1　引　言

　　我國煤礦瓦斯大，瓦斯涌出強(qiáng)度高，危險(xiǎn)性較大。大中型煤礦中，高瓦斯礦井占20.34%；小型煤礦中，高瓦斯礦井占15%左右。隨著開采深度的增加，機(jī)械化程度的提高，開采強(qiáng)度的增大，瓦斯涌出量就會(huì)進(jìn)一步增大；那么，瓦斯災(zāi)害的治理越來越成為煤礦災(zāi)害防治的重點(diǎn)。因此，在煤礦安全事故中，瓦斯爆炸事故一直是煤礦最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。2004年10月20日22:10，鄭煤集團(tuán)大平煤礦突然發(fā)生巖巷特大瓦斯事故，148人遇難；2004年11月28日上午07:10左右，陜西省銅川礦務(wù)局陳家山煤礦發(fā)生一起瓦斯爆炸事故，166人遇難；2005年2月1415:03，遼寧省阜新市孫家灣煤礦發(fā)生一起特大瓦斯事故，死亡人數(shù)214人。

　　從以上幾起近期發(fā)生的影響較大的瓦斯爆炸事故來看，造成大量的人員傷亡和重大財(cái)產(chǎn)損失的原因在于管理漏洞，對發(fā)生瓦斯爆炸后通風(fēng)系統(tǒng)破壞程度不能及時(shí)了解，決策不夠及時(shí)；反過來，當(dāng)決策人員對破壞程度的不同有了了解就有助于救災(zāi)決策，確定要保護(hù)的關(guān)鍵的通風(fēng)構(gòu)筑物，調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)，使爆炸后產(chǎn)生的有害煙流及時(shí)排出，保持通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定、保護(hù)井下人員的安全，從而將重大事故災(zāi)害造成的破壞減少到最低程度。無論對于決策人員還是對于研究人員而言，發(fā)生瓦斯爆炸過程中以及瓦斯爆炸后表征爆炸的壓力場、溫度場和濃度變化規(guī)律和衰減規(guī)律的參數(shù)的獲得都較難。

　　因此，在掘進(jìn)工作面瓦斯的聚積位置、濃度、體積確定的條件下，研究瓦斯爆炸后超壓、溫度和瓦斯?jié)舛鹊淖兓⑺p規(guī)律，瓦斯爆炸對通風(fēng)設(shè)施的破壞效應(yīng)及對通風(fēng)系統(tǒng)的破壞作用和影響范圍，以及由此而導(dǎo)致的有毒氣體的蔓延規(guī)律和產(chǎn)生的風(fēng)流紊亂定量分析，對于減少瓦斯爆炸災(zāi)害對人員的傷亡、建立健全有效可行的瓦斯爆炸災(zāi)害預(yù)防處理計(jì)劃和救災(zāi)決策具有十分重要的意義。

　　2　瓦斯爆炸機(jī)理

　　瓦斯爆炸事故是經(jīng)濟(jì)損失最大、人員傷亡最多的事故，也是造成社會(huì)影響最大的重特大事故。有效防止瓦斯爆炸事故是改善我國煤礦安全狀況的重中之重〔1〕。要想了解瓦斯爆炸沖擊波在巷道中的衰減規(guī)律和對井下構(gòu)筑物或障礙物的破壞作用，就必須首先了解瓦斯爆炸的傳播機(jī)理。

　　2.1　掘進(jìn)巷道瓦斯爆炸的基本模型

　　(1)物理模型建立的條件。①本文討論的瓦斯爆炸發(fā)生在一端封閉、一端開口的平直掘進(jìn)巷道中，初始狀態(tài)為常溫、常壓，聲速為當(dāng)?shù)芈曀?。以點(diǎn)源來點(diǎn)燃爆炸，點(diǎn)燃位置位于巷道的封閉端；②為研究方便，假設(shè)壁面光滑且剛性。爆炸沖擊波一般是在擾動(dòng)區(qū)內(nèi)在與壁面的相互作用后形成穩(wěn)定激波的；③由于瓦斯爆炸過程中產(chǎn)生的爆炸沖擊波的高速度，爆后形成的混合氣體高溫、高壓，因此，沖擊波在這種介質(zhì)中傳播和衰減時(shí)可忽略質(zhì)量力、粘性和熱傳導(dǎo)，但不是以忽略壓縮性。

　　(2)物理模型的建立。以直的掘進(jìn)巷道為研究對象，發(fā)生瓦斯爆炸時(shí)其作用相當(dāng)于一維管道〔2〕。

　　2.2　傳播途徑

　　礦井瓦斯爆炸的傳播過程屬于可燃性預(yù)混氣體在管道類空間中爆炸的傳播過程。由于傳播過程中的氣體流場的復(fù)雜性和沖擊波的存在，研究這一領(lǐng)域的問題歷來困難重重。對煤礦瓦斯爆炸現(xiàn)象的研究，Riemann首先從理論上推導(dǎo)出可壓縮流體高速度運(yùn)動(dòng)可以產(chǎn)生激波，激波是一個(gè)壓力、密度、溫度發(fā)生突變的間斷面。20世紀(jì)初， Chapman和Jouguest建立了爆轟波傳播的C—J理論〔3〕，即將爆轟波簡化為包含瞬間完成化學(xué)反應(yīng)的間斷面，從而將復(fù)雜的反應(yīng)流體力學(xué)問題轉(zhuǎn)化純流體力學(xué)問題。

　　但C—J理論是建立在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上的，其中兩個(gè)重要假設(shè)是激波波陣面為平面，波陣面后氣體服從理想氣體狀態(tài)方程，這限制了它在氣體爆炸傳播過程中的應(yīng)用。20世紀(jì)40年代提出的著名的ZND模型〔3〕認(rèn)為，爆轟波是由無化學(xué)反應(yīng)的激波和跟隨其后的一個(gè)反應(yīng)區(qū)組成，未反應(yīng)的預(yù)混氣體首先經(jīng)過激波預(yù)壓縮到較高的溫度和密度再經(jīng)過燃燒反應(yīng)區(qū)達(dá)到爆轟波的終態(tài)。ZND模型奠定了爆轟反應(yīng)流體力學(xué)基礎(chǔ)，指出燃燒反應(yīng)區(qū)的傳播不穩(wěn)定性，強(qiáng)烈依賴于反應(yīng)區(qū)的溫度。

　　瓦斯爆炸必須3個(gè)要素:瓦斯?jié)舛?、O2濃度和點(diǎn)火源。瓦斯爆炸是基于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的機(jī)理，單位時(shí)間內(nèi)能量釋放速度極快；在傳播階段，其混合氣體在爆炸沖擊波的高壓壓縮下，存在強(qiáng)烈的熱動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，即快速產(chǎn)熱效應(yīng)。在瓦斯爆炸的傳播過程中，從大量的爆炸試驗(yàn)和理論上都可以證明:在大氣壓力和氧氣濃度正常的情況下，瓦斯爆炸不僅取決于瓦斯?jié)舛群屯咚贵w積等因素，還受到爆炸地點(diǎn)環(huán)境氣候參數(shù)、爆炸空間的幾何形狀和參量等多個(gè)約束的影響。在瓦斯爆炸過程中存在著復(fù)雜的氣體流場，存在著激波；同時(shí)存在著劇烈的燃燒現(xiàn)象和空氣動(dòng)力突躍現(xiàn)象。因此，瓦斯與空氣的混合氣體爆炸傳播實(shí)際上是沖擊波與燃燒過程的耦合。

　　2.3　傳播機(jī)理〔4〕

　　爆炸是大量能量在有限體積和極短時(shí)間內(nèi)快速釋放或急驟轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，常分為物理爆炸和化學(xué)爆炸。瓦斯爆炸屬于化學(xué)爆炸，化學(xué)爆炸的一個(gè)重要特性是爆炸火焰的存在。氣體爆炸和燃燒的區(qū)別是:如果火焰的傳播不依賴氣體流動(dòng)速度，即在火源已經(jīng)停止作用的情況下火焰仍可能傳播，則這種過程就是燃燒。瓦斯爆炸是指火焰從火源占據(jù)的空間不斷地傳播到爆炸混合氣體所在的整個(gè)空間的過程。礦井瓦斯爆炸屬于以甲烷為主的可燃性氣體和空氣組成的爆炸性混合性氣體在火源引發(fā)下發(fā)生的一種迅猛氧化反應(yīng)過程。

　　煤礦瓦斯是一種可燃性爆炸氣體，雖然瓦斯燃燒和瓦斯爆炸生成的最終產(chǎn)物是相同的，而且瓦斯燃燒和爆炸的點(diǎn)火都是基于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理，但是爆炸過程的燃燒速度遠(yuǎn)高于瓦斯的一般燃燒，即其單位時(shí)間內(nèi)能量釋放速度也遠(yuǎn)大于常態(tài)下的瓦斯燃燒過程，深入研究表明，瓦斯爆炸在點(diǎn)火階段結(jié)束以后，其在傳播階段的燃燒本質(zhì)上是瓦斯—空氣混合氣體在爆炸沖擊波高壓壓縮下的燃燒過程。與其他物質(zhì)爆炸的物理和化學(xué)機(jī)制一樣，瓦斯爆炸過程中的快速產(chǎn)熱效應(yīng)是其傳播過程中強(qiáng)烈動(dòng)力現(xiàn)象存在的物質(zhì)基礎(chǔ)〔5〕。

　　2.4　影響范圍

　　2000年9月發(fā)生在貴州水城礦務(wù)局木沖溝煤礦特大瓦斯煤塵爆炸事故，死亡160多人，所產(chǎn)生的沖擊波影響范圍達(dá)9 300 m ，直接經(jīng)濟(jì)損失1 200多萬元?，F(xiàn)場調(diào)研和后來實(shí)驗(yàn)表明，障礙物對爆炸波和火焰的這種加速作用〔6〕，主要是由于在障礙物附近形成高濃度的黏性邊界層，從而導(dǎo)致湍流，湍流使爆炸波和火焰加速，加速的爆炸波和火焰又增強(qiáng)湍流〔7〕，這種正反饋?zhàn)饔檬贡úê突鹧娌粩嗉铀佟Ｔ诖诉^程中，由于火焰在障礙物附近形成高濃度的黏性邊界層作用大于爆炸波在障礙物附近形成高濃度的黏性邊界層，所以，障礙物對火焰的加速作用大于爆炸波的加速作用。而爆炸波和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑龃?，則會(huì)擴(kuò)大爆炸事故的影響范圍。從這個(gè)意義上來說，為了防止瓦斯爆炸，縮小波及范圍，也應(yīng)盡量避免煤礦井下不必要的障礙物的存在。另外，可燃?xì)怏w的爆炸與炸藥爆炸最根本的區(qū)別就是爆源特征。炸藥爆炸可以看作是理想的點(diǎn)源爆炸，能量的釋放是瞬時(shí)的，且爆源的尺寸與爆炸的影響范圍相比表征為一個(gè)點(diǎn)。瓦斯爆炸則不同，爆炸性混合氣體的特征尺寸〔8〕與火焰鋒面可以達(dá)到的最遠(yuǎn)距離相比是不能忽略的，有時(shí)甚至為同一數(shù)量級。

　　這一領(lǐng)域中的研究并不多見，瓦斯爆炸的影響范圍最終會(huì)有多大，產(chǎn)生的地震效應(yīng)到底有多廣泛等問題值得研究。