巷道内不同形状障碍物对瓦斯爆炸传播影响的数值模拟研究

宋晓婷，徐景德，李 晖

(华北科技学院研究生处，北京东燕郊 065201)

巷道内不同形状障碍物对瓦斯爆炸传播影响的数值模拟研究

宋晓婷，徐景德，李 晖

(华北科技学院研究生处，北京东燕郊 065201)

矿井下巷道由于开采需要布置了掘进、开采和运输设备等障碍物，文章基于FLACS软件对井下巷道无障碍物、球形障碍物、圆柱形障碍物、方形障碍物等四种常见的障碍物分布情况进行数值模拟，研究不同形状障碍物对瓦斯爆炸传播影响的规律。通过研究发现障碍物能对矿井下瓦斯爆炸传播起到一定的激励作用，不同形状的障碍物激励效应不同，通过爆炸压力峰值影响程度、火焰阵面拉伸程度、火焰传播速度三个表征参数对四种形状障碍物产生的不同激励效应进行描述，正方形障碍物对爆炸压力峰值影响最大，圆柱形障碍物对火焰阵面拉伸程度影响最为严重，在火焰绕过障碍物后传播速度上升最快的是球形障碍物。不同形状障碍物产生的不同激励效应有关结论的提出对降低井下瓦斯爆炸严重程度具有重要意义。

瓦斯爆炸;形状;障碍物;激励效应;数值模拟

Abstract：Due to the need of mining，the excavation，mining and transportation equipment are arranged in the mine roadway.The article is based on the FLACS software to numerically simulate four common obstacle distributions in the underground tunnel such as without obstacle，spherical obstacle，cylindrical obstacle and square obstacle，to study the influence of different shapes on the occurrence of gas explosion.It is found that the obstacle can play a certain role in the propagation of the gas explosion under the mine.The different effect of the obstacle is different，the paper uses the following three parameters：influence of the peak value of explosion pressure，the degree of flame front，the flame propagation velocity to study the effects of the four kinds of shapes obstructions on the mine roadway.The square obstacle has the greatest influence on the peak pressure of the explosion.The cylindrical obstacle has the most serious effect on the flame front，and the highest propagation speed increases after the flame bypasses is the spherical obstacle.The different excitation effects of different shape obstructions are of great significance to reduce the severity of underground gas explosion.

Key words：mine gas explosion;shape;obstacle incentive effect;numerical simulation

0 引言

我国现有煤矿中，有95%采用地下开采方式，巷道封闭，出口少，瓦斯容易聚集的特点导致煤矿事故频发［1］。其中以瓦斯爆炸事故波及范围广、造成危害严重的特点成为煤矿生产安全的重大威胁。同时，由于开采和防护的需求，通常要在巷道内布置和摆放大量的掘进、开采、运输和支护设备，其中矿车和液压支柱是井下最常见的两种设备。不同的设备具有不同的几何形状，瓦斯爆炸发生时，这些设备必然会因自身的几何形状不同对爆炸冲击波和火焰波的传播造成不同的影响。因此，研究放置不同形状的障碍物对巷道瓦斯传播规律的影响，十分贴近井下的真实情况。

煤矿瓦斯爆炸容易诱发二次爆炸和连续爆炸，事故调查难以开展，难以查清爆炸事故诱因［2］。在爆炸事故的调查方法中，相比于现场人员访问和实验模拟的研究方法，基于数值模拟的爆炸后果分析方法具有三个优点：一是相比现场人员访问安全系数高，二是相比于实验研究方法而言受实验条件限制少，三是易操作，成本低，可以设置边界条件，定量描述事故情况及发展过程。数值模拟凭借其模拟结果准确度高、运行成本低、高精度还原事故现场环境等优势逐渐获得更多研究人员的青睐，现在数值模拟基本弥补了实验研究的缺陷，与实验研究共同开展，相互验证，成为瓦斯爆炸过程研究的重要手段［3］。

本文在结合前人研究成果的基础上，深入分析瓦斯爆炸机理，以矩形巷道为例，利用FLACS软件对巷道内不同形状的障碍物对爆炸传播规律产生的不同激励效应进行数值模拟研究，根据数值模拟结果，提出相应的参考意见，完善煤矿瓦斯爆炸防护措施。

1 瓦斯爆炸传播过程基本规律

1.1 瓦斯爆炸传播基本过程

瓦斯爆炸是由于可燃气体预先混合后，有点火源出现并且在预混气体中快速向周围传播的一种剧烈的化学反应。通常认为，瓦斯爆炸的最终化学反应过程为：CH4+2O2→2CO2+2H2O［4］。预混气体一旦被点燃，会迅速形成一个以点火源为中心的小火球，并以压力波的形式一层一层向外传播，最终引燃所有气体。

在井下巷道中，由于处于相对密闭状态，瓦斯泄漏与空气混合并且被点燃后，预混气体在燃烧锋面剧烈反应后不断向外层传播，同时受到密闭空间的约束或扰动后逐渐加强，未燃区域受压缩压力不断升高，形成前驱冲击波，也称为压力波，这一过程称作爆燃。爆燃是一种带有压力波的燃烧，由前方的压力波(也称为前驱冲击波)和后方的火焰波阵面构成，前方的压力波以当地音速传播，后方的火焰则以亚音速传播［5］。因此整个燃爆区域形成经典的两波三区结构，如图1所示：

图1 燃爆的两波三区结构

其中：e—比热能;p—压力;ρ—密度;u—速度;T—温度;γ—等熵指数;0区—可燃气体的初始状态;1区—前驱冲击波通过后的状态;2区—火焰阵面通过后的状态。

1.2 瓦斯爆炸表征参数

在对瓦斯爆炸的数值模拟和实验中，通常通过以下两种参数来描述爆炸传播的过程和破坏能力。

(1)火焰速度与燃烧速度：火焰速度是指火焰沿管道相对静止坐标系的传播速度。由于燃烧速度难以测定，普遍选用火焰速度来表征火焰的运动情况。火焰速度一般在每秒几米到几百米之间;爆轰状态下，最高可达到1800～2000 m/s。

(2)爆炸压力峰值与爆炸压力上升速度：爆炸压力峰值表征可燃物质的爆炸危险性，受初始压力、温度、混合气体中可燃气体浓度以及容器形状、大小等因素的影响。爆炸压力上升速率为压力差与时间差的比值［6］。

本文运用FLACS软件对巷道瓦斯不同形状障碍物对爆炸传播过程的影响研究，主要描述爆炸过程的数据参数为：压力峰值、爆炸压力上升速率、火焰传播速度及火焰阵面拉伸模拟图。

2 障碍物形状的改变对巷道瓦斯爆炸传播影响的模拟研究

2.1 模型建立

根据巷道内实际情况，矿车和液压支柱可模拟为方形和圆柱型障碍物，所以前三组障碍物设置形状为：无障碍物(理想状态下)、方形障碍物、圆柱形障碍物。同时为了对比障碍物的外形流线结构对冲击波和火焰波的激励作用能否有效减小，设置一组球形障碍物。在三组障碍物中，将障碍物横截面积固定为4m2，并保证其他条件一致，尽量确保其他条件一致的情况下障碍物形状的变化对巷道瓦斯爆炸传播的影响。重点分析爆炸场内压力、温度及速度分布情况。为了使模拟结果更为明显，每组模型设置四个形状大小相同的障碍物，管道中呈直线分布。仿真模拟对80m*3m*3 m的管道充满浓度为9.5%的甲烷——空气预混气体，点火点设置在管道左端，忽略管壁厚度。模型1中不放置障碍物，以便于观察在无外界影响的情况下管道瓦斯爆炸传播规律。在模型2至模型4中设置对照组，分别放置三组不同形状但相同截面积的障碍物，每组设置四个障碍物且障碍物全部规定在管道相同位置以便于对模拟结果进行对比分析。模型2中的障碍物为直径为2.258m的球状物;模型3中的障碍物为底部直径1.33m、高3 m的圆柱体;模型4中的障碍物为2 m*2 m*2 m的正方体。具体物理模型如图2所示：

图2 物理模型

2.2 网格划分

为提高软件的计算速度，设置网格尺寸为0.25m*0.25m*0.25m，设置网格划分区域在(－1，－0.5，－0.5)至(81，3.5，3.5)，X 方向划分 328个;在Y方向和Z方向均划分16个，则模型网格总数为83968个。图3为网格划分结果。

图3 网格划分情况

2.3 参数设置

为便于观测爆炸传播过程，在管道中均匀布置8个观测点，如图4，障碍物布置在第2－4观测点之间，初始温度为20℃，初始压力为101kPa，甲烷体积分数设置0.095，其余气体默认为空气。

图4 不同形状障碍物条件下爆炸场内各观测点压力输出情况折线图

3 数值模拟结果分析

3.1 爆炸压力峰值及压力上升速率分析

通过对四组情况下爆炸传播压力变化情况的观察可知：障碍物影响爆炸压力峰值，管道内光滑无障碍物时，瓦斯爆炸压力峰值稳定在7.88P左右;当管道内布置障碍物时，瓦斯爆炸压力峰值相对略有降低，其中不同形状障碍物对爆炸压力峰值影响不同：P(正方形障碍物)＞P(球形障碍物)＞P(圆柱形障碍物)。

表1 不同形状障碍物条件下爆炸场内各观测点压力输出表

表2 不同形状障碍物条件下巷道瓦斯爆炸传播压力峰值及压力上升速率对比表

由表2可以看出：无障碍物情况下，爆炸场内压力上升速率较慢，为9.066 MPa/s;管道内布置有障碍物时，爆炸场内压力变化较为明显，当前驱压力波传播到障碍物前时，出现压力突增的情况，这是由于在冲击波传播过程中，当遇到障碍物时，空气质点原本的运动趋势受到阻碍而被迫从较高速度急速降低，空气因此受到极大压缩，在障碍物前壁形成高压区［7］。模拟结果表明：障碍物影响爆炸场内冲击波的传播，爆炸压力峰值相对略有减小，但爆炸场内压力上升速率大幅度增加。

3.2 火焰阵面的拉伸变形图分析

火焰阵面真实的拉伸变形图如图5所示，深色部分表示火焰温度高，浅色部分表示火焰温度低，同时通过软件得知：四种状态下火焰最高温度分别为：2863K、2735K、2793K、2764K。

图5 不同形状障碍物情况下巷道瓦斯爆炸传播火焰阵面图(X－Y方向)

结合图5深色火焰变形程度区域及四种条件下火焰最高温度可以看出，不同形状的障碍物对火焰阵面的拉伸程度也不同。无障碍物情况下，火焰阵面规律向前传播，对比模型2至模型4，发现相同阻塞比条件下，圆柱形障碍物对火焰阵面的拉伸最为严重;球形障碍物下火焰阵面被拉伸的程度次之;方体障碍物对火焰阵面的影响相对最小。

3.3 火焰传播速度数据分析

由图6可以观察出，无障碍物情况下，瓦斯爆炸传播规律较为明显：爆炸传播速度先逐渐增加，在爆炸场中部达到峰值，后渐渐减小;存在障碍物的情况下，爆炸场内速度变化相对复杂，模拟中将所有障碍物布置在观测点2至观测点4之间，根据不同观测点输出的火焰传播速度可以发现一定规律：火焰通过障碍物时，在障碍物前壁处出现火焰传播速度锐增的现象，经过障碍物群上方时传播速度迅速降低，经过障碍物后，火焰传播速度再次急剧增加［8］。对比模型2至模型4发现，同阻塞比条件下，正方形障碍物对火焰波传播速度的影响最小;当障碍物为球形时，爆炸火焰波传播经过障碍物时，速度锐减明显小于其他形状障碍物情况下的火焰传播速度，但是经过障碍物之后，火焰传播速度的上升速率是最大的;圆柱形障碍物下火焰传播规律与正方形障碍物相似，但是圆柱形障碍物下，火焰传播速度波动相对更大。

表3 不同形状障碍物条件下爆炸场内各观测点速度输出

图6 不同形状障碍物条件下爆炸场内各观测点速度输出情况折线图

图7 不同形状障碍物条件下巷道瓦斯爆炸传播速度云图(X－Y方向)

通过软件计算巷道瓦斯在四种不同形状障碍物的影响下传播的最高速度分别为：6m/s、19m/s、13m/s、11m/s。通过对图7云图中显示的各形状障碍物下爆炸场内的火焰波传播速度和软件给出的火焰最高速度相结合，可以看出：设置障碍物条件下，当发生爆炸情况时，火焰经过障碍物后，传播速度锐减，后出现逐渐升高趋势，而当障碍物形状为正方形时，这种变化最为明显。

4 结论

通过FLACS软件针对巷道内不同形状障碍物在瓦斯爆炸传播过程的数值模拟可以清楚地看出，无论哪一种形状的障碍物，存在于巷道中都会对瓦斯爆炸的传播产生激励效应。激励效应主要表现在以下三个方面：

(1)造成瓦斯爆炸压力峰值提升：从图中颜色分布可以看出，冲击波传播到障碍物前方，气体运动质点被迫急速停止，在障碍物前压缩形成高压区，另一方面冲击波绕过障碍物形成湍流，湍流增大冲击波传播速度，加速未燃气体压缩也增大了气体压力。对于不同形状障碍物对爆炸压力峰值的影响程度大小排序为：P(正方形障碍物)＞P(球形障碍物)＞P(圆柱形障碍物)。

(2)火焰阵面拉伸变形程度增大：从实验图中可以看出，有障碍物存在则会出现火焰阵面拉伸的情况，其原因是火焰在障碍物附近形成高梯度的粘性边界层，形成湍流，湍流拉伸扭曲了火焰阵面。三种障碍物对于火焰阵面拉伸变形的程度排序为：圆柱形障碍物＞球形障碍物＞方形障碍物。

(3)对火焰传播速度产生影响：存在障碍物影响了原有的火焰传播速度变化规律，从速度云图中可以看出，火焰通过障碍物时，在障碍物前壁处出现火焰传播速度锐增的现象，经过障碍物群上方时传播速度迅速降低，经过障碍物后，火焰传播速度再次急剧增加。这种变化体现在三种障碍物作用下的明显程度排序为：正方形障碍物＞球形障碍物＞圆柱形障碍物。

综上，正方形障碍物由于存在棱角，便于冲击波经过时形成湍流，所以在瓦斯爆炸传播过程中相对于其他形状障碍物形成的激励效应最为明显，球形障碍物的激励效应次之，圆柱形障碍物的激励效应最弱。

因此，在井下巷道中易发生瓦斯泄漏爆炸的工作区域尽量减少矿车等正方形障碍物的存放，可以防止其在爆炸传播过程中产生的激励效应，从而降低爆炸的严重程度。

［1］ 罗振敏，张群，王华，等.基于FLACS的受限空间瓦斯爆炸数值模拟［J］.煤炭学报，2013，38(8)：1381－1387.

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［5］ 郭丽萍.瓦斯爆炸及传播特性的数值模拟研究［D］.陕西西安：西安科技大学，2012.

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Study on the Impact of Different Types of Obstructions in the roadway to the Mine Gas Explosion Based on the The Numerical Simulation

SONG Xiao－ting，XU Jing－de，LI Hui
(School of Safety Engineering，North China Institute of Science ＆ Technology，Yanjiao，065201，China)

TD712.7

A

1672－7169(2017)03－0020－07

2017－04－27

中央高校基本科研业务费资助(3142017027)

宋晓婷(1991－)，女，福建南平人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向：可燃气体泄漏与爆炸。E－mail：songxt2014@163.com