某煤矿瓦斯爆炸流场参数分布.pdf

第3 0 卷第1 期 爆破 V 0 1 ．3 0N 。．1 2 0 1 3 年3 月B L A S T 矾G M a r ．2 0 1 3 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 3 ．0 1 ．0 0 2 某煤矿瓦斯爆炸流场参数分布 高尔新，丁晨曦，韩书亮，孟莎莎，张晓蕊 中国矿业大学力学与建筑工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要通过应用f l u e n t 流体软件，模拟了某矿井的一次瓦斯爆炸事故，采用数值模拟的方法对瓦斯燃烧 爆炸波流动的运动规律进行了数值模拟计算，从而得出了瓦斯火灾后巷道中的压力场、温度场等分布。根据 数值模拟分析结果，得出了事故人员的伤亡原因。 关键词瓦斯爆炸；流体动力学；数值模拟； 中图分类号0 3 8 3 ．1文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 3 0 1 0 0 0 5 0 3 D i s t r i b u t i o no fF l o wP a r a m e t e r si nC o a lM i n eG a sE x p l o s i o n C A OE r x i n ，D I N GC h e n x i ，H A NS h u l i a n g ，M E N GS h a s h a ，Z H A N GX i a o r u i M e c h a n i c sa n dA r c h i t e c t u r a lE n g i n e e r i n gC o l l e g e ，C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n g T e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h eC F Ds o f t w a r ef l u e n tw a sa p p l i e dt os i m u l a t eac o a lm i n eg a se x p l o s i o na c c i d e n t ，a n dt h ep r o p a g a t i o nb e h a v i o ro fg a se x p l o s i o nw a v ew a sc a l c u l a t e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s ．I nt h es t u d y ．d a t ao fp r e s 。 s u r ea n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni ng a sf i r eo fc o a lt u n n e lw a so b t m n e d ．．B a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t s ，t h ec a u s eo f f a t a la c c i d e n tW a sa l s oo b t a i n e d ． K e yw o r d s g a se x p l o s i o n ；f l u i dd n a m i c ；C F Ds i m u l a t i o n 1 事故背景介绍 某矿二号采煤工作面发生了瓦斯爆炸重大事 故，死亡4 人，重伤2 人，轻伤1 人。该工作面上部 已回采完毕，为三角煤回收的残采面。煤层倾角 5 0 。～6 0 0 。煤厚2 ～6r n ，煤层下窄上宽，属于急倾 斜煤层。高瓦斯区域，瓦斯绝对涌出量3 ．7 2i n 3 ／r a i n ， 相对涌出量为2 0 ．7 7i n 3 ／m i n 。 该工作面采用的采煤方式是斜坡采煤方法。为 打眼放炮、爆破、落煤方式，人工操作煤电钻，巷道断 面2 2 ．3i n 2 。管理顶板采用冒落法，放煤时，利用挡 矸闸防止采空区内顶底板矸石串出。采用局部通风 收稿日期2 0 1 2 1 l 1 5 作者简介高尔新 1 9 5 4 一 ，男，教授、博士，主要从事土木工程方面 的工作， E m a i l g a o e r x i n y a h o o ．c a 。 机对煤矿巷道以及工作面、联络巷进行送风，设计风 量为1 0 0 0i n 3 ／m i n ，实际供风量约为8 0 0i n 3 ／i n i n 左 右。采区主干线为D 5 0m m 2 橡套铜芯电缆，分支为 D 3 5m m 2 橡套铜芯电缆供局部通风机、干变、充电使 用。在供电系统中，局部通风机即使不开，也能启动 和关闭第2 部刮板输送机和煤电钻，另外煤电钻变 压器综合保护装置已损坏，由K S G B 2 ．5 干式变压 器代替。瓦斯监控系统 I ∞5 型 于4 个月前安装， 正常运行，工作面设置了2 个瓦斯智能探测器 K G J | 6 见图1 ，工作面作业点的瓦斯探测器只能声 光报警，不能控制任何电源，工作面巷道的瓦斯探测 器不仅能针对危险进行声光报警，还能控制输送巷 的电源。该工作面瓦斯爆炸后现场情况如下 1 2 个煤电钻的现场情况。离工作面附近约 2i n 处的l 号煤电钻电机外壳裂口破坏较大。煤电 万方数据 6爆破 2 0 1 3 年3 月 钻手柄一侧外壳断裂脱离不知去向，与煤电钻相连 的电缆保护作用的密封套有明显的不规则断口，据 推测为强力拉断，电缆不知去向，可能被煤埋藏也可 能被烧毁。电缆与电钻连接接线柱处的铜芯线铜丝 有部分仍在接线柱的螺丝中，由此可推断出显然电 缆与煤电钻是在强劲有力的突然外来力的作用下被 拉出脱落的。而2 号煤电钻塑料外壳及与连结的电 缆保存均较为完整，没有被破坏。 2 2 个瓦斯探测器的具体情况。工作面作业 处探测器外表及与探测器直接连接的电缆较为完 整，其他段电缆可以看到断口不规则有拉断现象。 探测器外壳塑料因受到了高温灼热燃烧氧化其颜色 由蓝色变为灰黑色，颜色均匀。可以断定探测器未 受到爆炸冲击波的影响，探测器也未受到碰撞。回 风侧探测器及外壳被冲击波冲撞成碎片，外壳颜色 未变，但报警灯较为完整。 3 现场瓦斯监控电缆的情况。为外力拉断2 号瓦斯监控电缆，断口不规则，由于受到了高温烘烤 作用外表皮粗糙、硬化。 4 现场风筒情况。现场的风筒大部分裂口新 鲜，撕裂现象严重，可能取证时，从堆积物中拉出而 形成。 5 只有一顶安全帽且受外力而砸裂，受到高 温现象不明显。 6 2 号死者使用的矿灯除外壳较为完好。3 号死者使用的矿灯无灯头、无灯线，只有矿灯的电池 外壳完好。 7 各死者和伤者的位置见图1 。 图1巷道实际及现场伤亡情况 F i g ．1 T h er o a d w a ya c t u Ma n do n s i t ec a s u a l t i e s 1 号和2 号死者显然受到爆炸产生高温气流的 灼伤，表现为面部及左肩烧伤严重，头发卷曲，头发 烧焦。3 号死者面部受到高温现象有轻微烧伤迹 象，头发卷曲。被推射到巷道壁受冲击波的严重冲 击全身骨折，而受伤至死。4 号死者的脚、手、腿等 处骨折明显，体表烧伤迹象不明显。5 号伤者烧伤 面积达3 0 ％。6 号伤者无烧伤迹象，只受到轻伤，为 冲击波将其推倒所致。 8 现场的相关人员提供的当时的资料。事故 前部分曾在工作面的人员称瓦斯味浓，感觉头昏，与 地面瓦斯监测系统送回的数据提供的信息相符。 2 应用f l u e n t 软件对事故进行的模拟 分析 F L U E N T 流体模拟软件作为目前国际上最流行 的商用的C F D 软件被广泛的使用和认可，在美国的 市场占有率达6 0 ％以上。凡跟流体的热传递等能量 流动变化及化学反应等有关的工业流体模拟等研究 和实践均可使用，而且效果很好，得到结果较真实准 确引。应用f l u e n t 软件，我们可以在二维单精度、二 维双精度、三维单精度、三维双精度下分别对压力参 数、温度参数、速度参数、速度矢量参数、密度等值线 参数、甲烷组分浓度的参数、氧气质量浓度参数、二氧 化碳组分质量浓度参数进行模拟结果及分析[ 4 。10 | 。 应用f l u e n t 软件，对事故进行了模拟。论文数 据基本上采用双精度，二维计算，采用有限体积法的 数值模拟，计算采用“填充式”，“全范围”，“自动计 算”的选项。一些数据是在三维情况下计算的，以 便与实际更加符合。计算初始参数瓦斯浓度为 8 ％，初始爆炸压力为2M P a 。图2 为数值计算得到 的压力等值线图。从图2 中可以看出，3 号、4 号死 者所在位置的为压力剧烈变化区，这与事故调查专 家所说的由于压力原因导致其当事故发生时被甩向 巷道壁，致其全身骨折的死因吻合。 从图3 可以看出沿巷道长度的速度值的大体分 布。本例中，根据速度判别，瓦斯基本上接近于爆 燃，据此对事故中井下人员伤亡原因作出解释，而且 比较贴近井下瓦斯造成灾害的具体事实。 图4 为不同巷道长度位置与气体流动速度值的 关系。从图4 中可看出，A 区爆炸起点的速度最大， 随着火焰、和爆轰波的传播速度逐渐减小。符合我 们的最初模拟所要达到的既定目标。 万方数据 第3 0 卷第1 期高尔新，丁晨曦，韩书亮，等某煤矿瓦斯爆炸流场参数分布 7 46 0 e 0 0 口 43 0 e 0 0 40 0 e 0 0 36 9 e 0 0 33 9 e 0 0 30 9 e 0 0 27 8 c 0 0 24 8 e 0 0 2 1 8 e 0 0 l8 7 e 0 0 l5 7 c 0 0 l2 7 e 4 - 0 0 96 2 e - 0 l 65 8 e - O l 3 5 5 e 一0 1 5 1 7 e - 0 2 ．25 2 e - 0 I - 55 5 e - 0 l - 8 5 8 e 一0 1 ．1 1 6 叫0 0 ．14 7 c 0 0 图2 巷道压力等值线分布图 F i g ．2 T h er o a d w a yp r e s s u r ec o n t o u rm a p s n 0 ．5 l1 ．52 ．塘 呻腻咯时眦， m ’f 1 图3 井下瓦斯爆燃速度值分布图 F i g ．3 T h eu n d e r g r o u n dg a sd e f l a g r a t i o ns p e e dv a l u ed i s t r i b u t i o n [ 二蕾五丽i 面面E ] 4 06 08 0 P o s i t l o n l m 图4 位置与速度值的关系 F i g ．4 T h er e l a t i o n s h i po fp o s i t i o na n dv e l o c i t yv a l u e 下转第1 9 页 ∞ ∞ ∞ 柏 ∞ ∞ m O 罴黧黧 l l ～ ”z 纠U L k L t i 五n 万方数据 第3 0 卷第1 期 罗晓碧，陶铁军，赵明生未确知测度模型在爆破振动安全预评价中的应用1 9 一 术，2 0 1 1 ，7 1 2 1 0 8 ．1 1 1 ． [ 9 ] T A OT i e - j a n ，C A IJ i a n - d e ，Z H A N GG u a n g q u a n 。e ta 1 ． A p p l i c a t i o no ft h eu n a s c e r t a i n e dm e a s u r e m e n tm o d e li n t h es a f e t ye v a l u a t i o no fb l a s t i n ge n g i n e e r i n g [ J ] ．J o u r n a l o fS a f e t yS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 1 1 ，7 1 2 1 0 8 。 1 1 1 ． i nC h i n e s e [ 1 0 ] 万善福，蒋仲安，周姝嫣．集对分析法在煤矿通风系 统评价中的应用研究[ J ] ．中国安全生产科学技术， 2 0 0 8 ，4 6 6 2 6 5 ． [ 1 0 ]W A NS h a n f u ，J I A N GZ h o n g a n ，Z H O US h u y a n ．T h e s t u d yo nS P Aa p p l i c a t i o ni n t oc o a l m i n ev e n t i l a t i o ns y s - t e n [ J ] ．J o u r n a lo fS a f e t yS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 ，4 6 6 2 - 6 5 ． i nC h i n e s e 吕淑然．露天台阶爆破地震效应[ M ] ．北京首都经 济贸易大学出版社，2 0 0 6 2 4 5 - 2 6 5 ． 邱菀华．管理决策与应用熵学[ M ] ．北京机械工业 出版社，2 0 0 2 ． 涂圣文，过秀成，苏州．基于未确知测度模型的一 级公路设计安全性评价[ J ] ．重庆交通大学学报 自 然科学版 ，2 0 1 0 ，2 9 4 5 9 2 - 5 9 6 ． T US h e n g - w e n ，G U OX i u - c h e n g ，S UZ h o u ．S a f e t ya s s e s s m e n to ff i r s t c l a s sh i g h w a yd e s i g nb a s e do nu n a s c e r - t a i n e dm e a s u r e m e n tm o d e l [ J ] ．J o u r n a lo fC h o n g q i n g J i a o t o n gU n i v e r s i t y N a t u r a ls c i e n c e ，2 0 1 0 ，2 9 4 5 9 2 - 5 9 6 ． i nC h i n e s e 上接第7 页 3 结论 应用f l u e n t 流体软件通过对某煤矿的一起瓦斯 爆炸事故进行分析，得出以下结论 1 根据上面的实验模拟分析的结果和现场专 家对现场的勘验和模拟实验结果的比对。认为应用 f l u e n t 流体软件对煤矿的瓦斯爆炸事故进行模拟是 可行的。该软件在流体研究领域尤其是在井下瓦斯 燃烧爆炸方面，是十分适合并可以被大力推广的。 2 计算中发现，甲烷和空气组分的浓度尤其 甲烷浓度对流体的传播速度有很大影响，瓦斯浓度 较低时 富氧状态 或浓度较高 贫氧状态 ，也就 是超出了爆炸极限范围，其速度较低，尤其是到了巷 道的尾端更低。 3 计算中还发现，混合气体的温度、浓度和压 强都会对爆炸极限产生影响，爆炸极限不是一个固 定值。 参考文献 R e f e r e n c e s 苏举端，高春艳，蔡香萍，等．煤矿巷道瓦斯爆炸传播 规律及破坏效应分析[ J ] ．工业安全与环保，2 0 1 0 ， 3 6 2 4 0 4 2 ． S UJ u d u a n ，G A OC h u n y a n ，C A IX i a n g p i n g ．T h ea n a l - y s i so nd e s t r u c t i v ee f f e c ta n dd i s s e m i n a t i o nl a wo fg a se x ‘ p l o s i o ni nc o a lm i n e [ J ] ．I n d u s t r i a lS a f e t ya n dE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o n ，2 0 1 0 ，3 6 2 4 0 4 2 ． i nC h i n e s e 周心权，吴兵，徐景德．煤矿井下瓦斯爆炸的基本特 性[ J ] ．中国煤炭，2 0 0 2 ，2 8 9 8 - 1 1 ． Z H O UX i n - q u a n ，W UB i n g ，X UJ i n g - d e ．B a s i cc h a r a c t e r s o fg a se x p l o s i o ni nu n d e r g r o u n dc o a lm i n e s [ J ] ．C h i n a C o a l ，2 0 0 2 ，2 8 9 8 - 1 1 ． i nC h i n e s e [ 3 ]张引合，张延松，任建喜．煤尘对低浓度瓦斯爆炸的影 响研究[ J ] ．矿业安全与环保，2 0 0 6 ，3 3 6 2 0 - 2 1 ． [ 4 ]张雷．管道内甲烷空气预混火焰加速试验研究与数 值模拟[ D ] ．合肥安徽理工大学，2 0 0 8 ． [ 5 ] 范宝春，江孝海李鸿志．湍流加速火焰的三维数值模 拟[ J ] ．计算力学学报，2 0 0 3 ，2 0 4 4 6 2 4 6 5 ． [ 5 ] F A NB a o - c h u n ，J I A N GX i a o - h a i ，L IH a n g z h i ．N u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft u r b u l e n ta c c e l e r a t i n gf l a m ei nt h r e ed i m e n - s i o n a lf l o w s [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fC o m p u t a t i o n a lM e - 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