瓦斯—煤尘爆炸特性研究

2021-02-26徐婷婷李树岗郝慧斌郝小刚侯亮科

煤炭与化工 2021年1期

徐婷婷，李树岗，郝慧斌，郝小刚，侯亮科

（1.大同煤矿集团挖金湾煤业有限责任公司，山西大同 037042；2.潞安集团余吾煤业公司，山西长治 046100）

在煤矿的开采过程中，瓦斯爆炸是最严重的矿难事故之一，死亡人数占总人数一半以上，爆炸瞬间的温度可达2 000 ℃左右，且爆炸后，巷道中CO 和CO2含量迅速增加，导致被困人员中毒窒息死亡[1-6]。本文针对矿井的实际情况，通过使用Fluent 软件模拟研究瓦斯爆炸过程中冲击波的传播规律，提前设计出有效的防爆设施，在很大程度上降低瓦斯爆炸的危害，保障人员的生命安全。

1 瓦斯爆炸机理的研究

1.1 瓦斯爆炸因素分析

瓦斯爆炸三要素为爆炸极限内的瓦斯浓度、高温引燃火源和充足的氧气。煤矿爆炸事故不仅仅是单一的瓦斯爆炸，而是掺杂了煤尘的混合爆炸，同时发生热反应和链反应的化学反应[7-8]。

由上式可知，1 mol 甲烷和2 mol 氧气充分燃烧反应，释放能量为882.6 kJ，10.5 m3的空气中含有2 m3的氧气，故当瓦斯在空气中的含量为9.5%时，是最危险的状态，破坏性最大。

1.2 瓦斯爆炸传播方式

瓦斯爆炸的传播方式主要有冲击波和火焰阵面，在爆炸的初始阶段，冲击波传播速度快、破坏性强，随着瓦斯的燃烧殆尽，爆炸的冲击波逐渐变为空气波；而火焰面先以球面的形式向外传播，当火焰面碰到煤壁或巷道壁时，火焰面发生皱褶增加传播的速度，在传播的过程中，火焰面的速度先增大后由逐渐减小。此外，当爆炸过程中激发的能量达到103 ～106 J 时，瓦斯的燃烧就会变成爆轰，传播速度达到超音速[9-12]。

1.3 煤尘的爆炸原理分析

若不受外界影响，巷道中沉积的煤尘不会发生爆炸，只有在外界动力Pd和温度T 满足一定的条件的情况下，才能发生爆炸，如下式所示：

式中：qd为煤尘起扬的最小动力，kPa；Tzh为煤尘燃点，k。

当瓦斯爆炸形成的冲击波传播到煤尘区域时，冲击波在巷道壁面处形成速度梯度和压力差，这样给煤尘提供了一个上扬的动力Pd，当冲击波提供的动力Pd大于煤尘起扬的最小动力qd时，煤尘飞扬起来与瓦斯混合；当瓦斯爆炸温度T超过煤尘燃点Tzh时，瓦斯和煤尘发生爆轰反应。

2 瓦斯爆炸传播的数值模拟分析

2.1 爆炸模型的选择

瓦斯爆炸的化学反应过程比较复杂，查阅相关文献资料，化学反应速率模型主要有4 种，层流有限速率模型、涡耗散模型、层流有限速率/涡耗散模型、涡耗散概念模型，但针对巷道有限空间的瓦斯粉尘爆炸，简化其反应机理，本文选用涡耗散模型。

2.2 巷道模型的创建

本文以容积为10.77 L 的水平管为模型，截面尺寸长×宽=14 m×1.4 m，模型内部用0.7 m 的网格建模。为了得到瓦斯爆炸过程中火焰的传播速度的影响因素，把模型的前7 m 作为反应区，分别装入浓度为3%、5%、7%、9%、11%的瓦斯，然后分别混合浓度为200、300、400、500、550 g/m3的煤尘进行模拟计算。

2.3 模型边界条件的设置

为了简化模型和计算过程，假设巷道壁面为无滑移、无渗漏、非绝热型的壁面，粗糙度Ra0.5，模型左端是封闭的，右端为卸压侧。点火区域的初始温度为1 500 K，其余区域为300 K；模型内初始速度为0；煤尘粒径为40、50、60、70 、90、110 μm，注射速度量 υ 为 0.2 kg/s。

3 Fluent 软件模拟分析

3.1 瓦斯—煤尘模型传播特征分析

使用Fluent 软件模拟，以模型左端中间为引爆点，得到了瓦斯和煤尘在巷道爆轰过程中，压力波的传播和温度云图，如图1 ～图2 所示。

图1 爆轰过程中压力波的变化过程Fig.1 Pressure wave variation during explosion

图2 爆轰过程中温度云图Fig.2 Cloud of temperature in explosion

由图1 可知，图中右上部分深色区域为甲烷未燃烧区，区域温度为初始设置温度300 K。图2 中左边浅色区域为瓦斯煤尘爆轰区，爆炸初期形成的火焰面以点火区为中心向四周传播，形成火焰球面，当火焰传播到巷道壁面时，受壁面影响和反射作用，火焰在水平方向的传播速度远大于垂直方向。

3.2 瓦斯—煤尘模型爆轰特征分析

为了便于分析瓦斯—煤尘模型在爆轰过程中压力、温度等参数的变化，分别取巷道模型内离点火点距离1.0、2.5、4、5.5 m 的位置为参考点，通过软件模拟，绘制出压力、温度随时间的变化图，如图3 ～图4 所示。

由图3 可知，各测点的压力值，随着时间先迅速增大后减小，因巷道模型是封闭的，压力波在传播过程中受巷道壁的反射叠加的影响，致使压力最大后还会出现另一个压力高峰。

此外，相比于后3 处监测点，在1.0 m 处的监测点，其压力值的变化速率较慢，而其余监测点的压力值的变化速率非常快，压力曲线基本呈直线垂直上升，这表明后三处监测点位于爆轰区域内，火焰波呈超音速传播的状态。

图3 各测点爆轰压力值随时间变化关系Fig.3 Relationship between detonation pressure values at each measuring point and time

图4 各测点爆轰温度随时间变化关系Fig.4 Relation of detonation temperature at each measuring point with time

由图4 可知，巷道内各监测点的最高温度都在3 000 ～3 300 K，但因巷道模型的边界是绝热壁面，且模拟过程中假设瓦斯和煤尘发生了充分反应，造成模拟数据要高于实验数据，故各测点的实际温度应在2 800 K 左右。同时，四处监测点的温度曲线斜率依次增大，表明火焰面的传播呈递增的趋势。

3.3 煤尘粒径对瓦斯—煤尘爆轰压力的影响

为了研究煤尘粒径对瓦斯—煤尘爆轰压力的影响，选取浓度200 g/m3、粒径分别为40、50、60、70、90、110 μm 等6 种大小不同的煤尘为模拟介质，在甲烷浓度为3%、7%、9%不同的条件下进行模拟，得到的模拟数据见表1。

表1 不同煤尘粒径的瓦斯- 煤尘爆轰压力值Table 1 Gas-coal dust detonation pressure values with different coal dust particle sizes

将不同煤尘粒径的瓦斯—煤尘爆轰压力值绘制成曲线，如图5 所示。由图5 可知，同一瓦斯浓度下，随着煤尘粒径的减小，瓦斯—煤尘爆轰过程中最大压力值基本呈线性逐渐增大；当煤尘粒径为40 μm，爆轰过程中产生的最大压力值最大，这与理论实验值比较接近，实验表明在不同瓦斯浓度下，当粒径小于43 μm时，均取得了最大爆轰压力。