封閉巷道擋板對爆炸沖擊波傳播的影響研究

邊振華，李小萌

（河北工程大學 礦業與測繪工程學院，河北 邯鄲 056000）

井下巷道發生的瓦斯爆炸沖擊波會對井下工作人員、施工設備產生難以估量的傷害和損失，沖擊波也會損害礦井壁面結構，加大礦井坍塌的風險[1-4]。洪溢都等[5]得到了沖擊波在開口型系統內的動態演化特征；WANG Cheng 等[6]得出了爆炸沖擊波的破壞力在瓦斯爆炸發生瞬間最大的結果；程良玉等[7]研究了近場沖擊波在有限空間內傳播的衰減和超壓變化規律；衛禹辰等[8]從內凹蜂窩梯度結構來研究對沖擊波的削減效應；高娜等[9]研究了瓦斯量、瓦斯濃度等因素對爆炸壓力的影響；SINGH[10]和龐磊等[11]考慮了泄爆空間的幾何尺寸對爆炸超壓的影響；劉如成等[12]和劉星魁等[13]對巷道的分岔及轉角對沖擊波的影響進行了研究；A M NA’INNA 等[14]、孟亦飛等[15]、徐阿猛等[16]和宋曉婷等[17]分別就圓形管道、大尺寸通風管網以及具有不同形狀障礙物的管路的沖擊波傳播特征進行了充分的探究；徐景德等[18]和呂華等[19]分別就圓柱形金屬絲網的長徑比以及填充微米級砂粒的砂墻來探究對于激波超壓的削弱效果；王成等[20]針對長平直管道設計了不同擋板結構對爆炸超壓的影響；邵繼偉等[21]選擇了不同的多孔材料探究對甲烷/空氣的抑爆作用。

以上學者對于直管或彎管內置障礙物的爆炸沖擊研究已經非常成熟，得到了爆炸沖擊波在爆炸瞬間破壞性最大以及障礙物密度、形狀、拐角對超壓的影響等結論。基于此，將從特定巷道，如避難硐室這一類封閉支路內設置障礙物的方向進行深入研究，將模擬在封閉支路內設置不同類型，且不會阻擋人員通行的擋板，研究其對巷道內部以及避難硐室所處的巷道底部壓力變化情況。

1 沖擊波傳播數值模擬

對爆炸模擬過程進行了以下合理假設與簡化：巷道及擋板為剛性絕熱壁面，不產生相對位移，不考慮容器與外界的能量交換；忽略壁面與沖擊波傳播過程中的流固耦合效應；沖擊波為正激波，垂直于壁面傳播；忽略爆炸反應的中間產物。

模擬采用有限體積法[22]，設氣體爆炸初始壓力1 000 kPa，溫度297 K，無初始速度。除末端出口位置外，其他邊界條件均選擇剛性絕熱壁面邊界，出口邊界設置壓力出口。為得到更加精準的模擬結果，湍流模型采用基于雷諾平均N-S 方程組模型的κ-ε兩方程模式[23]。由于井下瓦斯爆炸情況復雜，沖擊波傳播速度大，故模擬過程選擇非平衡壁面函數。

模擬使用的巷道截面為正方形，形狀比較規則，且屬于軸對稱，截面已經可以反映整個巷道的瓦斯爆炸過程；管網模型長20 m，寬1 m。管網模型如圖1，避難硐室部分障礙物設置如圖2。

圖1 管網模型Fig.1 Pipe network model

圖2 避難硐室部分障礙物設置Fig.2 Partial obstacles setting in refuge chamber

模型選用的障礙物為長0.5 m、寬0.1 m 的擋板，障礙物所在巷道寬1 m。模型分為3 部分，分別是爆炸區域、主巷道的傳播區域以及分岔巷道的觀測區域。選擇無反射邊界條件，同時為更好地測量邊界區域，將除爆炸區域外的邊界網格劃分為其他部分的5 倍，網格劃分采用映射網格劃分，單元尺寸為0.05 m，劃分后共13 235 個單元。

無擋板的封閉巷道內沖擊波傳播過程如圖3。

圖3 無擋板的封閉巷道內沖擊波傳播過程Fig.3 Shock wave propagation process in closed tunnel without baffle

該處可看作類T 型巷道，但與T 型管不同點在于避難硐室封閉后該處變為封閉口，主干巷道20 m，該支路距左側爆炸區域距離為7 m，開口處距避難硐室封閉門處為2 m，巷道寬1 m。x 軸、y 軸數值表示以巷道底部左下角為原點圖中各點位和原點的相對位置。當沖擊波傳播至分岔口左側還未碰到分岔口右側拐角時，沖擊波的傳播規律和普通的拐彎巷道是接近的，都會因為橫截面的突然增加，使得氣體發生膨脹，在拐彎處形成普朗特－邁耶流動，沖擊波發生繞射由平面陣變成扇形陣面，并在左上拐角區域形成低壓渦團。而當沖擊波傳遞至右側拐角處時，拐角的阻礙作用會使得傳遞中的沖擊波分成2 部分，劃分出的主巷道沖擊波會繼續傳播，而傳播到封閉巷道的沖擊波會在封閉巷道右側拐角處發生積聚，形成高壓區，并不斷向下方的封閉巷道內傳播，使得封閉巷道內的流場更加復雜。

2 單擋板沖擊波模擬

2.1 監測點壓力

考慮到實際情況下，巷道中通常會放置一些重要機械等器具，所以監測點優先考慮封閉巷道中部靠后側位置，R 型及L 型單擋板監測點如圖4（十字交叉處即為監測點位置）。無擋板及單個擋板條件下的測點壓力變化曲線如圖5。

圖4 R 型及L 型單擋板監測點Fig.4 R type and L type single baffle monitoring points

圖5 無擋板及單個擋板條件下的測點壓力變化曲線Fig.5 Measuring point pressure curves without baffle and with single baffle

由圖5 可知：在12 ms 左右時，監測點沖擊波超壓快速上升，隨后在少許下降后迅速提升達到峰值點，該現象及其出現的原因與無障礙物模型基本一致，主要是由巷道截面積突然增大和壓力聚積造成的；在17 ms 左右時，從監測點處可看到無障礙物和單側障礙物的壓力峰值均不相同，無障礙物（N 型）的峰值壓力達到了337 kPa。當擋板置于沖擊波來向時（L 型），沖擊波壓力峰值為192 kPa，比N 型的峰值壓力減少了約42%；當擋板置于出口處時（R型），沖擊波的峰值壓力為246 kPa，比N 型的峰值壓力減少了約27%。其原因是L 型擋板的沖擊波在發生普朗特－邁耶流動后，由右側上半壁面發生反射至左側下半壁面，并在左側中部偏下壁面形成高壓區域并沿壁面下行至底部壁面，由底部壁面反射達到峰值點，而R 型擋板的沖擊波的一部分在發生普朗特-邁耶流動后向下傳播，另一部分在反射后與向下傳播的部分匯合，由中間區域往下傳播，并和底部反射的沖擊波匯合在中間區域形成峰值點。

2.2 巷道底部壁面壓力

L 型及R 型單擋板底部峰值壓力點如圖6，單擋板及無擋板底部峰值壓力圖如圖7。

圖6 L 型及R 型單擋板底部峰值壓力點Fig.6 Peak pressure points at bottom of L type and R type single baffles

圖7 單擋板及無擋板底部峰值壓力圖Fig.7 Bottom peak pressure diagram without baffle and single baffle

由圖6 及圖7 可知：單擋板設置的情況下封閉巷道底部壓力峰值點的壓力變化相近，L 型和R 型的峰值壓力分別為335、319 kPa，較無擋板情況下的474 kPa 分別減少了30.3%、32.8%。這是因為沖擊波在形成普朗特-邁耶流動時，N 型和L 型的沖擊波發生繞射向下擴散并在右側壁面發生反射，而R 型擋板在發生繞射后，一部分沖擊波會立即在擋板處再次發生繞射及反射，由于每次反射都會損失部分能量，最后由各反射波匯聚的峰值壓力會因為反射波的數量和反射次數的增加而降低，但由于單擋板位于封閉巷道與主巷道交界處，對沖擊波的反射次數及傳播到巷道底部的時間影響并不大，故2種類型對巷道底部壁面的壓強削弱程度相差不大，R 型比L 型的削弱效果高2.8%。

3 雙擋板設置的封閉巷道沖擊波模擬結果

3.1 監測點壓力

雙擋板型測點位置如圖8。4 類擋板測點壓力變化曲線如圖9。

圖8 雙擋板型測點位置Fig.8 Measuring point position of double baffle type

圖9 4 類擋板測點壓力變化曲線Fig.9 Pressure variation curves at measuring points of four types of baffles

從圖9 可以看出，沖擊波在18 ms 左右到達監測點，在20 ms 左右到達第1 個峰值，結合模型可知，在經過第1 個峰值點之后沖擊波仍不斷在封閉巷道內部進行反射，使得測點壓力在經過第2 次峰值下降后有1 個緩慢提升的階段。

而RR 型擋板第1 次峰值壓力相比其他類型要小，是因為壓力在第2 道擋板處積聚，沖擊波傳播至監測點需要經過更長的時間，監測點壓力峰值主要來源為多次反射波的疊加。

以LL 型擋板為例，在沖擊波傳播到第2 道擋板之前，沖擊波的傳播規律與在單擋板巷道中的相同，隨著傳播進行，陣面的彎曲程度越來越大，在擋板的拐角處出現了繞射現象，并在拐彎角背側處出現了1 個尺寸較小的低壓渦團。LL 型擋板沖擊波傳播過程如圖10。

圖10 LL 型擋板沖擊波傳播過程Fig.10 Shock wave propagation process of LL type baffle

參與繞射的沖擊波不斷增多，加上氣體層間的黏性作用，使得低壓渦團不斷擴大，未參與繞射的沖擊波，在拐彎處外側壁面受到壁面約束，使得該壁面處壓力上升。由圖10（b）可以清晰地看見，巷道底部右下角形成了高壓渦團，這是壁面反射的沖擊波與正向的入射沖擊波不斷地疊加，使得壓力積聚形成高壓區域，隨著高壓區域的不斷擴大，逐漸覆蓋了之前的低壓區域，并伴隨著局部沖擊波速度的減小與氣體溫度、密度的增高。同時，部分反射沖擊波傳播回第2 道擋板處，繼續發生繞射。值得注意的是，在第2 道擋板右側壁面上出現了1 個高壓區域。它是繞射沖擊波和右壁面上產生的反射沖擊波相疊加形成的。與單擋板放置相比，雙擋板的壓力變化總體更趨于平穩，特別是雙擋板的壓力在經歷第1 次峰值下降后有一段的穩定回升階段，說明雙擋板會導致反射沖擊波出現的更加頻繁，從而在擋板后方形成長時間的高壓疊加波區域。

經測得LL 型測點峰值壓力為156 kPa，LR 型為118 kPa，RL 型為130 kPa，RR 型為96 kPa。與單擋板的封閉巷道的壓力峰值相比，雙擋板的各布置類型均有不同程度的下降，LL 型和LR 型較L 型分別下降16.9%和36.9%，RL 型和RR 型較R 型分別下降45.7%和62.9%。4 種類型中RR 型的峰值壓力最小，相比無擋板放置的類型壓力峰值下降約73.2%。從對比結果可以看出，RR 型的擋板對于存放機械等重要生產工具的封閉巷道有著最好的防護效果。

3.2 巷道底部壁面壓力

雙擋板對巷道底部壓力的影響情況如圖11，各類型擋板對巷道底部壓力的影響情況如圖12。

圖11 雙擋板對巷道底部壓力的影響情況Fig.11 Influence of double baffles on roadway bottom pressure

圖12 各類型擋板對巷道底部壓力的影響情況Fig.12 Influence of various types of baffles on bottom pressure of tunnel

由圖11 和圖12 可知：LR 型對巷道底部的壓力峰值削弱效果最佳，到達底部的峰值壓力相比不設置擋板的情況減小了約54.21%。這是因為第1 道擋板在左側時，會使得沖擊波因為繞射而沿著右側壁面傳播，此時第2 道擋板如果位于右側，則會將繞射沖擊波向左側壁面引導，在左側中心壁面處形成高壓點，而沖擊波則會進一步分流向上下2 個方向，最終在第1 道擋板和第2 道擋板，第2 道擋板和底部壁面間形成2 處渦流。從而最大程度減少沖擊波進入巷道后側，降低了峰值點的壓力。

4 結 論

1）僅設置1 個擋板的情況下，由于普朗特-邁耶流動的影響，L 型擋板使得沖擊波沿壁面傳播，能最大程度的削弱巷道后側中心區域的峰值壓力，削弱程度為42%。R 型擋板較L 型更好地削弱了巷道底部壁面的壓力，削弱程度為32.8%。

2）設置2 個擋板的情況下，RR 型擋板使得壓力積聚在中間的擋板與墻壁交接處，從而削弱巷道后側中心區域的峰值壓力，減少程度為73.2%，而LR型擋板則將沖擊波的傳播進行最大程度的反射，形成2 股渦流，從而更好地削弱巷道底部壁面峰值點的壓力，削弱程度為57.1%。

3）設置擋板會將壓力峰值點轉移至第2 道擋板與墻壁連接處或者中部右側壁面上，在實際應用中應對這2 處位置實行加固并避免在此處放置重要機械或救援工具。