瓦斯爆炸的研究进展及展望

魏 嘉， 闻利群

（中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051）

引 言

瓦斯煤尘爆炸事故是我国煤矿事故中最严重的一种事故。在重特大事故中，瓦斯煤尘爆炸事故致人死亡的人数常年占据首位。瓦斯爆炸产生的瞬间温度可达1 850℃～2 650℃，压力可达出压的9倍之多，爆源附近气体以每秒几百米以上的速度向外冲击，致使人员伤亡、巷道和器材设施损坏。爆炸后的扬起物中生成大量CO2和CO，有窒息和中毒的危险。煤矿井下瓦斯爆炸事故的频繁发生，促使人们必须深入地研究瓦斯爆炸的传播规律，以便针对井下的具体条件来预防瓦斯爆炸事故，制造出安全稳定的阻隔爆设施，减轻爆炸事故造成的危害。

1 实验研究

1910 年，美国矿务局建立了专门的巷道式实验矿井，开始了对矿井瓦斯爆炸事故的实验研究，对爆炸过程中火焰传播速度、爆炸超压的变化趋势、障碍物对爆炸波的影响等进行了分析。从实验研究的启蒙到今日，全世界各主要产煤国家，如法国、英国、日本、德国、波兰都陆续建立了自己的大型瓦斯爆炸实验巷道［1］。我国在这方面的研究起步较晚，但也相继在煤科总院重庆分院、北京理工大学、中国矿业大学、南京理工大学等建立了井下巷道或实验巷道的气体爆炸实验系统。煤科总院重庆分院的第1条瓦斯煤尘爆炸实验巷道建立于1982年，巷道全长896m，横截面积为7.2m2。司荣军［2］、徐景德等都利用该实验巷道做了关于瓦斯爆炸的实验，他们分别选用不同的瓦斯与空气混合体积，针对爆炸压力峰值、压力增长速率、最高压力峰值与爆源点的距离、火焰温度等数据进行了研究。测量火焰传播速度的方法有2种，一种是利用相邻光电传感器的距离与时间差的比值进行计算，这个方法误差率大。另一种是利用高速摄像机对火焰的传播过程进行记录，然后通过火焰传播的传播路径和经过时间来计算。

为了获得更多关于巷道比例尺寸、障碍物尺寸大小、数量多少及壁面粗糙程度等一些外因对瓦斯爆炸传播的影响，需要频繁地修改巷道结构，这样做虽然可以得到更接近井下环境中爆炸的真实数据，但成本高、周期长、实用性不强。着重于小尺寸管道的爆炸实验似乎更切合实际。

2 不同因素对爆炸传播特性的影响

2.1 障碍物

Moen等［3］针对障碍物对爆炸过程中压力及火焰传播速度进行了研究。实验得出，与无障碍物时火焰速度相比，障碍物的加入可以使火焰速度增加24倍，并且火焰在经过障碍物后速度下降。

Masri等［4］研究了障碍物的形状、尺寸和阻塞率对管道内瓦斯爆炸传播特征的影响。研究发现，矩形截面障碍物对火焰加速和爆炸压力影响最大，圆形截面对火焰加速和爆炸压力的影响最小；阻塞率的增大会导致爆炸压力的增大。

徐景德、张莉聪等［5］研究了障碍物对瓦斯煤尘爆炸传播过程特征的影响。他们认为，障碍物可以促使爆炸产生的新组分充分混合接触，促进反应速率；压力波在传至障碍物处会被障碍物压缩，反射一部分，生成叠加区域，从而导致压力增大，影响火焰的传播速度。

2.2 煤尘

费国云等［6］对瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸的机理进行了实验研究。他们认为，煤尘在沉积状态下不会对瓦斯爆炸起推进作用，当瓦斯爆炸冲击波传播过来后，由于波后气压升高，煤尘会受到一个扬升的动力。当扬升动力大于所需的最小动力时，煤尘粒子被扬起形成煤尘云，会达到爆炸浓度。当爆炸火焰传播过来时，就会发生爆炸。

何朝元、刘义等［7-8］进行了煤尘与不同浓度的瓦斯混合的爆炸实验。实验得出结论，挥发分的增加会导致最小点火能量的指数级下降，增大危险性，瓦斯的混入、煤尘挥发分的增高都会致使煤尘爆炸的最低下限浓度下降。而且，混合爆炸的最高爆炸超压会升高，冲击波速度会加快，从而增强了煤尘爆炸的破坏力。

陈东梁等［9-10］针对甲烷混合爆炸中甲烷含量、煤尘种类、浓度和粒径在不同情况下，对复合爆炸火焰的传播特性和煤尘最低爆炸浓度的影响进行了分析。

2.3 不同巷道结构

林柏泉等［11］研究分析了瓦斯爆炸在分岔管道（包括直管、分岔、拐弯、U形管、Z管等不同形状）中的传播规律。实验得出，分岔管道对爆炸火焰和压力都有明显的增强作用，爆炸冲击波和爆炸火焰对岔道处管壁的破坏特别大。

菅从光等［11］研究分析了巷道断面的不同对瓦斯爆炸特性的影响。实验发现，巷道断面的突然增大或突然缩小，这2种情况都会使火焰的传播速度剧增。巷道断面的突然减小会使局部压力增大，形成一定的压力差，推动火焰的加速传播；而断面的突然增大会增大断面两侧压力差。巷道断面的突然增大和缩小造成的压力差相比，断面增大造成的压力差更大，更能推进火焰的传播，增大火焰的传播速度。

景国勋［12］在此基础上进一步研究了爆炸冲击波在管道拐弯和截面积突变情况下的变化规律。

总的来说，目前，国内外瓦斯爆炸、瓦斯煤尘混合爆炸实验绝大部分是在模拟的小型管道中进行，而模拟的小型管道与实际矿井下巷道之间在空间尺度、重力、压力、湿度等不同环境因素方面存在很大的不同，而且巷道的多样不规则性对瓦斯爆炸有着很大的影响。因此，无论是实验矿井还是小型管道实验测得的数据与真实矿井相比，还是存在一定误差的。

3 数值模拟研究

现在，比较成熟的模拟商用软件主要有Auto-ReaGas、Fluent、FLACS等。

江丙友等［13］采用AutoReaGas软件对瓦斯爆炸冲击波在并联巷道内的传播特征进行了数值模拟。研究结果显示，冲击波峰值超压和最高温度随着巷道距离的增加而不断减小，传播到回风巷交叉口时，2条相向传播的冲击波在此处交汇并相互叠加，导致冲击波超压和温度突然增大；2个并联采煤工作面最高温度与峰值超压在巷道内的变化规律基本一致。

王志荣［14］运用Fluent软件采用k-e湍流模型和涡破碎燃烧模型，通过解守恒方程，模拟了密闭管道内均匀混合气体爆炸过程，研究了点火位置、气体浓度、管道长径比和管道内障碍物等对爆炸过程影响；还模拟了连通容器内气体爆炸过程中火焰传播、压力变化以及湍流流动过程。数值模拟结果与实验基本上一致。

Khokhlov等［15］采用二维 N-S方程对乙炔-空气混合爆炸过程进行了数值模拟研究，并证明从爆燃向爆轰的转变是由于火焰前锋与爆炸波的相互作用，爆炸波的推进和火焰使未反应区产生高温高压区域，高温高压区域通过梯度机理致使爆燃向爆轰的转变。

吴兵等［16］采用三维N-S方程，用TVD格式对瓦斯爆炸过程进行了数值模拟，分析了障碍物对爆炸过程中压力波、火焰温度的影响。

4 反应机理

瓦斯的主要成分是甲烷。甲烷的化学反应机理是十分复杂的，在不同的环境中也有所不同。所以，要针对不同的情况，选择不同的反应机理，才能更真实地模拟，得出较真实的数据。国内外的很多学者都研究分析了很多氧化反应机理。如，著名的GRIMECH机理是由美国BERKELEY大学提出的，其中包含了177个基元反应，32种组分［17］；Mile等提出的反应机理中有235个基元反应，包含51种组分；Glarborg等得出的机理中有438个基元反应，包含63种组分。由于上述的这些反应机理都比较复杂，因此学者们又提出了许多简化的反应机理，主要有：部分平衡法、准稳态近似法和速率控制受限平衡法。比较常用的简化机理有17组分40步反应机理和14组分28步反应机理［18-19］。司荣军、宋广鹏、李润之等用的是赵坚行［20］提出的碳氢燃烧两步和四步反应系统。

5 未来展望

目前，通过大型巷道、小尺寸实验研究和数值模拟仿真研究对瓦斯爆炸、瓦斯煤尘混合爆炸取得了一定的研究成果，为预防瓦斯-煤尘爆炸、控制爆炸事故严重程度及事故调查取证提供了理论依据。但是，在以下几个方面还需作深入探讨。

1）煤矿井下的实际条件比较复杂，巷道结构交叉相连，巷道的结构如何设置才能降低瓦斯爆炸冲击波的破坏力。实验中的瓦斯、瓦斯-煤尘的浓度都是均匀的，但实际井下的瓦斯、瓦斯-煤尘浓度分布是不均匀的，爆炸环境除了考虑温度、压力以外，还应该考虑湿度、气流速率等因素对爆炸特性的影响。

2）目前为止，数值模拟仿真技术的发展相当快，模拟得出的数据与实验所得基本相符。但是，如何将模拟的计算时间缩短、精度提高，爆炸过程可视化，简化数据结果等这些方面都有待提高。

［1］ 李润之.瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸的研究［D］.北京：煤炭科学研究总院，2007.

［2］ 司荣军.矿井瓦斯煤尘爆炸传播规律研究［D］.青岛：山东科技大学，2007.

［3］ Moen I O，Bjerketvedt D，Rinnan A，et al.Deflagration of detonation from tubes into a large fuel-air explosive cloud［J］.Symposium （International）on Combustion Elsevier，1982，19（1）：635-644.

［4］ Masri A R，Ibrahim S S，Nehzat N，et al.Experimental study of premixed flame propagation over various solid obstructions［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2000，21（1）：109-116.

［5］ 张莉聪，徐景得，吴兵，等.甲烷-煤尘爆炸波与障碍物相互作用的数值研究［J］.中国安全科学学报，2004，14（8）：82-85.

［6］ 费国云.独头巷道中瓦斯爆炸引爆沉积煤尘的实验［J］.煤炭工程师，1997（4）：16-19.

［7］ 刘义.甲烷、煤尘火焰结构及传播特征的研究［D］.大连：大连理工大学，2000.

［8］ 何朝远.瓦斯煤尘共存条件下爆炸危险性的研究［J］.煤矿安全，1996（12）：5-6.

［9］ 陈东梁，孙金华，刘义，等.甲烷、煤尘复合体系燃烧特性及火焰结构的实验研究［J］.自然科学进展，2007，17（4）：494-499.

［10］刘义.甲烷、煤尘火焰结构及传播特性的研究［D］.合肥：中国科学技术大学，2006.

［11］菅从光，林柏泉.瓦斯爆炸过程中爆炸波的结构变化规律［J］.中国矿业大学学报，2003，32（4）：363-366.

［12］贾智伟，景国勋，程磊，等.巷道截面积突变情况下瓦斯爆炸冲击波传播规律的研究［J］.中国安全科学学报，2007，17（12）：92-94.

［13］江丙友，林柏泉，朱传杰，等.瓦斯爆炸冲击波在并联巷道中传播特性的数值模拟［J］.燃烧科学与技术，2011，17（3）：250-254.

［14］王志荣.受限空间气体爆炸传播及其动力学过程研究［D］.南京：南京工业大学，2005.

［15］Khokhlov A M，Oran E S，Thomas G O.Numerical simulation ofdeflagration-to-detonation transition：the role of shock-flame interactions in turbulent flames［J］.Combustion and Flame，1999，117（1/2）：323-339.

［16］吴兵，张莉聪，徐景德.瓦斯爆炸运动火焰生成压力波的数值模拟［J］.中国矿业大学学报，2005，34（4）：423-426.

［17］靳建明.火焰在激波诱导下稳定性问题的数值模拟与实验验证［D］.南京：南京理工大学，2004.

［18］王从银.瓦斯爆炸火焰传播机理与火焰特性的实验研究［D］.徐州：中国矿业大学，2001.

［19］周霖.爆炸化学基础［M］.北京：北京理工大学出版社，2005.

［20］赵坚行.燃烧的数值模拟［M］.北京：科学出版社，2002.