趙俊龍 王 泓 章 毅

(總參工程兵第四設(shè)計(jì)研究院，北京 100036)

利用爆轟理論評(píng)估隧道中瓦斯爆炸破壞效應(yīng)

趙俊龍 王 泓 章 毅

(總參工程兵第四設(shè)計(jì)研究院，北京 100036)

利用化學(xué)反應(yīng)式及混合爆炸氣體的爆轟理論計(jì)算出爆轟波的速度，爆轟結(jié)束瞬間爆炸產(chǎn)物的溫度、爆轟波超壓、沖擊波超壓等物理力學(xué)參數(shù)；結(jié)果表明瓦斯爆炸溫度很高，引起的爆轟波超壓和沖擊波超壓都很大;一旦爆炸發(fā)生，對(duì)內(nèi)部人員、設(shè)備和工程結(jié)構(gòu)將造成非常大的危害,提出減少該類事故應(yīng)重在預(yù)防。

地下工程，隧道，瓦斯，爆炸，爆轟波，沖擊波

0 引言

2017年5月2日，成貴快鐵在建的七扇巖隧道發(fā)生瓦斯爆炸，造成了重大事故。在含瓦斯?jié)舛容^高的地層附近修建地下工程時(shí)常常會(huì)面臨瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

爆轟參數(shù)會(huì)受到初始溫度和初始?jí)毫?、瓦斯流?chǎng)的影響[1,2]；為此，進(jìn)行以下假設(shè)：

1)爆炸發(fā)生在一維的平直掘進(jìn)巷道中；2)初始狀態(tài)為常溫、常壓(293 K，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，瓦斯與空氣混合均勻；3)以點(diǎn)源來(lái)點(diǎn)燃爆炸；4)瓦斯混合氣體的主要成分是N2,CH4,O2，體積分?jǐn)?shù)分別為8/11,1/11,2/11，此時(shí)爆炸威力最大。

1 化學(xué)反應(yīng)式與熱力學(xué)參數(shù)

1.1模型建立

化學(xué)式為(均為氣態(tài)，轉(zhuǎn)化熱Qv=191.8 kcal=802.36 kJ)：

8N2+CH4+2O2=8N2+CO2+2H2O+191.8 kcal

(1)

1.2混合氣體爆炸分解的反應(yīng)溫度

混合氣體爆炸分解的溫度變化由爆熱和生成物的定容熱容兩個(gè)因素決定：

(2)

根據(jù)量子理論，氣體熱容由對(duì)應(yīng)于分子平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)自由度的三部分疊加而成：

(3)

對(duì)于平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)所對(duì)應(yīng)的定容熱容，熱力學(xué)給出:

(4)

其中，Cp為定壓熱容；R為普適常數(shù)，8.314 5；m′，m″分別為分子平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

對(duì)于由振動(dòng)所制約的熱容分量可由德拜—愛(ài)因斯坦公式求得[6]：

(5)

其中，θ為特性溫度，不同分子具有不同的特性溫度；三種氣體對(duì)應(yīng)的特性溫度如表1所示，括號(hào)中的數(shù)字表示相應(yīng)頻率的簡(jiǎn)并化程度。

表1 反應(yīng)物及生成物氣體的特性溫度 K

平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)自由度：對(duì)于N2，為3,2,1；對(duì)于CO2，為3,2,4；對(duì)于非線性結(jié)構(gòu)的H2O，為3,3,3。

于是，每摩爾反應(yīng)生成物(含8 molN2,1 molCO2,2 molH2O)的熱容為：

Cv=8Cv1+Cv2+2Cv3=28.5R+8CE(3 350/T)+2CE(954/T)+
CE(1 920/T)+CE(3 360/T)+2CE(2 280/T)+
2CE(5 150/T)+2CE(5 360/T)

(6)

根據(jù)熱容的定義，對(duì)于每摩爾的氣體有：

(7)

其中，T0=293 K；T1為爆溫；Qv=802.360 kJ。式(7)與式(2)聯(lián)立，解得：

為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性，利用常用的卡斯特兩項(xiàng)式對(duì)爆炸溫度進(jìn)行核算。

1.3利用卡斯特兩項(xiàng)式計(jì)算爆炸溫度

(8)

則每摩爾爆炸產(chǎn)物從0 K～tK的溫度間隔內(nèi)的平均分子熱容：

(9)

考慮到Tc值較大，可以認(rèn)為293 K～Tc和273 K～Tc的平均熱容相等，則有：

(10)

兩種計(jì)算方式結(jié)果基本相同，結(jié)果可信，可以作為下一步爆轟相關(guān)參數(shù)計(jì)算的依據(jù)。

1.4爆轟結(jié)束瞬間產(chǎn)物的溫度TH

(11)

比熱比(絕熱指數(shù))K：

(12)

根據(jù)文獻(xiàn)[5]的公式，可以求得爆轟結(jié)束瞬間產(chǎn)物溫度：

TH=Tc×2K/(2K+1)=2 754×2×1.28/(1.28+1)=3 092 K

(13)

這里TH比爆溫高，爆溫是假定爆轟產(chǎn)物在定容條件下加熱升溫，而TH除此之外還包括爆炸產(chǎn)物體積被壓縮造成的升溫。

1.5爆轟速度DH、爆轟產(chǎn)物(C—J面)質(zhì)量速度VH

沖擊波波頭(未擾動(dòng)面與反應(yīng)區(qū)的分界面)和化學(xué)反應(yīng)區(qū)的傳播速度是相同的。這個(gè)速度稱為爆轟波傳播速度，即爆速[6]，以DH表示。文獻(xiàn)[6]給出了計(jì)算方程：

(14)

利用Hugoniot關(guān)系式對(duì)爆轟波參數(shù)的推導(dǎo)，可以得出，爆轟波后產(chǎn)物質(zhì)點(diǎn)的速度UH以及爆轟產(chǎn)物超壓方程[7]為：

(15)

平均分子量MH=27.6，將MH,TH值代入，得出DH=1 944 m/s，UH=827 m/s。

1.6爆轟波超壓ΔPH、沖擊波陣面超壓ΔPC

ΔPH=PH-P0=ρ0UHDH

(16)

將ρ0,UH,DH代入公式得ΔPH=1.93 MPa。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，當(dāng)沖擊波和爆轟波陣面的傳播速度相同時(shí)，爆轟波陣面的超壓ΔPH約為沖擊波波陣面超壓ΔPC的1/2，于是ΔPH=3.86 MPa。

2 爆炸產(chǎn)物的破壞效應(yīng)

2.1沖擊波效應(yīng)

瓦斯爆炸后，爆炸產(chǎn)物的速度達(dá)到2倍以上的音速，沖擊波超壓可達(dá)3.86 MPa，爆轟波超壓也達(dá)到了1.93 MPa，沖擊波除對(duì)構(gòu)筑物及設(shè)備有破壞作用外，還會(huì)對(duì)人員造成嚴(yán)重的傷害。文獻(xiàn)[8][9]關(guān)于沖擊波對(duì)人體及動(dòng)物的傷害效應(yīng)描述基本一致，當(dāng)沖擊波大于0.1 MPa時(shí)，絕大部分人員會(huì)死亡。因此，處于爆轟作用區(qū)人員幾乎沒(méi)有生存的可能性。

2.2高溫及地沖擊效應(yīng)

爆轟波陣面上的溫度高達(dá)3 092 K(2 795 ℃)，雖然時(shí)間較短，但是由于溫度很高，會(huì)對(duì)巷道內(nèi)甚至口部外的人員和物品帶來(lái)很大的傷害，伴隨著沖擊波的沖擊感生地震也很強(qiáng)烈，在加速度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，地下工程拱頂將發(fā)生塌方。這些和事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果是一致的。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在地下工程施工中，一旦發(fā)生瓦斯爆炸，爆轟區(qū)附近將發(fā)生嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。實(shí)際上，以上計(jì)算并沒(méi)有考慮到洞庫(kù)壁導(dǎo)熱以及摩擦力對(duì)瓦斯爆炸能量的耗散作用，由此會(huì)帶來(lái)計(jì)算結(jié)果偏大；另一方面，由于計(jì)算的沖擊波壓力為入射壓力，在沖擊波遇到障礙物以及對(duì)于巷道轉(zhuǎn)彎、變徑時(shí)會(huì)發(fā)生繞射、反射等現(xiàn)象，造成局部超壓的劇烈增加，會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)破壞作用。這些因素對(duì)最終破壞效應(yīng)的影響，還需要進(jìn)一步深入的研究。

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Damageeffectanalysisofgasexplosionintunnelbyusingdetonationtheory

ZhaoJunlongWangHongZhangYi

(The4thEngineerDesignandResearchInstituteofGeneralStaffDepartment,Beijing100036,China)

The physical and mechanical parameters such as the velocity of detonation wave, the temperature of detonation product at the end of the detonation, the overpressure of detonation and shock wave are calculated by using the chemical reaction equation and the detonation theory of mixed explosive gas. The results show that the temperature caused by gas explosion and the overpressure caused by detonation and shock wave are very high. Once the explosion occurs, there will be a great deal of damage to the internal personnel, equipment, and engineering structures, put forward and the reduction of such incidents should focus on precaution.

underground engineering, tunnel, gas, explosion, detonation wave, shock wave

TD712.71

A

1009-6825(2017)26-0155-02

2017-07-07

趙俊龍(1981- )，男，工程師; 王 泓(1980- )，男，工程師; 章 毅(1981- )，男，工程師