陳德勇 賀小軒 楊 慧 相光友 左祖雄

(1.阿勒泰正元國際礦業(yè)有限公司，新疆 阿勒泰 836700；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京100083；3.中國節(jié)能環(huán)保集團(tuán)有限公司，北京100082)

0 引言

瓦斯爆炸事故后果嚴(yán)重，事故發(fā)生后均有以下特點(diǎn)：礦井通風(fēng)構(gòu)筑物幾乎全部被摧毀，通風(fēng)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，通風(fēng)紊亂導(dǎo)致災(zāi)情迅速擴(kuò)大到井下其他區(qū)域；由于有毒有害氣體濃度大、缺氧、溫度高等原因，使得救援隊(duì)伍救援難度巨大。

許多學(xué)者研究空中、水下、近地面附近爆炸沖擊波的破壞作用及其影響因素，如王瑩等基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方式研究水中爆炸沖擊波載荷對冰層破壞的影響因素，總結(jié)出主要影響因素是爆距、藥量、冰厚；姚成寶等基于LS-Dyna軟件模擬爆炸沖擊波在空氣中的傳播過程，討論網(wǎng)格密度和邊界條件對計(jì)算結(jié)果的影響，結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的有效性；徐景德、藺照東基于數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)研究井下巷道瓦斯爆炸沖擊波傳播的影響因素?；谘芯楷F(xiàn)狀可知，對金屬板在受限空間內(nèi)爆炸沖擊載荷的破壞作用的研究較少，而且極少涉及到?jīng)_擊波在固體結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播作用過程。由于爆炸試驗(yàn)危險(xiǎn)性較大，且代價(jià)較為高昂，采用數(shù)值模擬方法研究氣體爆炸問題，是基于計(jì)算流體力學(xué)、爆炸力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)和氣體爆炸理論等方面的研究成果開展的。數(shù)值模擬方法可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，因此受到人們重視。

本文研究爆炸沖擊波在井下受限空間內(nèi)傳播過程中對通風(fēng)設(shè)施破壞作用的影響因素，模擬單條巷道中瓦斯爆炸傳播的情況，研究爆炸總能量、通風(fēng)設(shè)施厚度、邊界條件等因素對破壞作用的影響。

1 建立數(shù)值模擬模型

基于LS-Dyna有限元分析軟件，建立多種礦井巷道數(shù)值計(jì)算模型，使用ANSYS Workbench中的Geometry建立物理模型，模型建立時(shí)，考慮到巷道具有對稱結(jié)構(gòu)，因此巷道可以采用1/2或1/4的模型進(jìn)行建模，可以極大地節(jié)省計(jì)算資源。整體分解圖(如圖1)，左側(cè)部分為爆炸混合氣體，中間部分為空氣域，長度固定在10m，截面積不小于16m，右側(cè)部分為風(fēng)門。

圖1 有限元模型

在ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(ANSYS Parametric Design Language，APDL)前處理中，瓦斯空氣混合氣體、空氣、風(fēng)門均選擇solid164實(shí)體單元，將材料參數(shù)Null賦給瓦斯空氣混合氣體和空氣，材料參數(shù)Plastic_Kinematic賦給風(fēng)門。其中瓦斯空氣混合氣體和空氣采用Liner Polynomial狀態(tài)方程來描述，具體參數(shù)，見下表。

表 材料參數(shù)

注：BETA介于0到1之間；SRC為參數(shù)

C

的應(yīng)變率，此值如果為0則不考慮應(yīng)變率效應(yīng)；SRP為參數(shù)

P

的應(yīng)變率。

風(fēng)門所采用的Plastic_Kinematic材料模型是一種各向同性、隨動硬化混合模型，如圖2本構(gòu)模型所示，其與材料本身應(yīng)變率相關(guān)，可以考慮失效，且參數(shù)容易確定。通常用Cowper-Symonds模型來描述應(yīng)變率效應(yīng)對屈服強(qiáng)度的影響，方程為：

圖2 Plastic_Kinematic本構(gòu)模型

(1)

式中：

σ

—屈服強(qiáng)度，MPa；

C

、

P

—Cowper-Symonds應(yīng)變率參數(shù)；

ε

—應(yīng)變率；

σ

—初始屈服應(yīng)力，MPa；

E

—塑性硬化模量，MPa；

β

—硬化系數(shù)，在[0，1]取值。

2 不同工況條件下瓦斯爆炸沖擊波動態(tài)響應(yīng)特征

2.1 不同體積氣體爆炸沖擊波對風(fēng)門的動態(tài)響應(yīng)特征

在實(shí)際事故中，由于瓦斯集聚與空氣混合形成的混合氣體處在爆炸極限內(nèi)，遇到足夠的點(diǎn)火能就會發(fā)生爆炸反應(yīng)，爆炸產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度與爆炸的混合氣體體積具有一定關(guān)系，在方形巷道內(nèi)，可燃?xì)怏w距離風(fēng)門8m的距離，通過改變混合可燃?xì)怏w的體積，設(shè)置0.6、1.2、2.4m3個(gè)體積梯度，研究風(fēng)門上動態(tài)響應(yīng)的變化。

風(fēng)門上的速度、位移、總能量的變化情況,如圖3。從圖3(a)可以看出，2.4m的混合爆炸氣體爆炸產(chǎn)生的沖擊波最先作用到風(fēng)門上，其次是1.2和0.6m混合爆炸氣體，到達(dá)時(shí)間分別為1 973、2 273、2 673μs。在加速過程中，2.4m混合爆炸氣體產(chǎn)生的加速度最大曲線較陡，但是沖擊波作用在風(fēng)門上的時(shí)間最短，0.6m混合爆炸氣體產(chǎn)生的加速度最小曲線較緩，但是沖擊波作用時(shí)間最長，綜合來看0.6m混合爆炸氣體對風(fēng)門在速度上的作用最大，其次是1.2和2.4m混合爆炸氣體。從圖3(b)可以看出，速度達(dá)到一定程度后，風(fēng)門才會開始出現(xiàn)位移，在A線上可以看出前期速度較小，斜率上有一個(gè)加速過程；在4 500μs之前是C情況產(chǎn)生的位移大，之后則是A情況產(chǎn)生的位移大。從圖3(c)可以看出風(fēng)門上總能量的變化情況，主要是動能上的差別，A情況下風(fēng)門上的動能最大，其次是B、C情況，當(dāng)動能達(dá)到最大后，有一部分單元達(dá)到失效條件，逐漸開始失效結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，然后被刪除不參與后續(xù)的計(jì)算，因此動能會有一個(gè)較大的衰減，但是剩余單元仍保持較大速度，沒有大幅衰減。

圖3 不同體積爆炸氣體下風(fēng)門速度、位移、總能量的時(shí)間曲線

2.2 爆炸沖擊波對不同厚度風(fēng)門的動態(tài)響應(yīng)特征

在實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)門的厚度略有不同，本例中以圓形通風(fēng)巷道為例，分別計(jì)算3和6cm厚度風(fēng)門在爆炸沖擊波作用下的動態(tài)響應(yīng)過程。不同厚度風(fēng)門的速度、位移、能量變化，如圖4。從圖4(a)可以看出，6cm厚度的風(fēng)門速度小于3cm厚度的風(fēng)門，即厚度小的風(fēng)門上單元獲得的速度更大；從圖4(b)可以看出，6cm厚度的風(fēng)門位移小于3cm厚度的風(fēng)門，即厚度小的風(fēng)門上單元的位移更大；從圖4(c)可以看出，6cm厚度的風(fēng)門動能小于3cm厚度的風(fēng)門，B情況出現(xiàn)2次衰減，主要是因?yàn)?cm厚度風(fēng)門單元有2次大范圍失效，能量損失的也更多。

圖4 不同厚度風(fēng)門的速度、位移、能量變化圖

2.3 爆炸沖擊波對不同約束條件下風(fēng)門的動態(tài)響應(yīng)

在實(shí)際應(yīng)用中，不同巷道根據(jù)不同的實(shí)際需求會設(shè)置不同的邊界條件，對于永久封閉的風(fēng)門可以采取四邊固支的方式，對于正在使用的風(fēng)門可以采取左右兩邊固支上下兩邊簡支的方式，針對設(shè)置的不同邊界條件采用方形巷道進(jìn)行計(jì)算，其他條件固定不變，研究不同邊界條件下方形風(fēng)門的動態(tài)響應(yīng)和破壞過程。

四邊固支和兩固支兩簡支的風(fēng)門在爆炸沖擊波作用下的速度、位移、能量變化的時(shí)程曲線，如圖5。圖5(a)中在3 000μs前A情況和B情況風(fēng)門速度增加過程一樣，固支邊與巷道固接，四邊固支的情況對風(fēng)門速度的增加阻力更大，兩邊簡支兩邊固支的情況簡支邊阻力較小，就使得風(fēng)門獲得更高的速度；圖5(b)中2種情況位移的差距是因?yàn)轱L(fēng)門速度的不同引起的，B情況的風(fēng)門在沖擊作用下產(chǎn)生的位移更大，相對A情況來說局部的破壞情況會更嚴(yán)重；圖5(c)是風(fēng)門總能量的變化情況，主要是取決風(fēng)門單元整體的速度變化情況，B情況下風(fēng)門獲得的動能大于A情況，從曲線的衰減過程可以看出B情況下單元失效損失的動能更多，即B情況下結(jié)構(gòu)的失效情況會更嚴(yán)重。

圖5 不同邊界條件下風(fēng)門的速度、位移、能量的時(shí)間曲線

綜上可知，爆炸氣體體積不同的情況下，爆炸氣體體積越大，最早接觸風(fēng)門，但作用的時(shí)間短，對風(fēng)門速度作用小，風(fēng)門最終產(chǎn)生的位移越小，風(fēng)門的動能也越小。風(fēng)門厚度不同時(shí)，風(fēng)門厚度越小，風(fēng)門獲得的速度越大，單元位移更大，動能也越大。約束條件不同時(shí)，兩邊簡支兩邊固支較四邊固支產(chǎn)生的阻力小，因而獲得的速度大，破壞情況會更嚴(yán)重。橫向?qū)Ρ?種情況下風(fēng)門的動態(tài)響應(yīng)特征可以看出，爆炸氣體的量的改變對風(fēng)門上獲得的能量影響最大，其次是風(fēng)門采用的邊界條件，固支或簡支引起風(fēng)門上能量變化較大，風(fēng)門的厚度對獲得能量的影響最小。

3 不同工況條件下瓦斯爆炸沖擊波動態(tài)破壞特征

3.1 不同體積氣體爆炸沖擊波對風(fēng)門的動態(tài)破壞特征

如圖6所示，分別為3種不同體積的混合爆炸氣體作用下風(fēng)門在5 500μs的位移和速度分布圖形，結(jié)合圖3可以看出，圖6(a)(b)為0.6m混合爆炸氣體作用下風(fēng)門的位移和速度分布圖，從中可以看出風(fēng)門結(jié)構(gòu)的裂縫更為明顯，大體上分布在風(fēng)門中部，三橫一縱的形狀，風(fēng)門右邊2個(gè)角上破壞程度較大，風(fēng)門表面均有不同程度的細(xì)小破壞；圖6(c)(d)中可以看出裂隙輪廓大于0.6m的情況，呈現(xiàn)兩橫一縱的形狀，風(fēng)門右邊2個(gè)角上與裂隙的交匯處破壞程度較大；圖6(e)(f)為2.4m混合爆炸氣體作用下位移和速度分布圖，風(fēng)門裂隙主要集中分布在邊框附近，呈現(xiàn)多條橫向和縱向的裂縫，風(fēng)門中部較為完整。

圖6 不同體積爆炸氣體下風(fēng)門的位移和速度分布圖

3.2 爆炸沖擊波對不同厚度風(fēng)門的動態(tài)破壞特征

如圖7所示，以圓形風(fēng)門為例進(jìn)行計(jì)算，圖7中深色區(qū)域是位移或速度集中的地方，同一個(gè)算例中位移和速度的分布是相關(guān)的，3cm厚度的風(fēng)門已經(jīng)發(fā)生明顯的變形，從中心到圓周，速度和位移呈梯度分布，差值較大的地方出現(xiàn)多圈環(huán)向的裂縫，中部深色區(qū)域結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重；6cm厚度的風(fēng)門位移和速度集中在中部和圓周附近，2個(gè)位移較大的部位之間還存在環(huán)向的位移較小的部位，呈現(xiàn)出W型的位移變化情況，總的來說在5 500μs內(nèi)，6cm厚度的風(fēng)門破壞程度小于3cm厚度的風(fēng)門。

圖7 不同厚度風(fēng)門的位移和速度分布圖

3.3 爆炸沖擊波對不同約束條件下風(fēng)門的動態(tài)破壞特征

2種不同邊界條件下，風(fēng)門在爆炸沖擊波的作用下，結(jié)構(gòu)開始失效的位置都是從四角開始，一直到表面單元全部失效。不同的是失效的過程，四邊固支情況下最先產(chǎn)生四邊的失效和橫向上的失效；兩邊固支兩邊簡支是從四角均勻擴(kuò)散，最先產(chǎn)生縱向上的失效，風(fēng)門上的裂縫都是隨著失效區(qū)域產(chǎn)生的，所以失效的過程不同，產(chǎn)生的裂縫也不同。四邊固支情況下的裂縫隨著固支邊附近產(chǎn)生裂縫，形成一個(gè)小的四邊形的裂縫，并在中間有一個(gè)橫向的貫穿裂縫；兩固兩簡在中間形成X型的裂縫，并在左右兩邊產(chǎn)生一個(gè)橫向上貫穿裂縫。2種不同邊界條件下風(fēng)門整體的速度和位移分布(如圖8)，四邊固支情況下風(fēng)門邊框位移和速度均為零，固支風(fēng)門四周的位移較小，中部整體的位移較大，這使得中部與四周之間出現(xiàn)較大的位移差，形成裂縫，越向內(nèi)速度和位移越大；兩邊固支兩邊簡支的風(fēng)門整體的位移較大，四角位置位移最小，越向中部速度集中的區(qū)域，位移也最大，整個(gè)風(fēng)門呈現(xiàn)一個(gè)向內(nèi)凹的形狀，位移和速度的分布是相關(guān)的。

圖8 不同邊界條件下風(fēng)門的位移和速度分布圖

綜上可知，爆炸氣體體積不同時(shí)，爆炸氣體體積越小，風(fēng)門的結(jié)構(gòu)裂隙越明顯。風(fēng)門厚度不同時(shí)，風(fēng)門厚度越小，風(fēng)門形變更加明顯。約束條件不同，失效過程不同，產(chǎn)生的裂縫位置也不同，內(nèi)部位移也不同，固支風(fēng)門中部整體的位移較大，而兩邊固支兩邊簡支的風(fēng)門整體的位移較大。

4 結(jié)論

(1)瓦斯爆炸沖擊波在井下受限空間內(nèi)對通風(fēng)設(shè)施的破壞作用的影響因素主要包括爆炸總能量、通風(fēng)設(shè)施厚度、邊界條件這3類。通過建立多種數(shù)值建設(shè)模型模擬單條巷道中瓦斯爆炸傳播的情況，避免爆炸危險(xiǎn)，并得到3類因素對破壞作用的影響大小。

(2)通過模擬運(yùn)算，得出爆炸氣體體積越大的工況對空氣的加速度越大，沖擊波最先接觸風(fēng)門，但作用時(shí)間更短，傳遞給風(fēng)門的能量最小，產(chǎn)生的破壞情況也最輕；對于厚度小的風(fēng)門在沖擊波作用下會獲得更大速度、位移、能量，因此被破壞的情況更加嚴(yán)重；固支的邊界條件下，風(fēng)門獲得的速度、產(chǎn)生的位移小于簡支的邊界條件，風(fēng)門的破壞形成的斷裂與邊界條件有關(guān)。橫向比較可知，對風(fēng)門獲得能量影響作用從大到小依次是爆炸氣體的體積、邊界條件、風(fēng)門厚度。

(3)不同的工況瓦斯爆炸沖擊波對風(fēng)門的破壞特征不同，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果來看，爆炸氣體體積越小，裂隙越明顯，風(fēng)門厚度越小，形變越明顯，失效過程、裂隙位置、內(nèi)部位移與不同的約束條件有關(guān)。