陳哲

摘 要：煤礦隔爆密閉墻是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障，本文以密閉墻為研究對象，通過密閉墻抗暴沖擊壓力試驗，得到爆炸最大壓力為1.03MPa，通過Fluent數(shù)值模擬軟件得到瓦斯爆炸對密封墻造成的最大壓力為0.7MPa，小于試驗過程中測得的1.03MPa，兩者皆遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于礦山壓力疊加最大值5.3MPa，滿足安全生產(chǎn)的要求。

關(guān)鍵詞：隔爆密閉墻;沖擊壓力;Fluent數(shù)值模擬

1 引言

煤礦密閉墻是防止采空區(qū)煤與瓦斯自燃的重要措施。密閉墻不僅能在強(qiáng)度上承受來自料漿的作用力，還能在結(jié)構(gòu)上滿足充填料漿的濾水，在一定的沖擊壓力作用下，即使發(fā)生變形，利用其良好的氣密性和強(qiáng)度指數(shù)也能起到很好的隔斷作用。目前，充填料漿的力學(xué)特性和密閉墻的破壞機(jī)理是礦山密閉墻設(shè)計的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的泥漿充填在強(qiáng)大的沖擊力作用下容易造成氣體的泄露，長時間應(yīng)力作用下，密閉墻的氣密性能降低，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的安全進(jìn)行[1]。為此，本文以山西某礦為研究背景，通過密閉墻抗暴沖擊壓力試驗得到爆炸最大壓力為1.03MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于礦山壓力疊加最大值5.3MPa，滿足生產(chǎn)的安全進(jìn)行。

2 密閉墻抗暴沖擊壓力試驗

密閉墻抗暴沖擊壓力試驗選擇甲烷以及煤粉進(jìn)行，以GB/T 16425-1996為標(biāo)準(zhǔn)，實驗中甲烷含量上限是14%，下限是5%，符合國家規(guī)定。試驗過程中，燃燒產(chǎn)生的紅色火焰，且并未發(fā)生爆炸現(xiàn)象，因此證明了試驗方法的合理性。試驗工程中，觀察爆炸壓力隨時間的變化曲線，得到圖1所示的結(jié)果，從圖中可以看出，在測試初始階段，爆炸壓力值較為穩(wěn)定，當(dāng)時間為2.1×105ms時，爆炸壓力開始增加，最大值達(dá)到0.58MPa，隨后爆炸壓力值逐漸下降。

為了準(zhǔn)確計算試驗過程中氣體的爆炸壓力，對實驗條件做以下假設(shè)：試驗過程中的空氣主要有氮氣和氧氣組成;試驗初始溫度為常溫，初始壓力為101kPa，試驗前后條件均為初始狀態(tài);在計算過程中，溫度函數(shù)不受試驗壓力和氣體密度影響;試驗產(chǎn)生的熱量均用于爆炸作用，不存在外漏以及反應(yīng)不充分現(xiàn)象。

試驗過程中的CH4燃燒方程為：

試驗過程中爆炸最大壓力公式為：

式中，爆炸最大壓力值為pmax，單位MPa;pmax為爆炸最大壓力對應(yīng)的溫度，單位為℃;p0為初始壓力，值為101kPa;T0為初始溫度，25℃;氣體摩爾數(shù)m、n均為10.3。

反應(yīng)后氣體產(chǎn)生的總熱量為：

式中，產(chǎn)生的總熱量為Cr，單位J;Cri為各產(chǎn)物的熱量值，單位J;各個產(chǎn)物的摩爾系數(shù)為ni。

因為甲烷燃燒的速度極快，在反應(yīng)的過程中，基本處于絕熱的狀態(tài)，因此可用以下公式進(jìn)行燃燒熱計算：

根據(jù)公式（3）可得到反應(yīng)過程中產(chǎn)生的總熱量為：

計算過程中，CO2、H2O、N2的熱量分別是36.8+

0.00214T、15.6+0.00621T、19.0+0.00251T，其中T為強(qiáng)度。試驗過程中產(chǎn)生的最高溫度為2786℃，爆炸最大壓力為1.03MPa，產(chǎn)生的總熱量為220.9+0.03446T。

3 密閉墻沖擊壓力數(shù)值模擬分析

為了驗證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，數(shù)值模擬過程中，假設(shè)巷道內(nèi)充滿氣體，且以瓦斯混合氣體的方式存在，當(dāng)巷道一側(cè)發(fā)生火災(zāi)后，巷道內(nèi)氣體迅速消耗，燃燒形成火焰，高溫使得擴(kuò)散層流由內(nèi)向外迅速擴(kuò)散;燃燒產(chǎn)生的火焰球因為巷道壁的存在擴(kuò)散困難，導(dǎo)致火焰球長時間存在于巷道內(nèi)，在巷道壁的阻礙作用下，火焰球側(cè)面最終以平面的形式展現(xiàn)出巷道內(nèi)氣體模型。模擬實驗得知，爆炸從巷道左側(cè)開始，通過燃燒區(qū)最終聚集在沖擊波區(qū)。

并對巷道進(jìn)行邊界以及初始條件設(shè)置，設(shè)置模型巷道壁為絕熱面，巷道壁的初始溫度為228.52K，粗糙度為0.03mm。利用Fluent數(shù)值模擬軟件中的自適應(yīng)溫度調(diào)節(jié)功能，對溫度梯度進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分的過程中，不同尺度下劃分單元格下帶來的計算時間以及計算結(jié)果差異小，在大量計算的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用5mm劃分單元時，網(wǎng)格劃分細(xì)，計算結(jié)果更加準(zhǔn)確，計算時間也最小，因此選用5mm劃分單元，劃分了8653分單元。

模擬密封強(qiáng)沖擊壓力試驗其實是氣體燃燒反應(yīng)的過程中，在極其短暫的時間內(nèi)氣體反應(yīng)燃燒過程中，必然滿足能量守恒以及化學(xué)組分平衡方程。通過試驗再進(jìn)行計算浪費大量的時間且計算過程復(fù)雜，因此采用模型模塊中的湍流模型，輸入非穩(wěn)態(tài)的Navier-Stokes方程，實現(xiàn)了方程組的封閉式快速求解。在模型以及計算方法的選擇上，應(yīng)該盡量以實際情況為準(zhǔn)，選擇通用性較高、模型簡單、計算結(jié)果準(zhǔn)確的模型。

在上述數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，設(shè)定模擬巷道內(nèi)瓦斯氣體的濃度為9.6%，通過Fluent軟件進(jìn)行氣體傳壓過程中溫度、速度以及壓力等參數(shù)的同時。當(dāng)巷道內(nèi)瓦斯點燃后，點燃瞬間形成火焰球，氣體的迅速燃燒消耗了巷道內(nèi)的氣體，且燃燒產(chǎn)生的大量熱量使得巷道內(nèi)壓力劇增，因此產(chǎn)生了壓力沖擊波。在壓力沖擊波的催化作用下，巷道為未燃燒的氣體迅速點燃，造成了燃燒反應(yīng)的二次進(jìn)行，然后產(chǎn)生的熱量擴(kuò)大了壓力沖擊波的范圍，如此往復(fù)進(jìn)行，沖擊波范圍不斷擴(kuò)大，影響范圍也越來越廣。通過對巷道沖擊內(nèi)壓的分布監(jiān)測可知，當(dāng)巷道氣體燃燒時，燃燒點處立即形成沖擊波，當(dāng)燃燒范圍不斷擴(kuò)大，巷道內(nèi)氣體壓力逐漸上升，雖然上升趨勢逐漸降低，但是巷道內(nèi)氣體壓力一直在增加。

圖2為超壓隨時間的變化曲線，從圖中可以看出，當(dāng)時間達(dá)到1.5s后，超壓迅速增加，時間為2.3s左右，超壓增加趨勢緩慢，最后逐漸趨于穩(wěn)定，整個過程時間短暫，圖3中的模擬結(jié)果僅僅發(fā)生0.8s，巷道沖擊壓力范圍2m，將數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，兩者趨勢相同。

通過監(jiān)測結(jié)果分析得知，瓦斯爆炸對密封墻造成的最大壓力為0.7MPa，小于試驗過程中測得的1.03MPa，根據(jù)規(guī)定，礦井密封墻設(shè)計的壓力最大值為5.3MPa，證明了密封墻設(shè)計的安全性。

4 結(jié)論

通過密閉墻抗暴沖擊壓力試驗，計算得到試驗過程中產(chǎn)生的最高溫度為2786℃，爆炸最大壓力為1.03MPa，產(chǎn)生的總熱量為220.9+0.03446T。通過數(shù)值模擬研究，得到瓦斯爆炸對密封墻造成的最大壓力為0.7MPa，密封墻設(shè)計安區(qū)性系數(shù)高。工作面采空區(qū)密封墻的設(shè)計既可以防止氧氣等氣體進(jìn)入采空區(qū)，又可防止采空區(qū)內(nèi)氣體溢出至工作面，可以保證生產(chǎn)的安全進(jìn)行。礦井應(yīng)根據(jù)采區(qū)的地質(zhì)條件考慮密閉墻的服務(wù)年限，承受一定壓力的同時，抵擋外界災(zāi)害滿足生產(chǎn)的安全進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]滕博，姜福興，莫自寧，等.煤礦防爆密閉墻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2007（002）：97-100.