调节风窗对瓦斯爆炸影响的数值分析*

李淑娟，贾真真，叶 青，程 于，谭帅玉

(湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

瓦斯爆炸是煤矿中的重大恶性事故之一，国内外许多学者对瓦斯爆炸特性及其规律进行理论分析、实验及数值模拟等研究。林柏泉、叶青对受限空间瓦斯爆炸传播规律方面进行研究，分析管内瓦斯爆炸传播过程中压力、温度及火焰传播规律及其加速机理[1]。影响瓦斯爆炸传播规律的因素较多，如初始温度、压力、障碍物等，文献[2-6]对障碍物的数量、形状、阻塞率等对瓦斯爆炸超压、火焰传播速度的影响开展实验研究。由于板型障碍物存在一定面积的缺口时，缺口可视为泄爆口，泄爆口能将瓦斯爆炸产生的大量冲击波排出巷道，保证爆炸结束时巷道能够正常通风[7]。文献[8-11]利用实验与数值模拟等方法研究泄爆口面积、位置、泄压口比率等因素对瓦斯爆炸压力与火焰速度的影响规律。

风门是通风系统中重要的组成部分，引导和控制矿井风流。目前对风门破坏的研究主要集中在瓦斯爆炸冲击波对风门的破坏失效[12-13]。张增亮，田思雨的研究表明风门在瓦斯爆炸传播过程中会产生激励作用[12,14]。作者团队前期数值模拟分析了瓦斯爆炸对风门的破坏作用，但没有考虑风窗的影响[15]。然而在实际情况中，为提高通风效率，通常风门都设置调节风窗[16]。因此，本文通过FLACS软件建立附有调节风窗的风门-巷道模型，并进行数值模拟。由于篇幅限制，本文仅模拟不同工况的调节风窗对瓦斯爆炸及其传播的影响。期望研究结果能为矿井风门调节风窗设置提供一定的参考和借鉴，并完善矿井瓦斯爆炸灾害防治理论。

1 数值模拟

1.1 物理模型

简化的模拟巷道，一端封闭、一端开口，设置坐标原点为模型起点，巷道封闭端指向开口端方向为正方向。本文模拟的巷道模型在x，y，z轴方向上的长度分别为50，2，2 m，总体积为200 m3。巷道内填充气体浓度为9.5%的甲烷-空气混合物，填充范围为巷道封闭端到风门之间的整个空间内，填充体积为80 m3。点火源设置的坐标为(2.7 m,1.1 m,1 m)，0 s时开始点火。

煤矿井下带有调节风窗的风门如图1所示。

图1 实际的风门Fig.1 Actual air door

为方便计算，进行整理简化，建立风门的物理模型，风门模型的长、宽均为2 m，厚度为0.1 m，2扇风门设置相同面积的正方形调节风窗，关于风门中线轴对称。结合实际情况，本文模拟的调节风窗采用6种工况，调节风窗边长l分别为：0(未设置调节风窗)，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 m。将调节风窗的中心点分别设置在3个位置，x，z方向的坐标为20 m，1.5 m不变，y方向的坐标分别为(0.4,1.6) m，(0.5,1.5) m，(0.6,1.4) m。当l=0.3 m时，风门模型示意图如图2所示。

图2 风门模型示意Fig.2 Schematic of air door model

1.2 网格划分

将整个巷道设置为模拟过程的计算区域，为确保计算精度，x轴方向在风门处的网格大小设置为0.1 m，风门两侧5 m为缓冲区，网格间距介于0.1～0.2 m之间，其余部分的网格大小为0.2 m，y，z方向的网格均匀分布，网格大小为0.1 m。在巷道轴线处，x轴方向的5.5，15.5，19.95，25.5，35.5，45.5，50.1 m处设置7个测点，即测点1～7，用于检测爆炸过程中巷道内的爆炸特征参数的变化情况，测点1，2，3位于风门前的巷道内，其中测点3位于风门前0.5个网格处，测点4，5，6，7位于风门后的巷道内，其中测点7位于巷道开口末端。

1.3 边界条件

本文运用FLACS 软件进行气体爆炸的数值模拟，设置所有边界条件为EULER边界；设定的初始条件：温度为20 ℃，压力为0.1 MPa，氧气浓度为20.95%，地面高度为0.01 m，地面粗糙度为0.03，大气稳定性等级为F，即大气环境稳定。

目前矿井通风系统大多采用通风机-风窗联合均压防灭火系统，但为模拟方便，本文不考虑通风机-风窗联合均压作用。选取的随时间变化的变量参数包括p(爆炸压力，MPa)，pmax(最大爆炸压力，MPa)，T(爆炸温度，K)，vvce(流场正反向速度，m/s)。

1.4 基本假设

为使模拟结果便于计算，根据问题的实际情况，对本文建立的模型做以下合理假设：

1)爆炸过程为绝热过程，忽略瓦斯爆炸传播过程中的耗散热。

2)巷道内填充的气体为不可压缩气体。

3)瓦斯爆炸过程为单步反应。

4)不考虑调节风窗对风门原有结构的破坏。

5)忽略风门各结构间连接处之间的缝隙。

2 数值模拟结果及分析

2.1 爆炸压力的变化

调节风窗中心位于位置2，边长分别为0.2，0.6 m的巷道内测点1～7爆炸压力曲线图如图3所示。从图3可以看出测点1，2，3的压力值变化规律相似，均存在多个压力峰值，压力值在波动中上升至最大值，随后波动下降至反应结束。测点4，5，6，7的压力值变化规律相似，即爆炸压力上升至最大之后又迅速下降。

图3 调节风窗中心位于位置2时瓦斯爆炸压力曲线图Fig.3 Curve of gas explosion pressure when the center of the ventilation-regulator window is at position 2

巷道内测点1～7的最大爆炸压力值折线图如图4所示。从图4可知未设置调节风窗的巷道内只有前3个测点存在压力值，最大值可达0.787 MPa。设置调节风窗的巷道内测点1～7均存在压力峰值，并且当l=0.2 m时，风门前测点的最大爆炸超压值为0.379 MPa，是未设置调节风窗巷道内最大爆炸超压值的50%。调节风窗边长从0 m增加到0.6 m，测点1～ 3的最大爆炸超压值从0.787 MPa降低到0.170 MPa，而测点4～7的最大爆炸超压值从0 MPa上升到0.34 MPa。

图4 各测点最大爆炸超压值折线图Fig.4 Line charts of maximum explosion overpressure at each monitoring point

从图4发现调节风窗面积越小，测点1，2，3的爆炸超压值越大，产生这种现象的原因是：风门前的火焰通过风门时，爆炸压力作用会反向传播，反射波与燃烧反应区相遇，在反射波和后驱冲击波的作用下，使预混气体在巷道封闭端与风门之间燃烧反应更加充分。同时从图4也发现测点4，5，6，7的最大爆炸超压值随调节风窗面积增大而增大，其原因是：受到爆炸源方向以及反应区高压的驱动，瓦斯气体向巷道末端传播，并且冲击波驱动混合气体通过调节风窗进入风门后的巷道内，以致调节风窗面积越大，被冲击波驱动通过风门的气体体积越大。

从图4中可以看出，调节风窗边长在0.2～0.5 m之间时，相同面积情况下，设置不同中心位置的调节风窗的巷道内最大爆炸超压值接近。因此，调节风窗的中心位置对巷道瓦斯爆炸超压值影响不大。然而当调节风窗边长为0.6 m时，风门的后4个测点的最大爆炸超压值受调节风窗位置变化的影响出现较大差异。

根据模拟的结果分析不同调节风窗面积对瓦斯爆炸压力的影响，得出瓦斯爆炸最大压力值随调节风窗边长变化的规律。在不同调节风窗面积下测点3(位于风门前0.5个网格)、测点7(位于巷道开口末端)的瓦斯爆炸最大压力值情况如图5所示。

由图5可知，随着调节风窗面积的增大，风门前瓦斯爆炸最大压力值降低幅度由大变小，曲线呈现下凹式，调节风窗边长从0 m增加到0.6 m，测点3瓦斯爆炸最大压力值减少4.4倍；测点7的瓦斯爆炸最大压力值上升幅度较为平缓，调节风窗边长从0 m增加到0.6 m，瓦斯爆炸最大压力值从0 MPa增加到了0.208 MPa。

图5 不同调节风窗边长下瓦斯爆炸最大压力值Fig.5 Maximum pressure values of gas explosion under different side lengths of ventilation-regulator window

瓦斯爆炸压力与风门调节风窗边长呈现指数函数关系，但风门前后的测点呈现的具体对应关系不同，第3个测点最大瓦斯爆炸压力值与调节风窗边长对应方程为：y=e0.522x2-2.535 45x-0.259，第7个测点最大瓦斯爆炸压力值与调节风窗边长对应方程为y=e-12.583 54x2+16.033 52x-6.637 08。

2.2 火焰速度的发展变化

图6为不同面积的调节风窗位于位置2时，巷道内的部分火焰进程图，从图中可知在0.4 s左右，火焰结构开始受到调节风窗面积的影响，调节风窗面积越大，火焰被拉伸的越明显。并且调节风窗面积较大的巷道内火焰传播速度最先加速，火焰穿过调节风窗后，风门后巷道内的燃烧随着调节风窗面积的增大更加剧烈。

图6 不同面积调节风窗位于位置2时巷道内火焰传播进程Fig.6 Flame propagation process in the roadway when the ventilation-regulator window with different areas at position 2

其原因是：风门前巷道内的混合气体受冲击波驱动通过风门，造成风门后巷道内的气体体积随调节风窗面积增大而增大。研究表明，在一定的范围内，气体体积越大火焰传播速度变大[17]。在风门后巷道内的混合气体因预热作用产生更大的激波和高热，极大地提高爆炸压力和火焰传播速度，导致风门后的火焰传播速度随调节风窗增大而增大。

由图6可知，这6种调节风窗面积的巷道内火焰穿过或到达风门的时间分别为：2.274，1.068，0.682，0.617，0.595，0.525 s。火焰传播速度是根据火焰前沿位置随时间变化而获得，其计算公式如式(1)所示:

(1)

式中：t为火焰到达风门所用的时间，s；r为点火点距火焰前沿位置的距离(从点火位置指向巷道末端为正方向，以巷道中线上火焰前沿位置为准)，m；v表示火焰传播速度，m/s。

调节风窗中心位于不同位置时，风门前巷道内火焰传播速度随调节风窗边长变化如图7所示。

图7 不同调节风窗面积下火焰传播速度Fig.7 Flame propagation velocities under different areas of ventilation-regulator window

由图7可知，随着调节风窗面积的增大，火焰传播速度升高幅度由大变小，曲线呈现上凸式。调节风窗边长从0 m增加到0.6 m，火焰传播速度增加了4.3倍。

火焰传播速度与调节风窗边长呈现指数函数关系。相同面积情况下设置不同位置的调节风窗的巷道内火焰传播速度接近，因此，将位置1、位置2、位置3的火焰传播速度与调节风窗边长关系共同拟合为一条曲线。得到火焰传播速度与调节风窗边长对应方程为：y=e-4.218 91x2+4.890 45x+2.190 84。

3 结论

1)相同位置情况下，风门前巷道内最大瓦斯爆炸压力值与调节风窗边长呈现指数递减关系，下降幅度逐渐减小。而风门后巷道内最大瓦斯爆炸压力值与调节风窗边长呈现指数递增关系，增加幅度逐渐减小。

2)相同位置情况下，风门前巷道内火焰传播速度与调节风窗边长呈现指数递增函数关系，增加幅度逐渐减小，最后基本接近稳定值。

3)相同面积情况下，调节风窗中心位置对巷道内各测点的最大爆炸超压值、火焰传播速度的影响不大，只有当l=0.6 m时，风门的后4个测点最大爆炸超压值受调节风窗位置变化的影响出现较大差异。