我国煤矿瓦斯爆炸的研究现状与发展方向.pdf

第卷第期华北科技学院学报年月 我国煤矿瓦斯爆炸的研究现状与发展方向 ① 徐景德 ② 华北科技学院教育培铆嘟 , 北京东燕郊 摘要从爆炸机理 、爆炸传播、影响 因素和技术措施四个方面介绍了瓦斯爆炸事故的研究现状 , 基于瓦斯爆炸机理 , 指 出了瓦斯爆炸事故的研究中存在的问题和发展方向 。 关键词 瓦斯爆炸 爆炸传播激励效应数值模拟 中图分类号犯文献标识码文章编号 一一一 瓦斯爆炸事故是我 国煤矿 最严重 的事故之 一 。 综观我国煤矿历年事故统计资料 , 瓦斯爆炸 事故人数在全部事故伤亡人数中所 占比例呈上升 趋势 。 在重特大事故中 , 瓦斯事故 含瓦斯爆炸 、 煤与瓦斯突出 、瓦斯窒息 的死亡人数已经多年占 据首位 。 建国以来 , 我 国煤矿共发生一次死亡人 数在人以上的特大事故起 , 其中起事 故属于瓦斯爆炸事故或与瓦斯爆炸密切相关 。 鉴 于瓦斯爆炸事故对我国煤矿安全生产造成的严重 威胁 , 各级政府和煤矿安全监察 、管理部门极为重 视 , 组织 、调动大量人力, 投人巨大资金 , 开展了多 方面的研究工作 , 取得了多项重大成果 , 为瓦斯爆 炸事故的防治提供了技术指导 。 本文从瓦斯煤尘 爆炸机理出发 , 基于矿井工程环境 , 对我国煤矿瓦 斯爆炸事故研究现状进行了总结 , 对将来的发展 方向提出了一些建议 。 瓦斯爆炸事故发生机理研究 瓦斯爆炸机理的研究 煤矿瓦斯爆炸机理及点火方式是瓦斯爆炸研 究的一个重要内容 。 根据大量地质资料 , 矿井瓦 斯的主要成分是甲烷氏 , 瓦斯爆炸可 以看作 是甲烷气体在外界热源激发下的剧烈的热化学反 应过程根据这一化学反应 , 确定了发生瓦斯爆炸 事故发生必须具备基本条件瓦斯浓度处于瓦斯 爆炸极限范围内 一 氧气的最低浓度为 有大于引燃瓦斯最小点火能 的火源存在 。 化学动力学深人研究揭示了甲烷爆炸过程物理和 化学本质特征 。 事实上 , 甲烷爆炸的点火过程是 由多个基元反应组合而成 的支链型链式反应过 程 , 德国的 况 和 劝 在实验研究 和理论分析的基础上 , 给出了一套完整 的 甲烷点 火阶段化学反应特征完整的基元反应方程式 , 表 达 了甲烷气体引爆化学反应过程 。 根据瓦斯爆炸 基元化学反应式 , 可 以计算引发瓦斯爆炸的最小 点火能为 司 , 但是 , 实验研究和事故案例分 析表明 , 瓦斯爆炸受很多因素影响 , 如甲烷浓度 、 环境温度和湿度等因素等 , 时 只能是一个理 一沦值 。 目前这方面进行了很多实验 , 对于文献【 ’】 列出的种火源 , 在实验室都进行了测试 , 但是 由于缺乏工业性实验的佐证 , 它能否作为瓦斯爆 炸事故的勘察依据 , 还需要进一步研究 。 关于瓦斯爆炸传播机理的研究 根据爆炸力学和气体动力学 , 基于矿井环境 , 大部分煤矿瓦斯爆炸事故属于管状空间内的可燃 性气体爆炸 。 从时间上和空间上可以分成引爆和 爆炸传播两个阶段 。 关于瓦斯爆炸传播 , 目前取得的研究成果体 现在如下几个方面 。 瓦斯爆炸传播的物理机制研究 实验结果和理论分析都证实 , 矿井巷道 中瓦 斯爆炸传播是以冲击波方式传播的 , 根据传播时 间和空间的推移 , 冲击波结构要发生变化 。 在起 始阶段 , 以爆燃波爆轰波 方式传播 , 随着甲烷气 体燃烧完毕 , 则演变为单纯空气冲击波传播 。 在 爆炸传播方式上 , 目前从实验和理论两个方面都 证明 , 瓦斯爆炸冲击波在一般条件下 , 以爆燃波形 式传播 , 但是在某些条件下 , 可能演变为爆轰波 。 目前在实验室已经得以证实的条件是以强能量 收俩日期 一一 基金项 目本文研究内容属于国家重点基础发展规划项目 “ 徐景德一 , 男 , 安徽安庆人 , 工学博士 , 副教授 , 华 下重大工程安全性的基础研究,’ 编号 ” 院教育培训部副主任 ①② 第期徐景德 我国煤矿瓦斯爆炸的研究现状与发展方向 火源引爆瓦斯气体 , 延长传播路线 , 有煤尘参与爆 炸 , 在传播路线上设置障碍物 。 根据瓦斯爆炸传 播的物理机制 , 可以确定瓦斯爆炸的破坏和伤害 体现在三个方面火焰锋面高温灼烧 、 冲击波 超压破坏和井巷大气成分有毒有害气体的变 化 。 由于冲击波和爆燃波的存在 , 可以判定瓦斯 气体爆炸传播实际 上是冲击波和燃烧过程的藕 合 。 根据冲击波传播特点 , 瓦斯爆炸传播存在显 著的卷吸作用 , 即冲击波在传播过程 中将携带经 过地点的气体一同前进 。 这使得瓦斯爆炸的燃烧 区域远大于原始气体分布区域 , 这已经得到实验 证实 。 瓦斯爆炸传播影响因素研究 大量瓦斯爆炸试验研究和事故案例勘察分析 结果表明 , 瓦斯爆炸除取决于瓦斯浓度 、 瓦斯量等 自身因素外 , 还受到瓦斯爆炸所在环境大气参数 大气压力 , 湿度 , 温度 、爆炸空 间的几何参数几 何形状 , 儿何参数 , 壁面粗糙度 , 障碍物 、点火方 式的影响 。 目前国内外进行了大量实验 、理论 分 析 , 取得了许多有价值的成果 。 这些成果主要体现在第一 , 在正常情况下 , 瓦斯爆炸的最佳浓度为左右 。 而当瓦斯浓 度大于 和小于时 , 爆炸强度显著降低 。 第二 , 爆炸空间几何形状和尺度对瓦斯爆炸有显 著影响 , 德国弗 巴尔特克纳西特博士通过实验和 理论分析证实 , 在同等条件下在一端开口 、一端闭 合巷道内 , 且在闭合端点火时 , 爆炸最为强烈 。 美 国矿业局实验中心的证实了瓦斯爆炸传播过程中 尺度效应的存在 , 即传播空间的尺度对爆炸传播 存在影响 , 这意味不能采用低速状态下的相似原 理处理爆炸传播的相似问题 。 第三 , 点火方式对 爆炸存在显著影响 , 主要体现在火源的个数 、火源 的能流密度和火源的位置等方面 。 实验证实 , 同 等条件下 , 在独头巷道内 , 分别在封闭端和开口端 使用点火花点燃瓦斯 , 前者导致强烈爆炸 , 而后者 则未发现明显的冲击波 。 第四 , 爆炸瓦斯量 的增 加 , 将导致最大压力迅速增大 。 在实验巷道内 , 分 别使用 耐 和 耐进行实验 , 发现最大爆炸 压力值分别和 一 。 瓦斯爆炸防治措施研究 瓦斯爆炸的防治措施体现在两个方面 瓦斯 爆炸的预防措施 , 主要包括控制矿井各区域的瓦 斯浓度 , 使其远低于 瓦斯爆炸极 限 , 杜绝井下 火 源 。 瓦斯爆炸的阻爆和隔爆措施 , 例如在可能发 生瓦斯爆炸区域 , 设置水槽棚和岩粉棚 , 当瓦斯爆 炸冲击波经过时 , 其被爆炸波掀翻 , 棚中的水和惰 性岩粉吸收爆炸能量 , 达到抑爆和阻爆的目的 。 关于瓦斯爆炸的预防 , 目前从技术和管理两 个方面都有比较成熟的措施 , 关于控制瓦斯浓度 , 从通风 、瓦斯抽放、瓦斯检测等方面都有相应 的理 论和技术措施 , 而控制火源 , 则由于设备改进和优 化 , 井下火源已经大大减少 , 目前在瓦斯预防方面 的问题 , 主要体现在两个方面 , 一是复杂地质条件 带来的瓦斯预测上的困难 , 二是作业人员安全素 质和技术水平的整体低下造成的普遍违章作业 。 关于阻爆和抑爆措施 , 基于对瓦斯爆炸引爆 和传播过程的理论研究成果 , 研究人员对瓦斯爆 炸的阻爆方法进行了大量研究 , 进行了多项实验 。 除了前面提到的水槽棚和岩粉棚外 , 在管道输送 瓦斯中 , 煤炭科学研究总院抚顺分院试验了金 属 网抑止瓦斯爆炸方法 。 试验在一长 、 直径 一 的管道 中进行 , 共做了 巧余次瓦 斯爆 炸试 验 , 试 验 管的瓦斯 浓度 为 、 、, 试验证实了金属 网的抑爆效果 。 根 据瓦斯爆炸冲击波的传播特征 , 研究人员提出了 岩粉棚和水槽棚必须在冲击波到达前启动 , 才能 达到阻爆和抑爆效果 。 基于化学动力学 , 人们研 究了水抑止瓦斯爆炸机理 , 主要体现在水抑止了 瓦斯爆炸 自由基的产生速度和数量 , 从而控制了 瓦斯燃烧速度 , 起到抑爆效果 。 鉴于井下环境呈 现粗糙度高 、障碍物普遍存在的特点, 已经有人提 出了井下防爆门强度计算方法 。 存在的问题 瓦斯爆炸是一个非常复杂的气体力学问题 , 其研究一方面要借助于煤矿安全技术的进步 , 还 要取决于爆炸力学的研究进展 。 目前 , 瓦斯爆炸 的研究还有很多需要解决的问题 。 关于瓦斯爆炸引爆 , 目前还体现在实验分析 , 尚未建立基于矿井环境的引爆能量的计算方法 , 关于爆炸环境参数 、瓦斯浓 度 、氧气含量等因素对 引爆能量的影响 , 也需要进一步分析 。 关于 瓦斯 爆炸传播 , 根据质量 、 动量和能量 守衡定律和 一 理论 , 已经建立了瓦斯爆炸传 第卷第期华北科技学院学报年月 播的数学模型 , 由于其相关的物理模型的复杂性 , 数学模型基本上不存在解析解 。 目前普遍采用数 值求解方法 , 由于气体粘性存在且随机变化 , 数学 模型的离散非常困难 , 因此目前给出 了几种简化 解 。 主要有 在忽略粘性的前提下 , 给出了独头巷 道瓦斯爆炸传播的数值解在假设粘性为常数的 前提下 , 给出了障碍物存在条件下的数值解 。 瓦斯爆炸求解的另一个困难是冲击波波阵面 的数学间断造成求解困难 , 在实际求解中 , 必须假 设间断面处连续 , 这实际上抹平了冲击波的波峰 , 使解失真 。 例如 , 目前有人使用火灾计算程序处 理瓦斯爆炸传播问题 , 虽然了能在一定长度上显 示瓦斯爆炸传播 中冲击波波形 , 但是因两者传播 的物理机制差异导致的数学模型的差异 , 则模拟 结果实际效用大大降低 。 实验技术目前在瓦斯爆炸传播的研究中起到 极为重要的作用 。 为了观察爆炸冲击波在传播过 程中的结构变化特征 , 研究人员采用了多种方法 , 例如烟迹显示技术 、纹影 技术等 , 利用这些技术 , 可以观察到冲击波的复杂结构 , 世纪以后 , 借 助于激光技术 、高速摄影技术, 可以拍摄冲击波传 播中的结构动态演化过程 。 但是 , 矿井巷道乃至 模拟巷道的尺寸过大 , 这种模拟只能适用于小尺 寸的实验管道 , 对大型的模拟巷道和实际矿井 , 目 前普遍采用的方法 , 还是采用测试关键点面参数 , 再结合数值模拟 的方法进行研究 。 而矿井巷道再 几何上的特点是长度值远大于宽和高值 , 一条巷 道瓦斯爆炸的测定往往要布置上百个测点 , 才能 确定冲击波传播特征 , 目前再数据的采集方面问 题还没有解决 。 瓦斯爆炸研究存在的另一个问题是 , 瓦斯爆 炸传播实际上是一个化学反应流 。 目前为解决问 题的方便 , 都假设化学反应再引爆瞬间完成 , 这影 响了求解的真实性 , 尤其在处理障碍物激励效应 的问题上 , 与障碍物激励效应的物理机制是违背 的 , 因为障碍物的激励效应主要体现在其使燃烧 面加大 , 燃烧速度加快 , 化学反应应当作为主要考 虑因素 。 今后发展方向 根据我国煤矿瓦斯爆炸的严重性 , 我们认为 在今后加强瓦斯爆炸的研究是非常必要的 。 基于 目前的研究现状 , 在今后应 当将如下方面作为研 究方向 。 第一 , 借助于化学动力学和爆炸力学 , 进一步 研究瓦斯引爆机理的研究 , 尤其要掌握外界因素 对引爆的影响 , 建立瓦斯引爆的数学模型和普适 性的经验计算式 。 第二 , 要将瓦斯爆炸和煤尘爆炸联系起来 , 由 于井下煤尘普遍存在 , 瓦斯爆炸过程中煤尘是否 参与 , 是多年来一直争议的问题 , 应当在大量实验 的基础上回到这一 问题 。 目前 , 比较可行的方法 是采用激光诱导荧光技术简称测试爆炸 传播过程中 、 等化学基的变化 , 和单纯瓦 斯爆炸进行比较 , 则可以确定煤尘爆炸的参与与 否 。 第三 , 加强瓦斯爆炸 的数值模拟研究 。 数值 模拟可以克服目前实验技术上存在的困难 , 目前 关键是解决爆炸传播过程中气体状态参数变化特 征和化学反应表达式和数值方程藕合的问题 。 这 些问题的解决从目前来看 , 还主要依赖实验解决 。 第四 , 必须研究瓦斯爆炸的尺度效应 。 鉴于 矿井环境和实际模型的差异 , 而 目前实验都是在 模型中进行 , 如何保证实验结果在矿井环境中的 实用性 , 是一个关键问题 。 其解决办法是一方面 要依赖于建立接近矿井真实环境的模拟巷道 , 将 其实验结果和管道中实验结果进行比较另一方 可是采用数值模拟方法 , 将两种环境下 的数值模 拟结果进行比较 , 确定尺度效应的数学表达式 。 第五 , 要进一步研究障碍物的激励效应 。 目 前 , 对障碍物的激励效应的研究 , 还停留在具体障 碍物 的实验测试方面 , 而井下障碍物普遍存在 。 应当将井下障碍物根据几何形状进行分类 , 进行 系统研究 , 以得出各类障碍物的激励效应 的通用 数学模型 。 总之 , 瓦斯爆炸的研究在我国处于起步阶段 , 随着实验条件的改善 、理论研究 的进一步深人 , 瓦 斯爆炸会取得显著成果 , 对瓦斯爆炸事故的防治 和勘察 , 将会提供重要的技术支持 。 参考文献 「 俞启香矿井瓦斯防治「徐州中国矿业 大 学出版社 , 仁弗 巴尔特克纳西特爆炸过程和防护措施「 北京 化学工业出版社 , 【 〕 , 压 〕 ‘拓 第期徐景德 我国煤矿瓦斯爆炸的研究现状与发展方向 块 哭 即 弘币 , 关 〕 二 「 〕煤科院抚顺分院 “ 八五 ” 国家科技攻关项目报告 〔 项目编号 一 一刊〕一 一 〔煤科院重庆分院 “ 八五 ” 国家科技攻 关项目报 告自动隔爆装置限制煤尘爆炸传播的研究 , 「 王从银瓦斯爆炸火焰高内聚力与火焰传播机理 研究〔中国矿业大学博士学位论文 【 〕黄军涛 、 气体混合物燃烧波爆燃 、爆震 转挽与过渡特性的数值研究【东北 大学硕士学位论 文 , 沈阳 , 【 〕林柏泉 瓦斯爆炸过程中火焰传播规律及其加速 机理的研究谋炭学报 ,, 一 「 徐景德矿井瓦斯爆炸传播规律及影响因素研究 【」中国矿业 大学北京校区博士学位论文 “ 加门 关 刃 俪 , 留 , 二 朋 概 拓肛 扒 ” 肠玫 以 , 〕 初 〕眼 印 司 晚 , , 肥 ,, 沮