王海燕 余 波 耿 蘭 崔小龍 陳美珍

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院

煤礦安全生產(chǎn)事故中，瓦斯爆炸屢屢發(fā)生，造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人身傷亡。因此，研究瓦斯爆炸在巷道內(nèi)的傳播規(guī)律對(duì)于瓦斯爆炸事故的預(yù)防具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。目前已有學(xué)者[1-3]對(duì)瓦斯爆炸在巷道內(nèi)的傳播規(guī)律進(jìn)行了研究，取得了豐碩的成果，但仍然處于初級(jí)階段[4]。井下巷道系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)截面積突變、轉(zhuǎn)彎、分叉、巷道內(nèi)存在障礙物等特殊結(jié)構(gòu)。目前評(píng)價(jià)瓦斯爆炸發(fā)生的可能性及后果的指標(biāo)主要有最小點(diǎn)火能量，最大爆炸壓力，最高火焰溫度，壓力增長(zhǎng)速度等[5-6]?；诖?，筆者以不同角度轉(zhuǎn)彎巷道為例，對(duì)瓦斯爆炸在0（平直巷道）、45、90、135轉(zhuǎn)彎巷道內(nèi)的傳播規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了火焰在這些巷道內(nèi)的傳播規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)瓦斯爆炸事故的預(yù)防提供了理論依據(jù)。

1 巷道瓦斯爆炸傳播基本假設(shè)及模型

1.1 基本假設(shè)

瓦斯爆炸經(jīng)常發(fā)生在采煤工作面或者掘進(jìn)工作面附近[7-14]?，F(xiàn)用矩形管道模擬瓦斯爆炸巷道，本文為了簡(jiǎn)化計(jì)算量，忽略了巷道的厚度，將三維的巷道簡(jiǎn)化的二維的矩形管道，同時(shí)進(jìn)行了一些合理的假設(shè)：

（1）在點(diǎn)火之前巷道內(nèi)瓦斯氣體和空氣為均勻的混合理想氣體，瓦斯含量為按照化學(xué)當(dāng)量比計(jì)算出來(lái)的9.5%，點(diǎn)火前氣體處于常溫常壓靜止?fàn)顟B(tài)。

（2）假設(shè)瓦斯爆炸反應(yīng)為單步不可逆過(guò)程，忽略反應(yīng)過(guò)程的中間產(chǎn)物[15]。

（3）爆炸過(guò)程為絕熱過(guò)程，巷道壁面設(shè)置為光滑無(wú)滑移絕熱壁面，溫度為300K。不考慮與外界及壁面的熱交換。

（4）忽略壁面與氣體流動(dòng)的流固耦合作用，壁面按照剛性壁面來(lái)處理。

（5）燃燒氣體混合物的比熱容遵循混合規(guī)則。

1.2 數(shù)學(xué)模型

巷道內(nèi)瓦斯爆炸可以看成甲烷－空氣混合氣體在弱火源的誘導(dǎo)下而發(fā)生的氣體爆炸。整個(gè)過(guò)程滿足質(zhì)量守恒方程，能量守恒方程和化學(xué)組分平衡方程，同時(shí)需要考慮氣體狀態(tài)方程及湍流方程。所以采用如下式子作為控制方程。

質(zhì)量守恒方程：

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

圖1 轉(zhuǎn)彎巷道物理模型

圖1分別是0（平直巷道）、45、90、135向轉(zhuǎn)彎巷道的物理模型，其中圓形代表瓦斯引爆點(diǎn)，未封閉部分是巷道出口，直巷道長(zhǎng)1m，轉(zhuǎn)彎部分巷道長(zhǎng)0.5m。

2.2 初始化條件及網(wǎng)格劃分

當(dāng)甲烷濃度為9.5%時(shí)，各物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果如下。

本模擬巷道充滿瓦斯，初始時(shí)刻

圓形點(diǎn)火區(qū)域的點(diǎn)火溫度設(shè)置為1400K。

利用fluent前處理器gambit劃分網(wǎng)格，為了提高計(jì)算效率又不失模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，劃分0.01m的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖2-圖5為每隔相同時(shí)間火焰在不同轉(zhuǎn)彎角度巷道內(nèi)傳播發(fā)展的趨勢(shì)圖。

從圖2-圖5可以看出，當(dāng)巷道充滿瓦斯時(shí)，無(wú)論是直巷道還是轉(zhuǎn)彎巷道，火焰在初始階段的整體發(fā)展過(guò)程是類似的?；鹧嫒紵跏茧A段，整體上火焰是加速向巷道后方傳播的，但由于巷道固體壁面的湍流加速作用使得靠近固壁的火焰?zhèn)鞑ニ俣认啾认锏乐胁康膫鞑ニ俣容^快，形成凹字形的火焰形狀。之后火焰沿巷道壁面?zhèn)鞑ニ俣冉档?，而火焰中部傳播速度增大，慢慢形成一個(gè)平面火焰，這主要是受到氣體反向流動(dòng)的影響。最后，形成凸字型火焰向管道末端傳播。對(duì)于轉(zhuǎn)彎巷道，受轉(zhuǎn)彎部分外側(cè)壁面的反射作用，火焰在傳播過(guò)程中可能出現(xiàn)傳播速度下降更甚至發(fā)生反向傳播的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)彎部分時(shí)，火焰不是先充滿整個(gè)轉(zhuǎn)角，而是先沿內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)角迅速向巷道出口方向傳播，傳播速度明顯高于開始時(shí)的速度，這主要是由于轉(zhuǎn)彎增大了燃燒的湍流度引起的[16]。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后火焰到達(dá)巷段末端并充滿整個(gè)巷道直至爆炸結(jié)束。通過(guò)對(duì)不同角度巷道瓦斯爆炸火焰發(fā)展趨勢(shì)的對(duì)比得知，隨著拐彎角度增大，火焰在轉(zhuǎn)彎部分內(nèi)側(cè)火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之增大，燃燒火焰充滿整個(gè)巷道的時(shí)間隨之變短。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)巷道充滿瓦斯時(shí)，無(wú)論是直巷道還是轉(zhuǎn)彎巷道，火焰在初始階段的整體發(fā)展過(guò)程是類似的。表現(xiàn)為初始階段火焰是加速向管道后方傳播的，但由于巷道固體壁面的湍流加速作用使得靠近固壁的火焰?zhèn)鞑ニ俣认啾裙艿乐胁康膫鞑ニ俣容^快，形成凹字形的火焰形狀。之后火焰沿巷道壁面?zhèn)鞑ニ俣冉档?，而火焰中部傳播速度增大，慢慢形成一個(gè)平面火焰，這主要是受到氣體反向流動(dòng)的影響。最后，形成凸字型火焰向巷道末端加速傳播。

（2）火焰經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)彎部分時(shí)，不會(huì)先充滿轉(zhuǎn)彎部分巷道，而是先繞著轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)迅速向巷道出口方向傳播，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才會(huì)充滿轉(zhuǎn)彎部分。隨著轉(zhuǎn)彎角度的增大，火焰在轉(zhuǎn)彎部分傳播的速度隨之增大。

（3）煤礦井下為防止瓦斯爆炸事故造成嚴(yán)重的破壞效應(yīng)，在巷道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)彎的情況。在必須轉(zhuǎn)彎的情況下，應(yīng)在轉(zhuǎn)彎部分設(shè)置事故應(yīng)急設(shè)備。

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