煤与瓦斯突出冲击波传播规律的研究.pdf

2 0 0 7 年 1 O 月 矿 业安 全 与环保 第3 4 卷第5 期 煤与瓦斯突出冲击波传播规律的研究 张强， 孙玉荣， 王晓勇， 谭 国龙 煤炭工业济南设计研 究院有限公司， 山东 济南 2 5 0 0 3 1 摘 要 煤与瓦斯突出严重威胁井下安全生产。研究突出后气流流动和冲击作用机制对突出发生 后抗灾防护和灾变通风工作有着重要的意义。分析 了理想状态下冲击波的传播规律 ， 建立传播模型 ， 并 根据突出的能量， 推导出超压与传播距离之间的关系方程， 从而为实际状态下冲击波传播规律的研究奠 定基础。 关键词 煤与瓦斯突 出； 冲击波； 传播规律 中图分类号 T D 7 1 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 c r 7 0 5 0 0 2 1 0 3 煤与瓦斯突出对井下安全生产具有严重的威 胁。随着矿井开采深度增加 ， 开采地质条件复杂 ， 突 出带来 的深部矿井安全问题将愈加 明显。在 目前无 法治本的前提下， 研究突出后气流流动和冲击作用 机制对突出发生后抗灾防护和灾变通风工作有着重 要 的意义。 1 煤与瓦斯突出冲击波伤害假设 煤与瓦斯突出事故的过程非常复杂， 为了建立 既合理可靠 ， 又简单实用的煤与瓦斯突出事故的伤 害模型， 提出适合于煤与瓦斯突出冲击波伤害假设， 主要包括 1 直线性假设假设 巷道 的延伸是直线性 的， 在最后的计算结果中， 根据巷道的弯道和支道对冲 击波传递的影响， 加以修正。 2 冲击波源假设 将煤与瓦斯突出地点假设 为 1 个点 ， 并且沿途不会发生瓦斯爆炸现象。假定 突出的碎煤 、 粉煤完全被瓦斯气流带走 ， 并不影响突 出的发展 。 3 一致性假设巷道 的支护形式 、 断面、 延伸 的方向等均一致。 4 井巷壁刚性假设井巷假设为刚性体 ， 即冲 击波在巷道上的反射为 1 0 0 ％。 收稿日期- 2 0 0 7 0 3 0 5 作者简介 张 强 1 9 8 o _ - ， 男， 山东 淄博人， 硕士研究 生， 助理工程师， 从事煤矿设计工作及煤矿 瓦斯 防治研 究。 Ema i l s d b e s t 1 6 3． e o m。 2 煤与瓦斯突出冲击波传播规律的研究 2 ． 1 突出过程的瓦斯膨胀功 根据煤与瓦斯突出综合假说， 煤体发生突出时， 膨胀瓦斯 的内能属于多变过程 ， 最后接近绝热过程。 在不考虑瓦斯粉碎煤 、 摩擦产热和粉煤一瓦斯 能量 之间交换能量时， 瓦斯压力从 P 衰减至大气压力 P 。 ， 体积从 膨胀至 ， 对空气介质所做的膨胀功 为[ 一 2 f p d J V 由绝热条件得 P P o 2 式中 为参 加突出过程做功 的吨煤 瓦斯量 ， l l l 3 ／ t ； 凡 为 绝热指数， 一般取 1 ． 2 5 ； P 。为大气压力， 取 0 ． 1 MP a ； P 为突出前瓦斯压力 ， MP a 。 将式 2 代人式 1 ， 得到突出过程中吨煤对空 气介质所做的膨胀功 [ P o 一 1 】 3 设突出强度为 G， 则突 出过程 中瓦斯所做的膨 胀功为 W w G 4 2 ． 2 突出冲击波模型的建立 在采掘工作面的正常生产中， 巷道空气流动处 于一种未扰动状态 ， 由于煤与瓦斯 突然从煤壁抛 出 突出、 压出或倾出 ， 如同一个巨大活塞， 以很高的 速度冲击压缩巷道 内的空气， 使其压力、 密度、 温度 突跃， 紧靠着煤和瓦斯突出分界面的气体先受压， 然 后这层气体又压缩下一层相邻气体， 使下一层气体 21 维普资讯 2 0 0 7 年 1 O 月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 4卷第5 期 压力升高 ， 这样层层传播 下去 ， 最终可 以得到井下巷 道煤与瓦斯突出模 型， 如图 1 a ’ 所示。当突 出发 生时， 速度快 、 压力大 ， 冲击波厚度很小 ， 根据对矿井 研究的要求 ， 也可以把它假设成一条直线 ， 如图 1 b 所示 。 p0 b l 一粉煤和 瓦斯混合物； 2 ～粉煤和 瓦斯混合物与空气分界 面 渡尾 ； 3 ～空气压缩区； 4 一波 头； 5 一巷道 未扰 动区。 图 1 冲击波的形成模型 从突出冲击波压力波形看 出， 它同炸药 、 挥发性 气体爆炸的形成及结构是不同的， 如图2 a 所示。 后者是在内部气体突然 向外膨胀时 ， 周围空气受 到 猛烈压缩 ， 在波头产生压力 突跃 ， 即 冲击波 ， 如 图 2 b 所示 。 因为爆炸气体从爆炸 中心高速流 出及惯 t ／ s a 突 出压力波形 f b 爆炸压力波形 图2 煤与瓦斯突出冲击压力随时间的变化关系 2 2 性作用， 使气体过膨胀并产生吸力。在传播过程中 压 力波形是在一个急剧 压力间断之后 ， 跟着一个 正 压桕和负压相。而突出产生的压力波由于粉煤快速 地解吸瓦斯 ， 因而在压力波传播过程 中始终是正相。 这也是突出波与爆炸波的主要区别。 2 ． 3 突出冲击波的理论分析 根据简化的冲击波模型计算 ， 只考虑冲击波前、 后 的状态 ， 由于冲击波极薄 ， 认为煤粉一瓦斯与巷道 等物体的热交换和摩擦小到可以忽略不计 ， 因此 ， 从 突跃过程的起始状态到终止状态， 考虑以理恕的气 体膨胀研究突出后产生的冲击波问题 。假定 1 突出前 ， 井下巷道空气流速相对突出气流的 初压为零， 此时空气压力为 P 。 ， 密度为 ， 温度为 T o ； 冲击波阵面空间坐标以突出点为坐标原点， 距离 以 表示 ， 在波阵面上压力为 P ， 密度为 10 。 ， 气流速 度为 M l 5 j ， 则 一Po _ 2 p 0 川 D 2 一 軎 p D k 1 UI k 一 1 c ／ D 一 5 式中 c 为音速 ； D为 冲击波阵面的速度 ； k为气体 压缩系数 ， 即用来衡量实际气体接近理想气体程度 的参数 ， 近似取 1 ． 0 5 。 2 如图 1 所示 ， 在突 出过程 中， 被粉煤 一 瓦斯 所吸卷的气体 ， 其质量都集中在波阵面附近厚度为 △ 的薄层内， 并认为等于波阵面上 的密度 10 。 ， 则在 薄层 △ 内的质量 m等于原来巷道面积为 、 长度为 的巷道空气的质量 ， 即 m S Ax p l 0 6 3 在薄层 △ 内的气流速度等于波阵面上的气 流速度u 。 ， 薄层内部的压强为 P ， 同时令其等于波阵 面上压强的 a倍 ， 在薄层气流中建立冲量方程 吣 5 p 。 S a p - 一P o 7 将式 5 、 式 6 代入式 7 ， 得 d [ S x p 。 1 一 2a po D 一2 一 2 ] 8 又知 D ， 其中 d x为冲击波阵面 的速度。 已知 P 。1 0 。 c ／ ， 简化式 8 得 维普资讯 2 0 0 7 年1 O 月 矿 业安 全 与环保 第3 4 卷第5 期 二 d 。 一 d 9 O 1 C 0 _ 口 【 - 一 軎 吾 】 一 从安全角度 考虑 ， 假设 突出为强 冲击 ， 即认为 C o 0， p 一p 。 p ， 则式 9 可简化为 一 1 0 D 积分得到 D C l 一 ‘ 一 1 1 式中 C 。 为积分常数。 在不考虑其他能量损失时 ， 瓦斯膨胀对 空气介 质做功应等于波阵面运动的动能和波阵面薄层包围 空气的内能 ， 即 删 脚 1 2 将式 5 代人式 1 2 ， 考虑强冲击得 2 S p 】 c _2 l 在不考虑能量损失 的情况下 ， 瓦斯膨胀 做功的 能量是常数 ， 与 大小无关 ， 故 一2 1一a 10 ， 口 1 ／ 2 ， 则 c 。 圭 【 】 吉 由式 1 1 得 。 _ c 1 t 童 【 】 吉 一 { 对面d x D C 1, x-吉积分得到 3 c 。 了2 扎 e { t吾 1 3 式 中e 【 】 专 。 突出后 ， 冲击波在巷道内产生 的超压 A p由公式 5 得 P lP 02 』D 0 c ／ [ k1 ]P 0 IV／ S x △ p p 。 一p 。 一 1 4 式 中 。 2 D M - 式 中 【 1 5 3 煤与瓦斯突出冲击波实际情况下衰减规律 对于理想情况下的各种距离的计算是 比较简单 的。在实际情况下， 其超压随巷道转弯、 交叉、 断面 变化 增大、 缩小 等会衰减 ， 同时， 其 值也会随距离 的增大而出现衰减 。 根据文献[ 7 ] 中对冲击波遇障碍物衰减系数的 分析 ， 引用 1个例子来说 明衰减 的计算 过程 。假设 突出发生在石门揭煤时 ， 井下生产 系统已经确定 ， 即 作业方式、 巷道变化情况给定， 突出示意图见图 3 。 图3 石门揭煤发生突出简图 首先选定要计算的冲击波传播的线路； 然后根 据巷道的变化情况确定 冲击波 的衰减 系数 ； 最后根 据线路的长度计算选定点的超压 以及确定冲击波的 伤害破坏情况。 4 结语 在参考前人对突出冲击波传播规律研究的基础 上 ， 结合煤与瓦斯突出冲击波的特点 ， 分析了理想状 态下冲击波的传播规律， 建立了传播模型， 并根据突 出的能量， 推导出了超压与传播距离之间的关系方 程 ， 可为煤与瓦斯 突出发生后的抗 灾防护和安全距 离的设置提供参数和依据。 参考文献 [ 1 ]中国矿业大学瓦斯组． 煤和瓦斯突出的防治[ M] ． 北京 煤炭工业出版社， 1 9 7 9 5 5 5 6 ． [ 2 ]俞启香． 矿井瓦斯防治技术[ M] ． 徐州 中国矿业大学出 版社 ， 1 9 9 0 8 78 9 ． [ 3 ]程五一． 煤与瓦斯突出冲击波阵面传播规律的研究[ J ] ． 煤炭学报， 2 O O 4 ， 2 9 1 5 7 6 0 ． [ 4 ]程五一． 煤与瓦斯突出冲击波的形成及模型建立[ J ] ． 煤 矿 安全 ， 2 0 0 0 9 2 3 2 5 ． [ 5 ]张连玉， 汪令羽， 吴维． 爆炸气体动力学基础[ M] ． 北京i 北京工业学院出版社， 1 9 8 7 3 7 0 3 7 4 ． [ 6 ]秦朝葵， 高顶云． 天然气压缩因子的计算与体积计量[ J ] ． 天然气工业， 2 0 0 3 ， 3 2 6 3 2 3 7 ． [ 7 ]张甫仁． 矿山瓦斯爆炸重大危险源辨识及评价技术研究 [ D] ． 焦作 焦作工学院， 2 O 0 2 ． 责任编辑 吕晋英 2 3 维普资讯