瓦斯爆炸衰减规律和破坏效应

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　　摘　要:瓦斯爆炸的传播和衰减规律的研究是基于燃烧学、爆炸力学和应用数学等学科从爆炸所在环境出发的应用研究。瓦斯爆炸对构筑物的破坏效应是通过对冲击波阵面上超压、冲击波的作用时间及构筑物所处的位置、构筑物的形状等因素的研究进行的，而瓦斯爆炸的破坏机理和对通风系统破坏效应方面的研究不但可以加深理论而且还可以应用于实践。矿井瓦斯爆炸传播规律、衰减规律和破坏效应的研究成果，对事故防治和调查可以提供重要的技术支撑。

　　关键词:瓦斯爆炸；衰减规律；破坏效应；掘进巷道；冲击波

　　1　引　言

　　我国煤矿瓦斯大，瓦斯涌出强度高，危险性较大。大中型煤矿中，高瓦斯矿井占20.34%；小型煤矿中，高瓦斯矿井占15%左右。随着开采深度的增加，机械化程度的提高，开采强度的增大，瓦斯涌出量就会进一步增大；那么，瓦斯灾害的治理越来越成为煤矿灾害防治的重点。因此，在煤矿安全事故中，瓦斯爆炸事故一直是煤矿最严重的灾害之一。2004年10月20日22:10，郑煤集团大平煤矿突然发生岩巷特大瓦斯事故，148人遇难；2004年11月28日上午07:10左右，陕西省铜川矿务局陈家山煤矿发生一起瓦斯爆炸事故，166人遇难；2005年2月1415:03，辽宁省阜新市孙家湾煤矿发生一起特大瓦斯事故，死亡人数214人。

　　从以上几起近期发生的影响较大的瓦斯爆炸事故来看，造成大量的人员伤亡和重大财产损失的原因在于管理漏洞，对发生瓦斯爆炸后通风系统破坏程度不能及时了解，决策不够及时；反过来，当决策人员对破坏程度的不同有了了解就有助于救灾决策，确定要保护的关键的通风构筑物，调节通风系统，使爆炸后产生的有害烟流及时排出，保持通风系统的稳定、保护井下人员的安全，从而将重大事故灾害造成的破坏减少到最低程度。无论对于决策人员还是对于研究人员而言，发生瓦斯爆炸过程中以及瓦斯爆炸后表征爆炸的压力场、温度场和浓度变化规律和衰减规律的参数的获得都较难。

　　因此，在掘进工作面瓦斯的聚积位置、浓度、体积确定的条件下，研究瓦斯爆炸后超压、温度和瓦斯浓度的变化、衰减规律，瓦斯爆炸对通风设施的破坏效应及对通风系统的破坏作用和影响范围，以及由此而导致的有毒气体的蔓延规律和产生的风流紊乱定量分析，对于减少瓦斯爆炸灾害对人员的伤亡、建立健全有效可行的瓦斯爆炸灾害预防处理计划和救灾决策具有十分重要的意义。

　　2　瓦斯爆炸机理

　　瓦斯爆炸事故是经济损失最大、人员伤亡最多的事故，也是造成社会影响最大的重特大事故。有效防止瓦斯爆炸事故是改善我国煤矿安全状况的重中之重〔1〕。要想了解瓦斯爆炸冲击波在巷道中的衰减规律和对井下构筑物或障碍物的破坏作用，就必须首先了解瓦斯爆炸的传播机理。

　　2.1　掘进巷道瓦斯爆炸的基本模型

　　(1)物理模型建立的条件。①本文讨论的瓦斯爆炸发生在一端封闭、一端开口的平直掘进巷道中，初始状态为常温、常压，声速为当地声速。以点源来点燃爆炸，点燃位置位于巷道的封闭端；②为研究方便，假设壁面光滑且刚性。爆炸冲击波一般是在扰动区内在与壁面的相互作用后形成稳定激波的；③由于瓦斯爆炸过程中产生的爆炸冲击波的高速度，爆后形成的混合气体高温、高压，因此，冲击波在这种介质中传播和衰减时可忽略质量力、粘性和热传导，但不是以忽略压缩性。

　　(2)物理模型的建立。以直的掘进巷道为研究对象，发生瓦斯爆炸时其作用相当于一维管道〔2〕。

　　2.2　传播途径

　　矿井瓦斯爆炸的传播过程属于可燃性预混气体在管道类空间中爆炸的传播过程。由于传播过程中的气体流场的复杂性和冲击波的存在，研究这一领域的问题历来困难重重。对煤矿瓦斯爆炸现象的研究，Riemann首先从理论上推导出可压缩流体高速度运动可以产生激波，激波是一个压力、密度、温度发生突变的间断面。20世纪初， Chapman和Jouguest建立了爆轰波传播的C—J理论〔3〕，即将爆轰波简化为包含瞬间完成化学反应的间断面，从而将复杂的反应流体力学问题转化纯流体力学问题。

　　但C—J理论是建立在一定假设的基础上的，其中两个重要假设是激波波阵面为平面，波阵面后气体服从理想气体状态方程，这限制了它在气体爆炸传播过程中的应用。20世纪40年代提出的著名的ZND模型〔3〕认为，爆轰波是由无化学反应的激波和跟随其后的一个反应区组成，未反应的预混气体首先经过激波预压缩到较高的温度和密度再经过燃烧反应区达到爆轰波的终态。ZND模型奠定了爆轰反应流体力学基础，指出燃烧反应区的传播不稳定性，强烈依赖于反应区的温度。

　　瓦斯爆炸必须3个要素:瓦斯浓度、O2浓度和点火源。瓦斯爆炸是基于链式反应的机理，单位时间内能量释放速度极快；在传播阶段，其混合气体在爆炸冲击波的高压压缩下，存在强烈的热动力学现象，即快速产热效应。在瓦斯爆炸的传播过程中，从大量的爆炸试验和理论上都可以证明:在大气压力和氧气浓度正常的情况下，瓦斯爆炸不仅取决于瓦斯浓度和瓦斯体积等因素，还受到爆炸地点环境气候参数、爆炸空间的几何形状和参量等多个约束的影响。在瓦斯爆炸过程中存在着复杂的气体流场，存在着激波；同时存在着剧烈的燃烧现象和空气动力突跃现象。因此，瓦斯与空气的混合气体爆炸传播实际上是冲击波与燃烧过程的耦合。

　　2.3　传播机理〔4〕

　　爆炸是大量能量在有限体积和极短时间内快速释放或急骤转化的现象，常分为物理爆炸和化学爆炸。瓦斯爆炸属于化学爆炸，化学爆炸的一个重要特性是爆炸火焰的存在。气体爆炸和燃烧的区别是:如果火焰的传播不依赖气体流动速度，即在火源已经停止作用的情况下火焰仍可能传播，则这种过程就是燃烧。瓦斯爆炸是指火焰从火源占据的空间不断地传播到爆炸混合气体所在的整个空间的过程。矿井瓦斯爆炸属于以甲烷为主的可燃性气体和空气组成的爆炸性混合性气体在火源引发下发生的一种迅猛氧化反应过程。

　　煤矿瓦斯是一种可燃性爆炸气体，虽然瓦斯燃烧和瓦斯爆炸生成的最终产物是相同的，而且瓦斯燃烧和爆炸的点火都是基于链式反应机理，但是爆炸过程的燃烧速度远高于瓦斯的一般燃烧，即其单位时间内能量释放速度也远大于常态下的瓦斯燃烧过程，深入研究表明，瓦斯爆炸在点火阶段结束以后，其在传播阶段的燃烧本质上是瓦斯—空气混合气体在爆炸冲击波高压压缩下的燃烧过程。与其他物质爆炸的物理和化学机制一样，瓦斯爆炸过程中的快速产热效应是其传播过程中强烈动力现象存在的物质基础〔5〕。

　　2.4　影响范围

　　2000年9月发生在贵州水城矿务局木冲沟煤矿特大瓦斯煤尘爆炸事故，死亡160多人，所产生的冲击波影响范围达9 300 m ，直接经济损失1 200多万元。现场调研和后来实验表明，障碍物对爆炸波和火焰的这种加速作用〔6〕，主要是由于在障碍物附近形成高浓度的黏性边界层，从而导致湍流，湍流使爆炸波和火焰加速，加速的爆炸波和火焰又增强湍流〔7〕，这种正反馈作用使爆炸波和火焰不断加速。在此过程中，由于火焰在障碍物附近形成高浓度的黏性边界层作用大于爆炸波在障碍物附近形成高浓度的黏性边界层，所以，障碍物对火焰的加速作用大于爆炸波的加速作用。而爆炸波和火焰传播速度的增大，则会扩大爆炸事故的影响范围。从这个意义上来说，为了防止瓦斯爆炸，缩小波及范围，也应尽量避免煤矿井下不必要的障碍物的存在。另外，可燃气体的爆炸与炸药爆炸最根本的区别就是爆源特征。炸药爆炸可以看作是理想的点源爆炸，能量的释放是瞬时的，且爆源的尺寸与爆炸的影响范围相比表征为一个点。瓦斯爆炸则不同，爆炸性混合气体的特征尺寸〔8〕与火焰锋面可以达到的最远距离相比是不能忽略的，有时甚至为同一数量级。

　　这一领域中的研究并不多见，瓦斯爆炸的影响范围最终会有多大，产生的地震效应到底有多广泛等问题值得研究。

　　3　瓦斯爆炸的破坏效应

　　瓦斯爆炸的破坏和伤害体现在爆炸的传播过程中。实验研究和现场勘察表明，瓦斯爆炸产生的致命危险因素有:火焰锋面的高温灼烧、爆炸冲击波的超压破坏及作用时间和井巷内有毒有害气体成分的变化。

　　爆炸过程，特别是高能量爆炸中产生的强大冲击波在击碎地质介质〔9-10〕的同时，也往往危及到爆炸源附近一定范围内地下工程的稳定与安全。某直墙拱形地下巷道(锚支)在一次较大当量的爆炸事件中发生了大范围的坍塌，破坏总长度超过100 m，巷道完全报废。根据文献资料，火焰速度<100 m/s时所产生冲击波可近似处理成声波，引起的结构破坏较小；一旦火焰加速达到200 m/s时则会引起严重的湍流效应，这种高速火焰的压力波引起的爆炸波的破坏效应与爆轰波产生的破坏效应相当，产生构破坏程度很大。究其原因，则是由于在瓦斯爆炸过程中，瓦斯被点燃后，燃烧产物膨胀，火焰阵面前形成冲击波，并压缩未反应的混合物，这种冲击波阵面到火焰阵面之间面积收敛，形成了较大的附加压缩，其最终的流场性质从冲击波到火焰是逐渐增加的。火焰传播速度越大，冲击波阵面到火焰阵面之间面积收敛越急剧，超压值就越大，引起的破坏效应越大；同时，瓦斯爆炸的破坏效应体现在传播阶段。因此，掌握瓦斯爆炸传播阶段的力学变化特征及物理机制，对于制定瓦斯阻隔爆措施、查清事故原因，具有理论和实践意义。瓦斯爆炸的点火阶段是外界火源诱发的链式反应过程，其反应速度以指数函数形式递增，燃烧迅速从火源附近扩张到整个巷断面，形成爆炸波的初始条件。实验和理论分析均表明〔11-13〕，点火阶段在瓦

　　斯爆炸过程中所占时间极短，瓦斯爆炸事故的时间主要体现在传播阶段。从传播空间上，瓦斯爆炸的传播可分为含瓦斯气体和一般空气2个区域中传播。在含瓦斯气体区域，瓦斯爆炸传播的物理机制是:点火阶段形成的高温、高压气体迅速向远离火源方向冲击，高温高压气体与前方气体之间在压力、温度、速度等物理参数上存在突变，即数学间断，表现出明显的波动效应，两种气体的接触面为前驱冲击波的波阵面。紧随前驱冲击波后面的是火焰波阵面，火焰波阵面实际上是在已受扰动的气体中传播，而火焰波后面的气体则与火焰区有显著差异。因此，这一阶段的爆炸冲击波结构是前驱冲击波波阵面和火焰波阵面的双波三区结构，由于火焰波不断补充能量，前驱冲击波的压力、波速是处于递增状态。在这一阶段，火焰传播速度(Vf)、前驱冲击波的最大压力(pq)是表征瓦斯爆炸伤害与破坏效应的重要参数。由于前驱冲击波的压缩效应，波后气体与波前气体存在密度差，根据波动理论，在前驱冲击波传播的同时，存在气体的膨胀波以当地声速沿其反方向传播。在一般空气区域，瓦斯气体燃烧完，火焰波消失，爆炸波演变为一般空气冲击波，传播阶段，由于摩擦、巷道壁面的吸热，冲击波的压力、温度、速度参数沿传播方向呈衰减状态，最终恢复至正常大气参数。在这一阶段，气体冲击波的冲量(Is)、波阵面的超压(Δp)是决定其伤害与破坏的关键因素。

　　煤矿瓦斯爆炸的属性一般为爆燃过程。但在一定条件下(瓦斯浓度分布条件、引爆方式和强度、瓦斯爆炸空间几何特性〔8〕等) ，有可能发展为爆轰过程。煤矿巷道发生爆燃，其主要破坏特征是热破坏效应，机械破坏作用较为有限，但一旦发生瓦斯爆轰，出现激波，其形成的爆压、爆温、爆速对矿井的破坏效应比爆燃要大得多，惨重得多。火焰与超压之间的相互关系是:冲击波阵面的强度与火焰的传播速度有关，火焰速度<100 m/s时，超压较小。由于超压是反映冲击波阵面强度的重要指标，因此，当火焰速度<100 m/s时，反映出冲击波阵面强度较弱；一旦火焰速度超过200 m/s ，超压明显增大，冲击波阵面的强度提高。在瓦斯爆炸过程中，瓦斯被点燃后，燃烧产物膨胀，火焰阵面前形成冲击波，并压缩未反应的混合物，冲击波阵面到火焰阵面之间面积收敛，形成了较大的附加压缩，其最终的流场性质从冲击波到火焰是逐渐增加的。火焰传播速度越快，冲击波阵面到火焰阵面之间面积收敛越急剧，超压值就越大，引起的破坏效应就可能越大。对于煤矿井下来说，则会导致经济损失以及人员伤亡的增大。

　　瓦斯爆炸冲击波对通风设施的破坏，与冲击波强弱和目标有关。描述空气冲击波破坏效应的主要参数有3个:峰值超压、正压作用时间和冲量。冲击波峰值超压表示冲击波瞬间作用的量，而冲量则表达出在温度可达2 300℃时，冲击波的峰值压力会达到约30×101 325 Pa，而爆炸产物中CO的浓度会达9%，在极短时间内就会导致人死亡。有时冲击波的破坏范围会达数千米，会危及地面安全。正压区时间范围内超压的持续作用量，二者对目标都起破坏作用，哪一个起主要作用，要看目标对冲击波破坏载荷接受的情况。冲击波破坏作用的准则有3个:超压准则、冲量准则、超压—冲量准则。实验研究表明，当正压区作用时间大于10倍的物体自振动周期时，物体的破坏可以靠冲击波峰值超计算。按超压准则，只要冲击波超压达到一定值时，便会对目标造成一定的破坏。当超压达到0.08~0.1 MPa时，能使砖墙倒塌，达0.1~0.21 MPa时能使防震钢筋混凝土破坏。冲击波对建筑物破坏作用的研究已有成熟的结果，国家也有关于建筑物防冲击波破坏的安全距离的设计规定，但对于煤矿井下通风构筑物的抗冲击波强度值，目前还要进行理论研究或实验数据的获取。

　　4　分析讨论

　　4.1　存在问题

　　通过对上述分析研究，瓦斯爆炸的衰减规律和破坏效应方面的研究存在的问题如下:

　　(1)当瓦斯涌出的浓度、体积、聚积位置确定的条件下发生瓦斯爆炸时，以往的文献对由此产生的爆炸冲击波沿巷道的传播过程中冲击波是如何衰减的，压力场、温度场、浓度场在时间、空间上的衰减规律未做出有效的研究。

　　(2)井下掘进巷道内不同形状的通风构筑物材料组成、自振周期等因素各不相同，当瓦斯爆炸冲击波对构筑物产生破坏作用时，其破坏机理如何?在相互作用当中，冲击波的超压峰值、正压作用时间、比冲量等主要参数，以及空气冲击波波阵面上的空气密度、绝对温度、声速、空气质点速度、波阵面的传播速度等参数的变化及它们的关系对破坏效应的影响如何等问题都需进一步研究。

　　4.2　分析研究对上述问题主要运用数学、热力学、气体动力学、爆炸动力学等理论〔3，14〕进行分析，并与实验相结合进行研究。

　　(1)由于瓦斯爆炸过程当中产生高温和高压，爆炸的瞬间未爆炸的瓦斯空气预混气体和爆炸后的爆轰产物均可视为理想气体。应用气体状态方程:p1V1T1=p2V2T2，在确定初始条件(p1， V1，T1)和边界条件的情况下，通过理论分析、数值模拟和实验研究求得p2、V2、T2，即爆炸后的超压等特征参数；通过对爆炸后产生的膨胀气体进行研究，利用质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、内能方程和辅方程求出爆炸后的超压、冲量、爆速、正压作用时间、气体温度等动力学参数并进行比较和验证。

　　(2)应用气体动力学和爆炸动力学理论，研究爆炸波特征参数在掘进巷道中的衰减规律；以及在距爆源一定距离，超压、温度、瓦斯浓度等参数的衰减变化规律。

　　(3)在距爆源一定距离且条件不同的情形下，哪些参量起主导作用，其破坏程度如何?由上述理论分析和实验研究所获得的超压、温度等参数，研究爆炸冲击波对形状、大小、材料、位置、自振周期等性质不同的通风构筑物的破坏。通过理论研究和实验结果的分析，求得瓦斯爆炸对通风系统的破坏效应，并与事故现场取得的数据对比，进行印证。在此基础上研究对通风系统以及整个矿井的影响，为救灾决策提供依据。

　　5　结　论

　　根据已有研究和试验结果研究掘进巷道瓦斯爆炸冲击波传播规律和衰减规律，拟合出有障碍物(通风构筑物)、半封闭条件下距爆源不同距离的超压、温度、浓度等瓦斯爆炸特征参数之间的关系式，并根据前人对转弯、分岔巷道中障碍物对冲击波传播影响的实验研究结果，拟合出公式和验证。通过对冲击波阵面上超压△p的大小、冲击波的作用时间及作用压力随时间变化的性质、构筑物所处的位置(即建筑物与冲击波阵面的相对关系)、构筑物的形状和大小、构筑物的自振周期、其他参数等因素的研究，确定对构筑物的破坏机理和对通风系统破坏效应。瓦斯爆炸是一种强烈的气体燃烧动力现象，其中涉及到爆轰物理、化学反应动力学、燃烧学及流体力学等多方面的知识，由于这一现象的复杂性，因此，当前仍有许多领域还处于研究探讨之中。本文针对煤矿井下巷道环境中瓦斯爆炸的一些特征进行了探讨，希望对瓦斯爆炸事故的防治有所裨益。

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