摘要：瓦斯爆炸傳播規(guī)律是分析爆炸破壞效應(yīng)繼而研發(fā)抑爆減災(zāi)裝置和措施的基礎(chǔ)。在大量典型實(shí)驗(yàn)總結(jié)和理論分析的基礎(chǔ)上，分析瓦斯爆炸火焰波和前驅(qū)沖擊波的傳播規(guī)律及其衰減規(guī)律的相似性，即先加速后再減速傳播。最終火焰波以正常層流預(yù)混氣體燃燒速度傳播，前驅(qū)沖擊波衰減為聲波。另外，實(shí)際參與反應(yīng)的瓦斯量是影響瓦斯爆炸火焰波傳播規(guī)律認(rèn)識(shí)的重要因素。

關(guān)鍵詞：瓦斯爆炸；衰減；火焰波；沖擊波

煤礦瓦斯爆炸是影響煤礦安全生產(chǎn)最主要的災(zāi)害事故。根據(jù)事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，瓦斯爆炸事故主要發(fā)生在采煤工作面和掘進(jìn)工作面附近?；诖耍懻摲e聚在獨(dú)頭巷道閉口端的瓦斯一空氣爆炸性混合氣體在點(diǎn)火源作用下的瓦斯爆炸傳播，并不向爆轟轉(zhuǎn)變，涉及瓦斯爆炸火焰波和前驅(qū)沖擊波的傳播及衰減規(guī)律。

1 理論分析

研究的物理模型如圖1所示。

圖1 煤礦瓦斯爆炸物理分析模型



沖擊波和強(qiáng)爆轟渡不能自持傳播，要靠后方活塞驅(qū)動(dòng)，才能維持一定的波速。一旦活塞減速甚至停止運(yùn)動(dòng)，從活塞界面發(fā)出的稀疏波趕上沖擊波陣面，使它衰減下來(lái)。對(duì)于沖擊渡怎樣衰減為聲波的嚴(yán)格解析研究非常困難，但可以利用根據(jù)渡強(qiáng)度變化方程推導(dǎo)出的沖擊渡渡陣面上物理量衰減的漸近規(guī)律來(lái)分析渡衰減過(guò)程的漸近性態(tài)。

沖擊渡波陣面上物理量衰減的漸近規(guī)律可表示為：









式中：u，P，ρ分別表示介質(zhì)的速度、壓力和密度；c和γ分別表示聲速和絕熱指數(shù)；下標(biāo)為0的表示渡前狀態(tài)，下標(biāo)為J的表示CJ狀態(tài)；x_s和x₀分別表示t和t₀。時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)在跡線上的位置。

以式(1)為例，



平面沖擊波的波陣面跡線x_s離任何一條斜率為c₀的直線越來(lái)越遠(yuǎn)，即x_s(t)不存在任何漸近線，平面沖擊波只有在時(shí)間趨于無(wú)窮大或距離趨于無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)才能衰減為聲波。另外，在此處的分析僅僅考慮了稀疏波的弱化作用，對(duì)于煤礦井下瓦斯爆炸沖擊波傳播規(guī)律的研究還需要考慮流體的黏性和巷道邊界作用等其他影響因素。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 火焰波傳播規(guī)律分析

對(duì)煤礦瓦斯爆炸火焰波傳播規(guī)律的理解是認(rèn)識(shí)煤礦瓦斯爆炸的關(guān)鍵，因?yàn)榛鹧娌▊鞑ヒ?guī)律直接影響著前驅(qū)沖擊波的強(qiáng)度和傳播規(guī)律，決定著瓦斯爆炸的破壞強(qiáng)度。

目前，對(duì)火焰波傳播規(guī)律的認(rèn)識(shí)主要有兩種觀點(diǎn)：一是火焰波加速傳播達(dá)到某一臨界速度，并最終以此速度向前傳播直至耗盡瓦斯；另一種觀點(diǎn)是火焰波在消失之前會(huì)經(jīng)歷加速和減速兩個(gè)階段。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于火焰波傳播規(guī)律的認(rèn)識(shí)與實(shí)驗(yàn)本身?xiàng)l件有密切的關(guān)聯(lián)，實(shí)驗(yàn)可分為兩類：一類是采用真實(shí)煤礦巷道的全尺寸實(shí)驗(yàn)；另一類是小尺寸管道實(shí)驗(yàn)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)所用瓦斯量也有區(qū)別，一種是將一定濃度瓦斯氣體充滿整個(gè)實(shí)驗(yàn)腔體，這種情況主要集中在小尺寸的管道實(shí)驗(yàn)；還有一種就是在局部充填瓦斯。現(xiàn)選取兩組非常典型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)分別來(lái)源于參考文獻(xiàn)[3]和[4]，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別繪出圖2和圖3，2個(gè)圖都顯示火焰波經(jīng)歷先加速、再減速的傳播過(guò)程。文獻(xiàn)[3]實(shí)驗(yàn)采用真實(shí)的煤礦巷道，實(shí)驗(yàn)巷道長(zhǎng)896m，斷面積為7.2m²，在閉口端局部充填定量瓦斯混合氣體(100m³和200m³)，火焰波因瓦斯耗盡而消失，火焰波的最終傳播狀態(tài)未能在圖上體現(xiàn)；文獻(xiàn)[4]實(shí)驗(yàn)采用小尺寸的實(shí)驗(yàn)管道．管道為長(zhǎng)24m的方管，管內(nèi)充滿瓦斯混合氣體，受實(shí)驗(yàn)管道長(zhǎng)度的限制，火焰波的最終傳播狀態(tài)也未能在圖上體現(xiàn)。結(jié)合2個(gè)實(shí)驗(yàn)，不管是全尺寸巷道實(shí)驗(yàn)還是小尺寸管道實(shí)驗(yàn)，實(shí)際參與反應(yīng)的瓦斯量都是影響瓦斯爆炸火焰渡傳播規(guī)律認(rèn)識(shí)的重要因素。

圖2 火焰波速度隨傳播距離變化曲線



圖3 火焰波速度隨障礙物數(shù)量和傳播距離變化曲線



從圖2和圖3中可以看到，火焰波在經(jīng)歷加速階段后并沒(méi)有以某恒定速度傳播。從能量守恒的觀點(diǎn)來(lái)看，當(dāng)火焰波在能量獲取和消耗上達(dá)到平衡狀態(tài)，此平衡狀態(tài)又能夠得到維持，火焰波會(huì)以恒速傳播。但是在實(shí)際過(guò)程中，這種平衡是脆弱的，這是因?yàn)橛绊懟鹧娑蓚鞑顟B(tài)的因素有很多，如壁面熱損失、障礙物的存在、反應(yīng)產(chǎn)物膨脹產(chǎn)生的稀疏波以及二次沖擊波都會(huì)影響火焰波的傳播狀態(tài)；另外，火焰波是在前驅(qū)沖擊波擾動(dòng)后的區(qū)域傳播，火焰波的波前狀態(tài)也影響著火焰波的傳播規(guī)律，使前驅(qū)沖擊波和火焰波在傳播過(guò)程中互為影響，形成一種不穩(wěn)定的爆炸傳播狀態(tài)。所以當(dāng)火焰波在初始階段加速達(dá)到某一臨界速度之后，此臨界狀態(tài)很難維持，此時(shí)自于單位時(shí)間參與反應(yīng)的瓦斯量減少，使能量釋放相應(yīng)減少，火焰波開(kāi)始減速傳播。同時(shí)，火焰波和前驅(qū)沖擊渡之間距離和氣體體積的不斷增加，前驅(qū)沖擊波對(duì)火焰渡和前驅(qū)沖擊波之間氣體狀態(tài)的影響減弱，可以將前驅(qū)沖擊波對(duì)火焰渡前氣體狀態(tài)的影響忽略。此時(shí)，火焰波減速到層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)量級(jí)，并以此速度恒速傳播直至耗盡瓦斯，完成從爆炸向?qū)恿黝A(yù)混氣體正常燃燒的轉(zhuǎn)變。

根據(jù)以上分析，完整的瓦斯爆炸火焰波傳播經(jīng)歷3個(gè)階段：首先，火焰渡加速至峰值速度(ν_峰值)；在第二階段，火焰渡加速至峰值速度后，隨即減速傳播至某一速度(ν_燃燒)，此速度可看作是層流預(yù)混氣體正常燃燒速度，這時(shí)可以將前驅(qū)沖擊波對(duì)火焰渡前氣體狀態(tài)的影響忽略，完成瓦斯爆炸向?qū)恿黝A(yù)混氣體正常燃燒的轉(zhuǎn)變；在第三階段，火焰波以燃燒速度(ν_燃燒)恒速傳播直至耗盡瓦斯。火焰渡傳播變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

圖4 火焰渡傳播變化趨勢(shì)



2.2 前驅(qū)沖擊波傳播規(guī)律分析

根據(jù)火焰渡的存在與否，前驅(qū)沖擊波的傳播可分為有能量支持的前驅(qū)沖擊波傳播階段和沒(méi)有能量支持的惰性沖擊渡傳播階段。前驅(qū)沖擊波的傳播規(guī)律受到火焰渡的傳播狀態(tài)的密切影響，表現(xiàn)出與火焰波相似的傳播規(guī)律，即開(kāi)始階段，前驅(qū)沖擊波壓力和速度不斷加強(qiáng)，隨著火焰波傳播速度到達(dá)峰值后減速傳播，前驅(qū)沖擊波的壓力和速度也開(kāi)始減弱。此外，缺乏足夠能量支持的前驅(qū)沖擊波還要承擔(dān)克服巷道摩擦阻力、壁面散熱、壓縮波前氣體和稀疏波弱化作用所產(chǎn)生的能量損失，導(dǎo)致前驅(qū)沖擊波在經(jīng)歷加速階段之后減速傳播。火焰波消失后，前驅(qū)沖擊波傳播演變?yōu)闆](méi)有能量支持的惰性沖擊波傳播，惰性沖擊波的壓力和速度的下降趨勢(shì)更為明顯，最終沖擊渡壓力下降到當(dāng)?shù)卣４髿鈮毫?p_大氣壓)，傳播速度衰減為聲速(ν_聲速)。前驅(qū)沖擊波傳播變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

圖5 前驅(qū)沖擊波傳播變化趨勢(shì)



對(duì)于惰性沖擊渡的傳播規(guī)律，文獻(xiàn)[5]利用準(zhǔn)定常流動(dòng)來(lái)處理惰性沖擊波，在沖擊波兩側(cè)建立3個(gè)基本方程(質(zhì)量方程、動(dòng)量方程和能量方程)，主要考慮惰性沖擊波在傳播過(guò)程中不斷在加熱壓縮渡前氣體所導(dǎo)致的能量損失，運(yùn)用相關(guān)假設(shè)進(jìn)行理論推導(dǎo)并得出如下結(jié)論：

1)惰性沖擊波參數(shù)的衰減規(guī)律與傳播距離及時(shí)間存在著非線性關(guān)系，惰性平面沖擊波超壓要比沖擊渡后氣流速度衰減得快，也要比沖擊波速度衰減得快，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)的情況相符。

2)惰性沖擊波衰減規(guī)律的理論推導(dǎo)過(guò)程中，主要考慮了惰性沖擊渡在傳播過(guò)程中不斷加熱壓縮渡前氣體所導(dǎo)致的能量消耗，使理論推導(dǎo)出的參數(shù)衰減與實(shí)際相比衰減得要慢。說(shuō)明只考慮沖擊波加熱壓縮波前氣體所導(dǎo)致的能量消耗不足以描述實(shí)際情況。但考慮多因素對(duì)惰性沖擊波傳播衰減規(guī)律影響的解析研究將非常困難，這也體現(xiàn)了數(shù)值模擬在研究惰性沖擊波傳播衰減規(guī)律的重要性。

3 結(jié)論

在總結(jié)大量典型實(shí)驗(yàn)和理論分析的基礎(chǔ)上，分析了瓦斯爆炸火焰渡和前驅(qū)沖擊波的傳播規(guī)律，具體可概括為：煤礦瓦斯爆炸火焰波和前驅(qū)沖擊波都表現(xiàn)出相似的傳播衰減規(guī)律，都經(jīng)歷先加速后減速傳播，最終火焰波以層流預(yù)混氣體正常燃燒速度傳播，前驅(qū)沖擊波衰減為聲波，但火焰波和前驅(qū)沖擊波在傳播距離和存在時(shí)間上有很大的差異；另外，實(shí)際參與反應(yīng)的瓦斯量是影響瓦斯爆炸火焰渡傳播規(guī)律認(rèn)識(shí)的重要因素。由于影響煤礦瓦斯爆炸傳播規(guī)律因素的多樣性、復(fù)雜性，以及影響因素之間互相耦合性，對(duì)于煤礦瓦斯爆炸傳播規(guī)律還需進(jìn)一步研究。