煤矿掘进巷道内瓦斯爆炸冲击波的超压预测探究

董学林

中煤华晋集团韩咀煤业有限公司 山西临汾 042199

煤矿掘进作业过程中，巷道内部有可能会出现瓦斯爆炸现象，继而产生爆炸冲击波，这种瓦斯爆炸冲击波具有衰减规律，煤矿现场观众人员需要着重研究瓦斯爆炸相关内容，明确瓦斯爆炸存在的破坏效应，总结爆炸在现场的影响，有利于防控冲击波对煤矿掘进巷道作业现场带来的破坏。

1 煤矿掘进巷道内瓦斯爆炸冲击波的研究

煤矿掘进巷道中产生的瓦斯爆炸现象，可以视为甲烷、空气混合物发生反应之后产生的爆炸。针对巷道内部冲击波传播存在的衰减规律，可以从理论与实验两个层面展开探讨。首先，理论层面建议创建气体动力学模型、爆炸相似律模型、流体力学数值模拟模型。按照爆炸气体动力学理论，针对强冲击波进行假设可以总结突出冲击波超压传播衰减规律，弱冲击波假设则可以总结得出冲击波衰减规律[1]。其次，实验方面，建议针对瓦斯爆炸超压展开实验，通过拟合得出超压衰减规律。或者爆炸管道中可以增设理性障碍物，通过实验了解设备、设施在爆炸传播方面可能带来的影响。基于爆炸相似律可以在独头巷道中组织瓦斯爆炸超压实验，期间可以创建预测模型，总结超压、冲击波传播距离两者的联系。另外，结合爆炸相似律，可以在坑道内设置炸药，研究炸药爆炸波之后传播的规律进，也可以研究点火能量与瓦斯爆炸压力支架的关系，或者利用数值模拟的方式，了解瓦斯积聚范围、独头巷道瓦斯爆炸冲击波破坏特点、传播规律的联系，为超压预测瓦斯爆炸冲击波提供参考[2]。

2 煤矿掘进巷道内瓦斯爆炸冲击波的形成原因

煤矿掘进巷道中的瓦斯爆炸现象，与现场高温、高压气体有直接关系，会在巷道内的受限空间形成空气，从而产生压缩波。所有压缩波以爆点为对象，分别在巷道两侧传播,经过叠加之后便会形成冲击波。冲击波与之前形成的未扰动空气相比，期间形成突变锋面，具有压强陡，密度、质点速度、温度变化高的的特点,该锋面也被称之为冲击波阵面。波阵面之后大于未扰动大气压P0，超过的压强即超压ΔP[3]。在阵面中的最大超压是超压峰值，用ΔPs表示。一旦产生冲击波，会破坏巷道中的物体，这与冲击波超压、冲击波作用时间两个因素有直接关系。瓦斯爆炸超压可以作为瓦斯爆炸破坏效应、影响范围、抗灾减灾的判断依据，明确巷道远端影响范围内所有冲击波呈现的超压峰值，即ΔPs预测以及剖析,工作人员根据分析结果选择科学有效的防护举措，避免出现降低空气冲击波超压值的现象。

3 煤矿掘进巷道内部瓦斯爆炸冲击波超压预测分析

3.1 冲击波超压计算

在空气冲击波的波阵面形成的超压，是以相似定律为基础，一旦炸药发生爆炸，当时的空气冲击波会呈现出衰减性，换言之，空气冲击波的波阵面压力与药包绝对尺寸、重量没有直接关系，很大程度上是由爆炸地点间距、药包半径比值、炸药爆炸比能、附近空气压力这四点因素导致[4]。另外，按照量纲理论，计算无限空气内部的炸药爆炸冲击波超压的公式如下：

公式（1）中的△P代表爆炸超压，E代表爆炸物能量，而R则代表待测点和爆炸中心之间距离。

3.2 瓦斯爆炸超压预测

煤矿掘进巷道中形成的冲击波，传播与无限空气冲击波存在差异。无限空气内部形成的冲击波扩展形状为球形，方向为向外扩展，与传播距离有直接关系，一旦传播距离增加，波阵面面积也会逐渐扩大，单位面积中呈现出来的分布能量逐渐减小。煤矿掘金巷道中混合气体发生爆炸之后，温度骤然升高，爆炸产物快速膨胀，期间还会形成压缩波，随后压缩波快速与前面产生的压缩波叠加，形成高速冲击波。因为巷道边界与马赫杆作用的影响，会将冲击波在传播过程中转变为平面冲击波。巷道中冲击波发生衰减，主要是由劲性消耗、空气动能与热能提升有关。按照量纲理论计算巷道中的炸药爆炸冲击波超压，公式如下：

公式（2）中的S代表巷道截面积。另外，计算瓦斯量向炸药能量转换的公式为：

公式（3）中的η代表TNT转化率，ξ代表的是爆炸系数，、表示TNT与瓦斯发热量，是瓦斯密度，是瓦斯浓度，V则表示瓦斯-空气混合物的体积。针对一定量混合物，可以用公式表示，如果≤0.095，k代表常数，因此巷道中的瓦斯爆炸冲击波超压计算公式为：

公式（5）中系数a1、a2、a3数值采用最小二乘法拟合即可获得。

如果一定体积Vref瓦斯-空气混合物已知，在c1，c2，…，cm浓度下，R1，R2，…，Rn距离条件下超压计算公式为Δpij(i=1,2,...,m:j=1,2,...,n)，计算可知选择a1、a2、a3可以将公式：

公式（6）数值达到最小。

按照多元函数取极值提出必要条件，a1、a2、a3是公式：

公式（7）的最小二乘解。将公式⑦简化为方程组Ra=△p，再通过MATLAB完成求解，得出最终解是：

为了保证煤矿掘进巷道内瓦斯爆炸冲击波超压预测实验效果，可以专门组织瓦斯爆炸实验，设置实验条件如下：独头巷道数量为1，断面积7.5m2，主巷长都700m，形状为半圆拱形，在该条件下分别对瓦斯-空气混合气体积、瓦斯浓度进行测试，测试条件分别是（100m3，8.5%）、（100m3，9.0%）、（100m，8.6%），最后对得出的瓦斯爆炸超压数据记录。假设Vref数值为100m3，按照实验所得数据进行拟合，得出结果如下：

实验过程中需要将瓦斯体积与爆炸的关系考虑其中，要求在计算中加入体积修正因子，便可以得出各个瓦斯-空气混合物体积条件下，所呈现出来的超压衰减规律。计算公式如下：

3.3 超压规律验证

验证总结得出超压规律，可以采用实验数据对比的方法。根据瓦斯爆炸实验条件组织瓦斯-空气混合气体积的测试，得出测试结果是50m3、100m3、200m3，瓦斯浓度是9.5%。针对100m3、200m3条件下的混合气体实验数值、预测值进行对比，不难发现预测值可以了解到不同条件下瓦斯爆炸所蕴含的超压衰减规律。在100m3条件下，实验值变化并不是非常明显，但是预测值会骤然提高之后维持平稳，且两种数值相似；200m3条件下实验值降低，但是预测值提高，两者数值最终接近相似。

4 超压预测结论与建议

4.1 瓦斯爆炸冲击波超压预测结论

第一，以爆炸相似律为基础，煤矿掘进巷道中发生瓦斯爆炸，形成的冲击波超压衰减规律中，发现相应体积下的瓦斯-空气混合物爆炸，可以创建预测模型，分析冲击波超压、瓦斯浓度、传播距离的关系；第二，利用体积修正因创建冲击波超压、瓦斯-空气混合物体积关系的预测模型；第三，实验数据对比与模型观察发现，因为初期平面冲击波并没有完全形成，所以预测、实验数据之间的偏差比较明显，但是在传播一段距离之后，预测和实验数据便接近温和。如果航道内部形成了平面冲击波，则证明爆炸相似律成立和可行，即预测模型这一方法实施超压预测合理。

4.2 超压预测建议

为了避免产生瓦斯爆炸问题，建议工作人员做好瓦斯积聚和超限预防的工作。第一，要求瓦斯局部积聚体积小于0.5m3，浓度大于2%；第二，所有矿井务必加强采掘与生产的管理力度，以免发生瓦斯聚集现象；第三，加强现场通风系统的可靠性，保证瓦斯抽采工作符合标准。其中通风系统作为瓦斯治理不可缺少的一部分，在现场创建安全、稳定性高的通风系统非常必要。尤其是矿井内部通风系统，可以保证采掘工作面实时获得风流，避免瓦斯积聚或者超限的问题；第四，优化现场通风方法，加强采煤机设备检查，避免岩石掉落导致采空区内瓦斯燃烧[5]。

5 结语

综上所述，煤矿在掘进过程中，巷道内部可能会产生瓦斯爆炸现象，进而形成冲击波，为了避免冲击波带来严重的影响，需要实施超压预测。工作人员要先展开实验分析，明确超压预测的条件与冲击波形成规律，采用科学有效的方法降低冲击波带来的影响，保证煤矿掘进施工质量与效率，切实提升巷道内部作业的安全性，采用可行的举措避免瓦斯爆炸问题，以免威胁到所有工作人员的人身安全。