煤礦巷道爆炸沖擊過程障礙物影響研究

摘 要:為揭示煤礦巷道爆炸沖擊壓力傳播規律降低經濟損失和人員傷亡，本文對典型巷道爆炸過程中障礙物對壓力沖擊波傳播影響規律進行了三維有限元分析。結果表明:距離爆炸中心較近的點，壓力在短時間內迅速升高，然后由于沖擊波吸收和向開口端的傳播，壓力迅速下降，下降速率小于升高速率;障礙物的存在，提高了沖擊壓力峰值，距離爆炸中心越近，影響越顯著，距離爆炸中心為10m時，障礙物存在使壓力峰值升高為1.4MPa，約為沒有障礙物時3倍;距離爆炸中心較近時，由于反射作用，存在二次沖擊壓力峰值，二次沖擊壓力具有較大的破壞作用。本研究對安全系統設計和沖擊壓力預測具有重要理論和實際意義。

關鍵詞:爆炸 有限元 沖擊壓力 障礙物

中圖分類號:TD23文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011）11(c）-0059-02

1 引言

據不完全統計，我國平均每年礦難上百起，給人們生活帶來了巨大人員傷亡和經濟損失揭示爆炸過程機理并有效進行預防是改善煤礦安全狀況的重中之重。瓦斯爆炸具有不可復制性、復雜性以及試驗操作不可預料性，獲得爆炸過程壓力傳播的詳細數據并有效降低人員傷亡和經濟損失十分困難。薩文科等通過管道試驗獲得了空氣沖擊波通過巷道分岔和轉彎處的衰減系數，并利用薄膜測壓實驗獲得了沖擊波強度與巷道斷面尺寸和巷道粗糙性的關系。S.Trelat等對爆炸沖擊波與地面和建筑物之間的相互作用機理進行了研究。林柏泉等進行了不同數量障礙物存在條件下瓦斯爆炸傳播實驗，研究瓦斯爆炸火焰在傳播過程中的加速機理及其影響因素。眾多學者借助于計算機模擬和解析方法在瓦斯爆炸沖擊波傳播過程衰減規律方面也進行了大量研究。隨著安全意識提高，加拿大和澳大利亞等國研發了救生球安全艙救生系統，并成功應用于礦難應急，但是安全艙的存在勢必影響爆炸沖擊壓力的分布規律，本文基于有限元動力學理論，利用LS-DYNA軟件，通過合理制定邊界條件、網格劃分、約束加載、材料屬性設定和算法選擇建立了瓦斯爆炸過程三維仿真系統，研究了煤礦巷道中障礙物的存在對沖擊波傳播過程的影響規律，該研究工作對巷道內存在障礙物時的沖擊壓力評估預測以及安全艙設計具有重要理論與實際意義。

2 模擬條件

本文計算所用模型為典型掘進巷道，長度為50m，寬度為3m，高度為2.4m，矩形斷面(斷面面積為7.2m2），巷道一端封閉一端開口，為便于計算，將瓦斯能量等價為炸藥，炸藥放置在對稱中心靠掘進面一端，四周為混凝土。模型具有對稱性，建立1/2巷道有限元模型，如圖1所示。模型劃分的單元數目為238952，節點數目為262566。

試驗巷道截面積為7.2m2，長為50m，取瓦斯積聚量為200m3。巷道內瓦斯濃度為9.5%，由以下公式[8]計算得到等效TNT當量為11.916(kg）。

(1）

式中，(kg）為蒸汽云的TNT當量;(kg)為蒸汽云中燃料的總質量;為蒸汽云當量系數，統計平均值為0.04;(J/kg)為蒸汽的燃燒熱;(MJ/kg）為TNT的爆炸熱，值為4.52。TNT炸藥狀態方程[9]如下:

3 結果與討論

為有無障礙物時距離爆炸中心不同位置點的沖擊壓力-時間曲線。由圖可以看出，爆炸發生時，距離爆炸中心較近的點，爆炸產生壓力在短時間內迅速升高，然后下降，由于周圍混凝土對壓力的吸收使壓力下降速率小于升高速率;距離爆炸中心較遠而離出口端較近的點，隨著爆炸過程的進行，當爆炸波傳播到管道出口時，爆炸產物向外膨脹在空氣中形成沖擊波，同時，隨之產生的稀疏波向管道內傳播，造成管道內壓力下降，該傳播規律符合爆炸產物流動理論。

當距離爆炸中心較近時，由于障礙物的存在阻礙了沖擊波傳播，壓力峰值迅速升高，當距離為10m時有無障礙物的壓力峰值分別為0.46MPa和1.5MPa，障礙物存在使壓力峰值升高了約3倍;隨著障礙物距離爆炸中心距離增加，由于周圍環境對沖擊波的吸收，障礙物對壓力峰值影響減弱，距離為30m時，有無障礙物的壓力峰值分別降低為0.16MPa和0.26MPa，障礙物存在使其壓力升高了約1.5倍;當沖擊波突破障礙物時，壓力峰值迅速下降，靠近爆炸中心的壓力下降速率大于不存在障礙物時的壓力下降速率，而靠近出口端時，由于受到障礙物作用，稀疏波傳播速度降低，使其壓力峰值降低速度小于不存在障礙物的壓力下降速度。

此外，由圖還可以看出，當距離爆炸中心較近時，由于沖擊波的部分反射，存在二次沖擊壓力峰值，當距離爆炸中心為10m時，不存在障礙物條件下，二次沖擊壓力峰值約為0.12MPa，約為一次沖擊壓力峰值的25%，可見，二次沖擊同樣具有較強的破壞力。

距離爆炸中心不同位置的壓力峰值變化。從中可以看出，距離爆炸中心越近，壓力峰值越大，距離爆炸中心越遠，由于周圍環境對沖擊波的吸收使壓力峰值迅速下降，當距離增加接近出口端時，壓力峰值減弱接近大氣壓。因此，障礙物存在使壓力峰值增加明顯，因此存在障礙物條件下，設計安全和逃生系統時，要慎重考慮。

4 結語

本文基于有限元動力學和流體力學理論，依據合理邊界條件和材料方程對典型巷道爆炸過程中障礙物對壓力沖擊波傳播規律進行了三維有限元分析。距離爆炸中心較近的點，壓力在短時間內迅速升高，然后下降，由于周圍混凝土對壓力的吸收使壓力下降速率小于升高速率;距離出口端較近的點，當爆炸波傳播到管道出口時，爆炸產物向外膨脹在空氣中形成沖擊波，同時，隨之產生的稀疏波向管道內傳播，造成管道內壓力下降;障礙物的存在，一定程度上阻礙了沖擊波傳播，壓力峰值迅速升高，距離爆炸中心越近，影響越顯著，距離爆炸中心為10m時，障礙物存在使壓力峰值升高為1.4Mpa，約為沒有障礙物時3倍，障礙物的存在改變了沖擊壓力峰值和衰減規律，在存在障礙物條件下，設計安全和逃生系統時，要慎重考慮;當沖擊波突破障礙物時，壓力峰值迅速下降，靠近爆炸中心的壓力下降速率大于不存在障礙物時的壓力下降速率;距離爆炸中心較近時，由于沖擊波的部分反射，存在二次沖擊壓力峰值，當距離爆炸中心為10m時，二次沖擊壓力峰值約為0.12MPa，約為一次沖擊壓力峰值的25%，二次沖擊壓力具有較大的破壞作用。

參考文獻

[1]C·K·薩文科，A·A·古林.井下空氣沖擊波[M].北京:冶金工業出版社，1979.

[2]楊科之，楊秀敏.坑道內化爆沖擊波的傳播規律[J].爆炸與沖擊，2003.

[3]穆勇.瓦斯爆炸沖擊波在掘進巷道傳播的數值模擬[J].煤炭技術，2008.