不同转弯角度巷道的瓦斯爆炸传播规律数值模拟

王海燕 余 波 耿 兰 崔小龙 陈美珍

中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院

煤矿安全生产事故中，瓦斯爆炸屡屡发生，造成巨大的财产损失和人身伤亡。因此，研究瓦斯爆炸在巷道内的传播规律对于瓦斯爆炸事故的预防具有一定的现实意义。目前已有学者[1-3]对瓦斯爆炸在巷道内的传播规律进行了研究，取得了丰硕的成果，但仍然处于初级阶段[4]。井下巷道系统错综复杂，经常出现截面积突变、转弯、分叉、巷道内存在障碍物等特殊结构。目前评价瓦斯爆炸发生的可能性及后果的指标主要有最小点火能量，最大爆炸压力，最高火焰温度，压力增长速度等[5-6]。基于此，笔者以不同角度转弯巷道为例，对瓦斯爆炸在0（平直巷道）、45、90、135转弯巷道内的传播规律进行了数值模拟，得到了火焰在这些巷道内的传播规律，研究结果对瓦斯爆炸事故的预防提供了理论依据。

1 巷道瓦斯爆炸传播基本假设及模型

1.1 基本假设

瓦斯爆炸经常发生在采煤工作面或者掘进工作面附近[7-14]。现用矩形管道模拟瓦斯爆炸巷道，本文为了简化计算量，忽略了巷道的厚度，将三维的巷道简化的二维的矩形管道，同时进行了一些合理的假设：

（1）在点火之前巷道内瓦斯气体和空气为均匀的混合理想气体，瓦斯含量为按照化学当量比计算出来的9.5%，点火前气体处于常温常压静止状态。

（2）假设瓦斯爆炸反应为单步不可逆过程，忽略反应过程的中间产物[15]。

（3）爆炸过程为绝热过程，巷道壁面设置为光滑无滑移绝热壁面，温度为300K。不考虑与外界及壁面的热交换。

（4）忽略壁面与气体流动的流固耦合作用，壁面按照刚性壁面来处理。

（5）燃烧气体混合物的比热容遵循混合规则。

1.2 数学模型

巷道内瓦斯爆炸可以看成甲烷－空气混合气体在弱火源的诱导下而发生的气体爆炸。整个过程满足质量守恒方程，能量守恒方程和化学组分平衡方程，同时需要考虑气体状态方程及湍流方程。所以采用如下式子作为控制方程。

质量守恒方程：

2 数值模拟

2.1 物理模型

图1 转弯巷道物理模型

图1分别是0（平直巷道）、45、90、135向转弯巷道的物理模型，其中圆形代表瓦斯引爆点，未封闭部分是巷道出口，直巷道长1m，转弯部分巷道长0.5m。

2.2 初始化条件及网格划分

当甲烷浓度为9.5%时，各物质的质量分数计算结果如下。

本模拟巷道充满瓦斯，初始时刻

圆形点火区域的点火温度设置为1400K。

利用fluent前处理器gambit划分网格，为了提高计算效率又不失模拟结果的准确性，划分0.01m的结构化网格。

3 数值模拟结果及分析

图2-图5为每隔相同时间火焰在不同转弯角度巷道内传播发展的趋势图。

从图2-图5可以看出，当巷道充满瓦斯时，无论是直巷道还是转弯巷道，火焰在初始阶段的整体发展过程是类似的。火焰燃烧初始阶段，整体上火焰是加速向巷道后方传播的，但由于巷道固体壁面的湍流加速作用使得靠近固壁的火焰传播速度相比巷道中部的传播速度较快，形成凹字形的火焰形状。之后火焰沿巷道壁面传播速度降低，而火焰中部传播速度增大，慢慢形成一个平面火焰，这主要是受到气体反向流动的影响。最后，形成凸字型火焰向管道末端传播。对于转弯巷道，受转弯部分外侧壁面的反射作用，火焰在传播过程中可能出现传播速度下降更甚至发生反向传播的现象。经过转弯部分时，火焰不是先充满整个转角，而是先沿内侧转角迅速向巷道出口方向传播，传播速度明显高于开始时的速度，这主要是由于转弯增大了燃烧的湍流度引起的[16]。经过一段时间后火焰到达巷段末端并充满整个巷道直至爆炸结束。通过对不同角度巷道瓦斯爆炸火焰发展趋势的对比得知，随着拐弯角度增大，火焰在转弯部分内侧火焰传播速度随之增大，燃烧火焰充满整个巷道的时间随之变短。

4 结论

（1）当巷道充满瓦斯时，无论是直巷道还是转弯巷道，火焰在初始阶段的整体发展过程是类似的。表现为初始阶段火焰是加速向管道后方传播的，但由于巷道固体壁面的湍流加速作用使得靠近固壁的火焰传播速度相比管道中部的传播速度较快，形成凹字形的火焰形状。之后火焰沿巷道壁面传播速度降低，而火焰中部传播速度增大，慢慢形成一个平面火焰，这主要是受到气体反向流动的影响。最后，形成凸字型火焰向巷道末端加速传播。

（2）火焰经过转弯部分时，不会先充满转弯部分巷道，而是先绕着转弯内侧迅速向巷道出口方向传播，经过一段时间后才会充满转弯部分。随着转弯角度的增大，火焰在转弯部分传播的速度随之增大。

（3）煤矿井下为防止瓦斯爆炸事故造成严重的破坏效应，在巷道设计时应尽量减少转弯的情况。在必须转弯的情况下，应在转弯部分设置事故应急设备。

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