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瓦斯爆炸衰減規(guī)律和破壞效應(yīng)

  
評論: 更新日期:2012年03月26日

  3 瓦斯爆炸的破壞效應(yīng)

  瓦斯爆炸的破壞和傷害體現(xiàn)在爆炸的傳播過程中。實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場勘察表明,瓦斯爆炸產(chǎn)生的致命危險(xiǎn)因素有:火焰鋒面的高溫灼燒、爆炸沖擊波的超壓破壞及作用時(shí)間和井巷內(nèi)有毒有害氣體成分的變化。

  爆炸過程,特別是高能量爆炸中產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊波在擊碎地質(zhì)介質(zhì)〔9-10〕的同時(shí),也往往危及到爆炸源附近一定范圍內(nèi)地下工程的穩(wěn)定與安全。某直墻拱形地下巷道(錨支)在一次較大當(dāng)量的爆炸事件中發(fā)生了大范圍的坍塌,破壞總長度超過100 m,巷道完全報(bào)廢。根據(jù)文獻(xiàn)資料,火焰速度<100 m/s時(shí)所產(chǎn)生沖擊波可近似處理成聲波,引起的結(jié)構(gòu)破壞較??;一旦火焰加速達(dá)到200 m/s時(shí)則會引起嚴(yán)重的湍流效應(yīng),這種高速火焰的壓力波引起的爆炸波的破壞效應(yīng)與爆轟波產(chǎn)生的破壞效應(yīng)相當(dāng),產(chǎn)生構(gòu)破壞程度很大。究其原因,則是由于在瓦斯爆炸過程中,瓦斯被點(diǎn)燃后,燃燒產(chǎn)物膨脹,火焰陣面前形成沖擊波,并壓縮未反應(yīng)的混合物,這種沖擊波陣面到火焰陣面之間面積收斂,形成了較大的附加壓縮,其最終的流場性質(zhì)從沖擊波到火焰是逐漸增加的。火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱?,沖擊波陣面到火焰陣面之間面積收斂越急劇,超壓值就越大,引起的破壞效應(yīng)越大;同時(shí),瓦斯爆炸的破壞效應(yīng)體現(xiàn)在傳播階段。因此,掌握瓦斯爆炸傳播階段的力學(xué)變化特征及物理機(jī)制,對于制定瓦斯阻隔爆措施、查清事故原因,具有理論和實(shí)踐意義。瓦斯爆炸的點(diǎn)火階段是外界火源誘發(fā)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程,其反應(yīng)速度以指數(shù)函數(shù)形式遞增,燃燒迅速從火源附近擴(kuò)張到整個(gè)巷斷面,形成爆炸波的初始條件。實(shí)驗(yàn)和理論分析均表明〔11-13〕,點(diǎn)火階段在瓦

  斯爆炸過程中所占時(shí)間極短,瓦斯爆炸事故的時(shí)間主要體現(xiàn)在傳播階段。從傳播空間上,瓦斯爆炸的傳播可分為含瓦斯氣體和一般空氣2個(gè)區(qū)域中傳播。在含瓦斯氣體區(qū)域,瓦斯爆炸傳播的物理機(jī)制是:點(diǎn)火階段形成的高溫、高壓氣體迅速向遠(yuǎn)離火源方向沖擊,高溫高壓氣體與前方氣體之間在壓力、溫度、速度等物理參數(shù)上存在突變,即數(shù)學(xué)間斷,表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)效應(yīng),兩種氣體的接觸面為前驅(qū)沖擊波的波陣面。緊隨前驅(qū)沖擊波后面的是火焰波陣面,火焰波陣面實(shí)際上是在已受擾動(dòng)的氣體中傳播,而火焰波后面的氣體則與火焰區(qū)有顯著差異。因此,這一階段的爆炸沖擊波結(jié)構(gòu)是前驅(qū)沖擊波波陣面和火焰波陣面的雙波三區(qū)結(jié)構(gòu),由于火焰波不斷補(bǔ)充能量,前驅(qū)沖擊波的壓力、波速是處于遞增狀態(tài)。在這一階段,火焰?zhèn)鞑ニ俣?Vf)、前驅(qū)沖擊波的最大壓力(pq)是表征瓦斯爆炸傷害與破壞效應(yīng)的重要參數(shù)。由于前驅(qū)沖擊波的壓縮效應(yīng),波后氣體與波前氣體存在密度差,根據(jù)波動(dòng)理論,在前驅(qū)沖擊波傳播的同時(shí),存在氣體的膨脹波以當(dāng)?shù)芈曀傺仄浞捶较騻鞑?。在一般空氣區(qū)域,瓦斯氣體燃燒完,火焰波消失,爆炸波演變?yōu)橐话憧諝鉀_擊波,傳播階段,由于摩擦、巷道壁面的吸熱,沖擊波的壓力、溫度、速度參數(shù)沿傳播方向呈衰減狀態(tài),最終恢復(fù)至正常大氣參數(shù)。在這一階段,氣體沖擊波的沖量(Is)、波陣面的超壓(Δp)是決定其傷害與破壞的關(guān)鍵因素。

  煤礦瓦斯爆炸的屬性一般為爆燃過程。但在一定條件下(瓦斯?jié)舛确植紬l件、引爆方式和強(qiáng)度、瓦斯爆炸空間幾何特性〔8〕等) ,有可能發(fā)展為爆轟過程。煤礦巷道發(fā)生爆燃,其主要破壞特征是熱破壞效應(yīng),機(jī)械破壞作用較為有限,但一旦發(fā)生瓦斯爆轟,出現(xiàn)激波,其形成的爆壓、爆溫、爆速對礦井的破壞效應(yīng)比爆燃要大得多,慘重得多?;鹧媾c超壓之間的相互關(guān)系是:沖擊波陣面的強(qiáng)度與火焰的傳播速度有關(guān),火焰速度<100 m/s時(shí),超壓較小。由于超壓是反映沖擊波陣面強(qiáng)度的重要指標(biāo),因此,當(dāng)火焰速度<100 m/s時(shí),反映出沖擊波陣面強(qiáng)度較弱;一旦火焰速度超過200 m/s ,超壓明顯增大,沖擊波陣面的強(qiáng)度提高。在瓦斯爆炸過程中,瓦斯被點(diǎn)燃后,燃燒產(chǎn)物膨脹,火焰陣面前形成沖擊波,并壓縮未反應(yīng)的混合物,沖擊波陣面到火焰陣面之間面積收斂,形成了較大的附加壓縮,其最終的流場性質(zhì)從沖擊波到火焰是逐漸增加的。火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?,沖擊波陣面到火焰陣面之間面積收斂越急劇,超壓值就越大,引起的破壞效應(yīng)就可能越大。對于煤礦井下來說,則會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失以及人員傷亡的增大。

  瓦斯爆炸沖擊波對通風(fēng)設(shè)施的破壞,與沖擊波強(qiáng)弱和目標(biāo)有關(guān)。描述空氣沖擊波破壞效應(yīng)的主要參數(shù)有3個(gè):峰值超壓、正壓作用時(shí)間和沖量。沖擊波峰值超壓表示沖擊波瞬間作用的量,而沖量則表達(dá)出在溫度可達(dá)2 300℃時(shí),沖擊波的峰值壓力會達(dá)到約30×101 325 Pa,而爆炸產(chǎn)物中CO的濃度會達(dá)9%,在極短時(shí)間內(nèi)就會導(dǎo)致人死亡。有時(shí)沖擊波的破壞范圍會達(dá)數(shù)千米,會危及地面安全。正壓區(qū)時(shí)間范圍內(nèi)超壓的持續(xù)作用量,二者對目標(biāo)都起破壞作用,哪一個(gè)起主要作用,要看目標(biāo)對沖擊波破壞載荷接受的情況。沖擊波破壞作用的準(zhǔn)則有3個(gè):超壓準(zhǔn)則、沖量準(zhǔn)則、超壓—沖量準(zhǔn)則。實(shí)驗(yàn)研究表明,當(dāng)正壓區(qū)作用時(shí)間大于10倍的物體自振動(dòng)周期時(shí),物體的破壞可以靠沖擊波峰值超計(jì)算。按超壓準(zhǔn)則,只要沖擊波超壓達(dá)到一定值時(shí),便會對目標(biāo)造成一定的破壞。當(dāng)超壓達(dá)到0.08~0.1 MPa時(shí),能使磚墻倒塌,達(dá)0.1~0.21 MPa時(shí)能使防震鋼筋混凝土破壞。沖擊波對建筑物破壞作用的研究已有成熟的結(jié)果,國家也有關(guān)于建筑物防沖擊波破壞的安全距離的設(shè)計(jì)規(guī)定,但對于煤礦井下通風(fēng)構(gòu)筑物的抗沖擊波強(qiáng)度值,目前還要進(jìn)行理論研究或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)的獲取。

  4 分析討論

  4.1 存在問題

  通過對上述分析研究,瓦斯爆炸的衰減規(guī)律和破壞效應(yīng)方面的研究存在的問題如下:

  (1)當(dāng)瓦斯涌出的濃度、體積、聚積位置確定的條件下發(fā)生瓦斯爆炸時(shí),以往的文獻(xiàn)對由此產(chǎn)生的爆炸沖擊波沿巷道的傳播過程中沖擊波是如何衰減的,壓力場、溫度場、濃度場在時(shí)間、空間上的衰減規(guī)律未做出有效的研究。

  (2)井下掘進(jìn)巷道內(nèi)不同形狀的通風(fēng)構(gòu)筑物材料組成、自振周期等因素各不相同,當(dāng)瓦斯爆炸沖擊波對構(gòu)筑物產(chǎn)生破壞作用時(shí),其破壞機(jī)理如何?在相互作用當(dāng)中,沖擊波的超壓峰值、正壓作用時(shí)間、比沖量等主要參數(shù),以及空氣沖擊波波陣面上的空氣密度、絕對溫度、聲速、空氣質(zhì)點(diǎn)速度、波陣面的傳播速度等參數(shù)的變化及它們的關(guān)系對破壞效應(yīng)的影響如何等問題都需進(jìn)一步研究。

  4.2 分析研究對上述問題主要運(yùn)用數(shù)學(xué)、熱力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)、爆炸動(dòng)力學(xué)等理論〔3,14〕進(jìn)行分析,并與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行研究。

  (1)由于瓦斯爆炸過程當(dāng)中產(chǎn)生高溫和高壓,爆炸的瞬間未爆炸的瓦斯空氣預(yù)混氣體和爆炸后的爆轟產(chǎn)物均可視為理想氣體。應(yīng)用氣體狀態(tài)方程:p1V1T1=p2V2T2,在確定初始條件(p1, V1,T1)和邊界條件的情況下,通過理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究求得p2、V2、T2,即爆炸后的超壓等特征參數(shù);通過對爆炸后產(chǎn)生的膨脹氣體進(jìn)行研究,利用質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律、內(nèi)能方程和輔方程求出爆炸后的超壓、沖量、爆速、正壓作用時(shí)間、氣體溫度等動(dòng)力學(xué)參數(shù)并進(jìn)行比較和驗(yàn)證。

  (2)應(yīng)用氣體動(dòng)力學(xué)和爆炸動(dòng)力學(xué)理論,研究爆炸波特征參數(shù)在掘進(jìn)巷道中的衰減規(guī)律;以及在距爆源一定距離,超壓、溫度、瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)的衰減變化規(guī)律。

  (3)在距爆源一定距離且條件不同的情形下,哪些參量起主導(dǎo)作用,其破壞程度如何?由上述理論分析和實(shí)驗(yàn)研究所獲得的超壓、溫度等參數(shù),研究爆炸沖擊波對形狀、大小、材料、位置、自振周期等性質(zhì)不同的通風(fēng)構(gòu)筑物的破壞。通過理論研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,求得瓦斯爆炸對通風(fēng)系統(tǒng)的破壞效應(yīng),并與事故現(xiàn)場取得的數(shù)據(jù)對比,進(jìn)行印證。在此基礎(chǔ)上研究對通風(fēng)系統(tǒng)以及整個(gè)礦井的影響,為救災(zāi)決策提供依據(jù)。

  5 結(jié) 論

  根據(jù)已有研究和試驗(yàn)結(jié)果研究掘進(jìn)巷道瓦斯爆炸沖擊波傳播規(guī)律和衰減規(guī)律,擬合出有障礙物(通風(fēng)構(gòu)筑物)、半封閉條件下距爆源不同距離的超壓、溫度、濃度等瓦斯爆炸特征參數(shù)之間的關(guān)系式,并根據(jù)前人對轉(zhuǎn)彎、分岔巷道中障礙物對沖擊波傳播影響的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,擬合出公式和驗(yàn)證。通過對沖擊波陣面上超壓△p的大小、沖擊波的作用時(shí)間及作用壓力隨時(shí)間變化的性質(zhì)、構(gòu)筑物所處的位置(即建筑物與沖擊波陣面的相對關(guān)系)、構(gòu)筑物的形狀和大小、構(gòu)筑物的自振周期、其他參數(shù)等因素的研究,確定對構(gòu)筑物的破壞機(jī)理和對通風(fēng)系統(tǒng)破壞效應(yīng)。瓦斯爆炸是一種強(qiáng)烈的氣體燃燒動(dòng)力現(xiàn)象,其中涉及到爆轟物理、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)及流體力學(xué)等多方面的知識,由于這一現(xiàn)象的復(fù)雜性,因此,當(dāng)前仍有許多領(lǐng)域還處于研究探討之中。本文針對煤礦井下巷道環(huán)境中瓦斯爆炸的一些特征進(jìn)行了探討,希望對瓦斯爆炸事故的防治有所裨益。

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