of gas explosion under S0 working condition

火焰傳播速度變化曲線如圖2(b)所示。在0～20 ms范圍內，監測速度為0，說明沖擊波還未傳播到泄爆墻前；在21～40 ms范圍內，火焰波開始高速傳播，火焰波的速度從0.28 m/s瞬間增大到262.68 m/s，以高速撞擊泄爆墻，能量和速度大幅度衰減，40 ms時刻速度降到14.55 m/s；在41～400 ms范圍內速度開始大幅度震蕩，每次出現小峰值后出現大峰值，在53，140，220，300 ms時出現小峰值，分別為48.97，20.82，13.21，9.12 m/s，在98，180，260，340 ms時出現大峰值，分別為128.67，55.89，25.85，13.70 m/s，速度曲線震蕩原因與壓力曲線震蕩同理；在500 ms之后監測面未監測到數據，說明沖擊波能量全部消耗完畢。

火焰溫度變化曲線如圖2(c)所示。在0～22 ms范圍內，泄爆墻前的溫度為300 K，在23～36 ms范圍內，火焰波開始傳播并且火焰溫度瞬間升高，36 ms時刻溫度達到最大為768.03 K，在37～500 ms范圍內，溫度會在110，200，280，360，440 ms時刻出現波峰，分別為665，616，598，586，579 K，溫度曲線震蕩原因與壓力曲線震蕩同理，在500 ms之后溫度一直都保持在565 K，高溫條件下對封閉火區內的巷道和設備會持續造成損壞。

2.2 S1～S4工況下泄爆門對瓦斯爆炸傳播規律影響

1)壓力變化規律

瓦斯體積分數9.5%時，S1～S4工況狀態下封閉火區內壓力隨時間的變化特征如圖3所示。圖3(a)為20～80 ms壓力變化曲線，0～20 ms范圍內泄爆門前的壓力為0 MPa，在36 ms時刻出現壓力最大峰值，分別為1.01，0.92，0.85，0.77 MPa。圖3(b)為0～1 200 ms壓力變化曲線，從80 ms時刻開始出現衰減性的震蕩，S1分別在108，178，260，320 ms時刻出現4次震蕩，在380 ms時刻壓力開始緩慢衰減直到變為負壓；S2分別在108，178，260 ms時刻出現3次震蕩，在280 ms時刻壓力開始緩慢衰減直到變為負壓；S3和S4則出現2次震蕩，在220 ms時壓力開始緩慢衰減直到變為負壓；S1工況在整個爆炸傳播過程中，均處于最大變化趨勢，產生的壓力峰值最大，說明只有S1工況下爆炸沖擊波維持較高的能量。

圖3 不同工況條件下壓力隨時間的變化特征Fig.3 Variation characteristics of pressure with time under different working conditions

S1～S4分別在1 100，580，370，320 ms時達到負壓狀態，分別為-0.000 5，-0.004 8，-0.115 2，-0.023 4 MPa，當封閉區域處于負壓時，說明沖擊波已經全部傳播出去且泄爆門處于封閉狀態，由于邊界條件為理想密閉空間狀態一直處于真空環境，在瞬間傳播出去的沖擊波作用下，形成壓力差使泄爆門保持封閉狀態。S4比S1，S2和S3達到封閉狀態時間分別快780，260，50 ms，封閉時間縮短了70.91%，44.83%，13.51%。隨著泄爆面積比的增大，封閉火區內的最大壓力、峰值數量和達到封閉狀態時間逐漸減小，說明S4工況條件下泄爆能力最強。

2)速度變化規律

瓦斯體積分數9.5%時，S1～S4工況狀態下封閉火區內火焰速度隨時間的變化特征如圖4所示。圖4(a)為20～60 ms速度變化曲線，在29 ms時刻火焰傳播速度達到最大，分別為270.34，286.21，297.69，308.01 m/s，29 ms之后火焰波開始撞擊泄爆門開啟泄爆窗，58 ms時刻速度逐漸減小到最低，分別為10.25，16.70，21.52，39.24 m/s。圖4(b)為0～1 200 ms速度變化曲線，第1個谷值之后開始出現3次震蕩，時刻分別為98，170，240 ms，與S0不同的是并沒有在小峰值后出現大峰值的情況，而是峰值大量衰減，說明開啟泄爆窗后火焰波傳播到封閉區域外，只有很少部分火焰波反彈出現震蕩；工況S1～S4分別在350，320，260，258 ms時刻速度開始均勻下降，直到速度趨于0 m/s達到泄爆門封閉狀態。

圖4 不同工況條件下速度隨時間的變化特征Fig.4 Variation characteristics of velocity with time under different working conditions

在0～300 ms范圍內，S4工況處于最大變化趨勢，產生的速度峰值最大，說明只有S4工況下火焰速度能維持較高的傳播速率。由于S4工況泄爆面積比最大，泄爆門面板上阻礙物減少，使火焰波撞擊泄爆門后損耗能量最少，火焰速度衰減最小；在300～325 ms范圍內，S4變化曲線的斜率增大，其速度大小為vS2>vS3>vS4>vS1，在325～345 ms范圍內，S4工況速度開始小于S1工況，330 ms時刻S4工況監測速度為0 m/s；在300～355 ms范圍內，其速度大小為vS2>vS3>vS1，在355～385 ms范圍內，S3工況速度開始小于S1工況，370 ms時刻S3工況監測速度為0 m/s；在500 ms之后，S2工況速度開始小于S1工況，580 ms時刻S2工況監測速度為0 m/s；而S1工況直到1 100 ms時刻監測速度為0 m/s，在整個爆炸傳播過程中速度變化規律相似，隨著泄爆面積比的增大速度曲線斜率增大，即泄爆面積比越大速度衰減幅度越大。

3)溫度變化規律

瓦斯體積分數9.5%時，4種工況狀態下封閉區域內火焰溫度隨時間的變化特征如圖5所示。圖5(a)為20～80 ms溫度變化曲線，0～20 ms范圍內泄爆門前的溫度為300 K，在36 ms時刻火焰溫度瞬間達到第1個波峰，分別為751，730，713，694 K，80 ms時刻火焰溫度逐漸減小到第1個波谷，分別為394，397，410，437 K。圖5(b)為0～1 200 ms溫度變化曲線，從80 ms的第1個波谷開始均出現幾次震蕩；S1分別在110，180，260 ms時刻出現3次震蕩，S2分別在110，180 ms時刻出現2次震蕩，S3在110 m時刻出現1次震蕩，而S4未出現震蕩；S1～S4分別在360，220，160，80 ms時刻溫度開始上升沒有下降反彈的趨勢，直到980，480，320，280 ms后均達到穩定，其溫度分別為1 727，1 762，1 774，1 804 K。在整個瓦斯爆炸傳播過程中，不同工況下火焰溫度變化規律相同，泄爆面積比與初始溫度峰值、峰值數量和達到穩定狀態時間呈負相關關系，與最大峰值呈正相關關系。通過溫度變化規律可知，當溫度曲線達到穩定狀態時，溫度值不但沒有降低反而升高，說明泄爆門沒有抑制爆炸火焰的作用，因此既能泄壓又能降溫的泄爆裝置還需進一步研究。

圖5 不同工況條件下溫度隨時間的變化特征Fig.5 Variation characteristics of temperature with time under different working conditions

3 結論

1)S0工況條件下泄爆面積為0，壓力和溫度衰減后保持在0.29 MPa和565 K。

2)S1～S4工況條件下，S4比S1，S2，S3達到封閉狀態時間快780，260，50 ms，封閉時間最大節省70.91%；泄爆面積比的增大，封閉火區內的最大壓力、峰值數量和達到封閉狀態時間逐漸減小，其泄爆能力增強。

3)S1～S4工況條件下，隨著泄爆面積比的增大，速度的峰值和衰減速率增大；溫度的初始峰值、峰值數量和達到穩定狀態時間減小，但最大峰值反而增大，說明泄爆門對瓦斯爆炸火焰無抑制作用。

4)雖然泄爆面積越大泄爆能力越強，但泄爆面積與泄爆門體承壓影響規律及受力分析還需進一步研究。