瓦斯爆炸作用下井口外部区域灾害分布特征*

庞 磊，靳江红，亢 永，吕鹏飞

(1.北京石油化工学院化学工程学院，北京 102617; 2.北京市劳动保护科学研究所，北京 100054)

1 引 言

瓦斯爆炸是我国煤炭工业生产中最主要的事故类型之一，不仅造成重大人员伤亡，对巷道主体结构及配套建筑物、基础设施也具有显著的破坏作用。在多次瓦斯爆炸事故中，井口附近的矿灯房、自救器房、浴室等建筑物常遭受不同程度的破坏，处于井口附近的有关人员也常受到爆炸的冲击。我国煤炭工业矿井设计规范对煤炭工业场地总平面布置给出了详细要求，明确指出平面布置应结合地形、工程地质、水文、气象等自然条件和工业场地竖向布置，协调井下开拓部署、地面生产系统、铁路运输等主要生产环节，做到有利生产、方便生活、节约用地、减少压煤，并限定了各种建筑物与井口的最小距离，但却忽视了瓦斯爆炸等安全生产事故给井口附近区域人员及建筑物带来的潜在性危害，同样，相关的煤矿安全规程也没有结合瓦斯爆炸事故的潜在危害对相关人员在井口附近场地的活动加以限定，这无形中增加了井下瓦斯爆炸事故的风险。因此，认知这一事故风险对煤矿安全开采与事故预防控制具有重要的现实意义。

国内外学者对瓦斯爆炸事故进行了深入而持续的研究，并取得了丰硕的研究成果。从已有大量相关研究来看，瓦斯爆炸机理[1-3]、瓦斯爆炸在巷道内的演化规律[4-5]以及瓦斯爆炸火焰和冲击波传播规律[6-9]等方面成为研究热点，但尚未有人对瓦斯爆炸作用下井口附近的灾害效应给予关注和探索。此外，瓦斯爆炸场景尺度较大，借助全尺度实验难以实施研究，小尺度模型实验又会引发较大的尺度效应[10]。基于此，本研究结合2009年黑龙江鹤岗新兴煤矿特别重大瓦斯爆炸事故，利用计算流体力学(CFD)技术研究了瓦斯爆炸对井口外部区域的破坏效应，揭示出井下瓦斯爆炸后井口外部区域的冲击波、高温分布规律。

2 典型事故案例

2009年11月21日，黑龙江龙煤集团鹤岗分公司新兴煤矿发生特别重大瓦斯爆炸事故。事故发生时全矿井下作业人员528人，108人遇难[11]。图1为该事故简图。事故中引发井口附近建筑物的破坏情况如图2所示[12-13]，井口外堆满坍塌的砖瓦，矿灯房窗户的玻璃均已震碎，窗框严重损坏。这说明该事故中爆炸冲击波对井口外部区域仍有较强的破坏作用。

图1 事故简图 Fig.1 Accident diagram

图2 井口附近损坏的建筑物 Fig.2 Damaged building near the pithead

3 研究方法

图3 数值模拟计算域 Fig.3 Physical model of numerical simulation

结合上述典型事故情境，基于CFD技术对瓦斯爆炸瞬态流场进行系统的数值模拟。数值模拟的计算域见图3。假设立井垂直，井深500 m，断面为直径6.5 m的圆形。在井口外部取1 000 m×1 000 m×500 m的长方体区域模拟井口外部的大气区域。连接立井底部的是一段水平煤巷。该巷道断面面积约为6 m2，简化为正方形。选择爆炸破坏性最大的情况，即巷道右端为封闭端，左端开口，并与立井底部连接，球形爆源位于巷道封闭端附近。假设水平巷道内完全充满瓦斯和空气的预混混合气，浓度为10%，略高于当量浓度[14]。由于巷道壁面的约束激励作用，瓦斯爆炸后从巷道封闭端至开口端是一个火焰加速过程，立井内和地面以上的区域将是冲击波传播和衰减区域。

采用主流气体爆炸冲击动力学仿真软件AutoReaGas对该气体爆炸冲击过程进行求解。计算基于质量、动量、能量及组分等流体力学基本守恒方程组，采用单步不可逆反应描述甲烷和氧气的高速化学反应过程，并采用标准k-ε湍流模型描述爆炸冲击过程中的湍流流动。湍流燃烧时体积燃烧率Rc的表达式为

(1)

式中:ρ是混合物密度，Γc是能量的湍流耗散系数，Ct是燃烧模型常数(Ct=70[15])，St是湍流燃烧速度，Rmin是燃料、氧气、反应产物的质量分数的最小值。St通过公式(2)[16]得到

(2)

式中:ut是湍流强度，Lt是湍流特征长度尺寸，Sl是层流燃烧速度，ν是流体的动力黏性。基于AutoReaGas采用8节点结构网格的自身特点，本研究数值模拟过程中对煤巷及立井对应的局部非长方体计算域进行了适当简化，并采用结构网格进行了离散。网格独立性验证工作可详见文献[15]。为了研究瓦斯量对其爆炸灾害的影响，分别考察了瓦斯初始预混区长度为100、200和500 m的3种情况。

4 结果与讨论

4.1 井口外部区域的流场分布

以瓦斯初始预混区长度100 m的情况为例分析井口外部爆炸流场分布。由于井口正上方一般无建筑物，在地面以上5 m高度的水平面上选取距离井口10、20、30、50、70、100、150、200和300 m的位置作为观测点，重点考察接近地面处不同水平位置的冲击波超压和温度分布。

图4给出了井口正上方5 m处的超压和温度变化。井口正上方附近的冲击波超压在1.543 s时刻达到峰值。温度曲线于1.570 s时刻出现一个小的突越，该突越是由冲击波经过该点时对空气扰动而形成的。经历一段时间后，在6.487 s时刻温度达到峰值369 K。从上述各时刻也可看出，冲击波的流动先于高温气流，从而峰值超压先于峰值温度到达。由于井口附近峰值超压和峰值温度都相对较高，使井口临近区域的爆炸灾害性最大。较高的超压对井口的建筑结构造成巨大冲击，高温易使巷道及混凝土结构的理化性质发生根本性变化，从而诱发井口坍塌等次生灾害。

图4 立井井口正上方5 m处的超压和温度分布 Fig.4 Overpressure and temperature distributions at top 5 m from the vertical shaft pithead

图5给出了距井口水平距离10 m处的超压和温度分布。在爆炸3 s以后的时间里，呈现类似于阻尼震荡的衰减规律，这种震荡可能加重对人员及建筑物的危害程度。根据图5(b)，该点的温度峰值接近于初始状态，表明立井井口附近水平方向的高温灾害很小。

图5 距立井井口水平距离10 m处的超压和温度分布 Fig.5 Overpressure and temperature distributions at horizontal distance of 10 m from the vertical shaft pithead

图6 距井口不同水平位置处的超压-时间分布 Fig.6 Overpressure versus time distribution at different horizontal distances from the vertical shaft pithead

距离井口不同水平位置的超压分布如图6所示，随着水平距离的增加，冲击波的衰减也越明显。井口附近的超压变化过程如图7所示，图中坐标(0，0)为井口中心位置。根据图7，井口附近竖直方向和水平方向的超压分布极不对称，竖直方向的超压比水平方向更具危害性。井口附近的温度变化如图8所示。井口附近竖直方向和水平方向的温度分布差异较大，井口正上方将形成一个类似于蘑菇云形状的高温区，其高度可达300 m以上。水平方向的温度变化则不明显。

图8 立井井口附近的温度云图 Fig.8 Temperature distribution near the vertical shaft pithead

4.2 瓦斯初始预混区长度对井口外部区域灾害效应的影响

图9 不同瓦斯初始预混区长度时峰值超压随水平距离的衰减 Fig.9 Attenuation of the peak overpressure with horizontal distances for different lengths of methane/air area

基于以上分析，井口附近水平方向的温度变化很小，因此着重考察不同瓦斯初始预混区长度时的冲击波超压分布差异。图9给出了初始预混区长度为100、200和500 m时峰值超压随水平距离的衰减过程。显然，初始预混区长度越大，距井口相同水平距离的峰值超压越大。例如，初始预混区长度为100、200和500 m时，距井口水平距离为50 m处的峰值超压分别为0.002 3、0.004 9和0.018 0 MPa。

针对煤矿工业场地平面布置，我国煤炭工业矿井设计规范(GB50215-2005)提出了各种建筑物与井口的最小距离，如低瓦斯和高瓦斯矿井的通风机房与进风井口的最小距离分别为30和50 m；锅炉房距离井口不宜小于30 m；储存量在10 t及以下、11～45 t、45 t以上的油脂库至进风井口的距离分别不应小于30、50、80 m；坑木堆场、矿井排矸场距进风井口不得小于80 m等等。

在新兴煤矿瓦斯爆炸事故中，距爆炸井口最近的矿灯房窗框已严重损坏，如果以爆炸波超压准则[17]衡量井口外部区域的灾害性，该事故中矿灯房附近的冲击波超压应在0.015～0.020 MPa范围内。由图9可知，当初始预混区长度为500 m时，距井口30、50、80 m位置的峰值超压分别为0.018 0、0.013 1和0.009 4 MPa。根据本研究结论“初始预混区长度越大，距井口相同水平距离的峰值超压越大”，新兴煤矿中参与爆炸的瓦斯初始预混区长度很可能接近并超过500 m，这与文献[10]的预测结果相符，从而也进一步验证了本研究数值计算方法及结果的准确性。

根据不同超压对人体作用的阈值[17]，根据图9，瓦斯区长度为500 m时，井口附近的峰值超压可能超过0.035 MPa,甚至0.050 MPa，因此该算例中井口附近的作业人员极有可能受到轻微损伤、听觉器官损伤甚至骨折。

由于瓦斯爆炸事故中参与反应的瓦斯量很可能高出500 m的初始预混区长度，所以其爆炸灾害性也将高于该事故案例。根据上述分析，我国《煤炭工业矿井设计规范》中对各种建筑物与井口最小距离的要求是不够的。

5 结 论

瓦斯爆炸对井口外部区域的危险主要源于沿水平方向传播的爆炸冲击波，其峰值超压量级可达0.01 MPa，对井口附近人员及建筑物足够造成显著危害。同时，井口外部附近区域的爆炸冲击波峰值超压及波及范围随瓦斯量的增加而逐渐增大，500 m长瓦斯初始预混区对应的井口水平方向人员及建筑物危害区域可达300 m，而井口外水平方向的高温灾害则不明显。在煤炭工业场地平面布置及煤矿作业过程中应当对该风险加以针对性的重视和有效防范，相关的风险评估应涵盖瓦斯爆炸对井口外部区域的危害效应，而瓦斯爆炸事故调查过程中也可结合本研究结论，通过井口外部区域的灾害分布特征反演井下事故过程。

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