煤矿瓦斯爆炸冲击波超压峰值的预测模型.pdf

收稿日期2010- 08- 30 作者简介 孙建华 1966- , 男, 山东日照人, 教授、博士研究生,1989年毕业于黑龙江矿业学院采矿工程专业, 现 在黑龙江科技学院从事教学科研工作。 煤矿瓦斯爆炸冲击波超压峰值的预测模型 孙建华 1 , 2, 赵景礼1, 魏春荣2, 张锦鹏2, 谢 尚2 1中国矿业大学 北京 , 北京100083;2黑龙江科技学院, 黑龙江 哈尔滨150027 摘 要 通过对空气中冲击波超压峰值的理论分析, 基于 TNT 当量法对煤矿巷道内瓦斯爆 炸超压数据进行研究, 建立了煤矿巷道内瓦斯爆炸超压预测模型,并通过与实验测量值的比较, 对模型进行了修正,该预测模型可以为矿井安全设施设计、事故灾害程度评估、安全设施审查提 供理论依据。 关键词 爆炸超压;TNT当量法; 冲击波 中图分类号TD712 7 文献标识码A 文章编号1671- 0959 2011 01 0064 03 M odel to predict overpressure peak ofm ine gas explosion i mpactwave SUN Jian- hua1, 2,ZHAO Jing- li 1, WEI Chun- rong2, Z HANG Jin- peng2,XIE Shang2 1China University ofM ining and Techno logy Beijing,Beijing 100083 ,China; 2Heilongjiang Institute of Science and Technology, Haerbin 150027 ,China Abstract W ith the theoretical analysis on the overpressure peak of the i mpact wave in the air ,base on the TNT equivalent applied to the study on the overpressure data of the gas explosion inmine roadway ,a predictionmodelof the gas explosion overpressure in the mine roadway was established. W ith the co mparison with the experi ment measured values ,the modelwasmodified . The prediction model could provide the theoretical bases to the design of them ine flame proof safety facilities ,he uation of the accidentdisaster degree and the exa m ination of the safety facilities . K eywords explosion overpressure ;TNT equivalent;i mpactwave 煤矿瓦斯爆炸形成的高温、高压气体推动巷道受限空 间内的空气而产生一系列压缩波, 各个压缩波向爆点所在 巷道的两侧传播, 并最终叠加形成冲击波。冲击波相对于 它前面的未扰动空气来说是一个具有很陡的压强、很高的 密度和质点速度以及温度变化的突变锋面, 这个锋面称为 冲击波阵面。波阵面后超过未扰动大气压 P0的这部分压强 称为超压 P, 阵面上最大超压称为超压峰值 Ps。冲击波 对巷道内物体的破坏作用主要是由冲击波超压和冲击波作 用时间来决定的。瓦斯爆炸超压是判断瓦斯爆炸破坏效应 和影响范围以及抗灾减灾的基础, 通过对巷道远端一定距 离范围内冲击波的超压峰值 Ps的预测和合理分析, 可以 采取积极有效的防护措施, 尽量减小空气冲击波超压值。 目前对于甲烷和空气混合物爆炸超压的研究主要有实 验和理论研究方法。理论研究方法主要有 TNT当量法、多 能模型和数值模拟方法。论文根据对 TNT 当量法的分析研 究, 对瓦斯爆炸超压建立了预测模型, 并在文献 [ 5]的实验 数据基础上, 对其进行了修正。 1 冲击波超压峰值的计算 冲击波超压峰值常通过比例距离来表达, 比例距离可 以定义为 Z R 3E 1 式中 R 爆炸远端与爆点之间的距离,m; E 等效 TNT的药量,kg。 Henrych 1979给出的空气中冲击波峰值超压的表达式 为 [ 3] Ps 00662 Z 0405 Z2 0328 Z3 1 Z 10 2 MASadovskyi根据模型相似律理论建立公式, 由试验 确定系数, 得到高爆炸药冲击波峰值超压的表达式为 Ps 0076 Z 0255 Z2 065 Z3 1 Z 15 3 将式 1带入式 2和 3中, 分别得到 64 研究探讨 煤 炭 工 程 2011年第 1期 Ps1 00662 R E 1 3 0405 R 2 E 2 3 03288 R 3 E 3 3 1 Z 10 4 Ps2 0076 R E 1 3 0255 R 2 E 2 3 065 R 3 E 3 3 1 Z 15 5 2 冲击波超压峰值的计算 沼气量转化为 TNT 炸药量 E 的计算公式 E QCH4 VCH4 QT 6 式中 VCH4 沼气体积,m3。 当 TNT 转化率 02 , 爆炸系数 06,TNT 标准炸 药发热量 QT 41868M J/kg ,沼气发热量 QC H 4 460548 M J/kg , 沼气密度 0716kg/m3时 E QC H 4 VC H4 QT 0945VCH 4 7 将式 7带入式 4和式 5, 分别得到二种瓦斯爆炸 冲击波超压峰值与距离 R、体积 V关系的计算公式, 即 当 09813VC H 4 1 3 R 9813VCH 4 1 3时 Ps1 0065 R VCH 4 1 3 039 R 2 VCH 4 2 3 031 R 3 VCH 4 3 3 8 当 09813VC H 4 1 3 R 1472VCH 4 1 3时 Ps2 0075 R VCH4 1 3 0246 R2 VCH 4 2 3 0614 R 3 VC H 4 3 3 9 3 冲击波超压峰值的计算值与实验值对比 采用式 8和式 9分别在瓦斯体积 100m3和 200m3时 的计算值与实验测量值的比对情况见表 1、表 2。其中 压 力值 1和压力值 3为采用式 8计算的结果; 压力值 2和压 力值 4为采用式 9计算的结果; 实验测量值为文献[ 5] 中的实验数据。 表 1 V 100m3时计算的压力值与实测压力值对比 距离 /m压力值 1/M Pa 压力值 2/MPa 实测压力值 /MPa 20014101610145 30012101310165 4001140120174 60010901110153 80010601080147 100010501060137 120010401050136 140010301040127 160010301040108 由表 1、表 2对比分析可以看出, 使用式 8和式 9 计算得到的压力值除表 1第一组外, 均远小于实测压力值, 分析其误差产生的原因主要是公式计算得到的是开放空间 爆炸值, 而实验值是在有限巷道空间中测量值。 表 2 V 200m3时计算的压力值与实测压力值对比 距离 /m压力值 3/M Pa 压力值 4/MPa 实测压力值 /MPa 20013401590 341 3001210130 306 40011401190 302 60010901120 284 80010601080 272 100010501060 261 1200104601050 246 14001040105024 160010301040 227 4 冲击波超压峰值预测模型的建立及修正 通过以上分析, 可以依据实验值对式 8和式 9进行 修正 当 09813VC H 4 1 3 R 9813VCH 4 1 3时 Ps1 a1 R VC H 4 1 3 a2 R2 VCH 4 2 3 a3 R3 VCH 4 3 3 10 当 09813VC H4 1 3 R 1472VCH4 1 3时 Ps2 b1 R VC H 4 1 3 b2 R2 VCH 4 2 3 b3 R3 VCH 4 3 3 11 将实验值带入式 10和式 11后可得到瓦斯爆炸冲击 波超压峰值预测模型。 表 1中, 符合式 10区间范围的距离 R为 20m、 30m、 40m, 符合式 11区间范围的距离 R 为 20m、 30m、 40m、 60m; 表 2中,符合式 10 区间范 围的距 离 R 为 20m、 30m、 40m, 符合式 11区间范围的距离 R 为 20m、 30m、 40m、 60m、80m。因方程 8、 9各有三个未知数, 所以 组合求解, 符合式 10的数据有 2种组合, 加上平均值数 据共 3种组合; 符合式 11数据有 14种组合, 加上平均值 数据共有 15种组合。 分别将表 1和表 2中 R 20m、R 30m、R 40m 的实 测压力值带入式 10, 得到关于 a1,a2,a3的 3组数据。 分别将表 1中 R 20m、R 30m、R 40m、R 60m实 测压力值和表 2中 R 20m、R 30m、R 40m、R 60m、 R 80m 实测压力值组合带入式 11, 得到关于 b1,b2, b315组数据。 将 a1,a2,a3的三组数据分别代入式 10 中, 初步 确定当 09813VC H 4 1 3 R 9813VCH 4 1 3时, 瓦斯爆炸冲击波 超压峰值与距离 R、体积 V 关系的三组计算修正公式。 将 b1,b2,b3的十五组数据分别代入式 11 中, 初 步确定当 09813VC H 4 1 3 R 1472VC H 4 1 3时, 瓦斯爆炸冲击 波超压峰值与距离 R、体积 V 关系的十五组计算修正公式。 为了得到最优解, 对 18组数据进行组合对比,采用式 8、式 9与 18组修正公式分别在瓦斯体积 100m3和 200m3时的计算压力值与实验测量值的误差比对, 实验测 量值为文献[ 5] 中的实验数据。由 40组分析对比数据可 以 得出二种瓦斯爆炸冲击波超压峰值与距离R、 体积 V关 65 2011年第 1期 煤 炭 工 程 研究探讨 收稿日期2009- 12- 20 基金项目 国家自然科学基金重点项目 50834004; 国家自然科学基金项目 50874104; 江苏省研究生科研创新计划 项目 作者简介 樊志强 1987- , 男, 中国矿业大学理学院硕士研究生, 主要从事岩石工程力学方面的研究工作。 采空区充填前后岩层变形规律研究 樊志强, 赵玉成, 王继燕 中国矿业大学 理学院, 江苏 徐州 221116 摘 要 充填综采技术是一项新型的采煤技术。利用采空区充填技术,一方面可以解决 三下∀ 呆滞煤难采,煤炭资源采出率低的问题;另一方面可以有效利用煤矸石实施充填,减少 废弃物排放, 实现经济、环保双效益。文章基于岩层控制的关键层理论,采用 FLAC数值模拟软 件, 对采空区充填前后岩层应力、应变规律进行了分析, 从而为制定合理的充填方案提供一定的 研究基础。 关键词 采空区; 充填; 岩层规律;关键层理论;FLAC数值模拟 中图分类号TD325 3 文献标识码A 文章编号1671- 0959 2011 01 0066 03 Distortion rule research of rock layer around worked- out section backfill FAN Zhi- qiang ,Z HAO Yu- cheng , WANG Ji- yan School of Science ,China University ofM ining and Technology,Xuzhou 221008 ,China Abstract F illing mechanized m ining technology is a ne w type of mining technology The use of worked - out area backfilling technology ,we can solve the proble ms that three down∀ coal is hard tom ine and the rate ofm ining out is so little On the other hand,we can backfill the work- out area w ith coal gangue reduing waste e m issions and realizing the double benefit of econm ic and enw ironment Based on a critical layer of strata control theory ,the page analyzed the rock stress and strain of the work- out area using the FLAC numerical si mulation softwareSo it can provide so me basic content for a reasonable filling progra m K eywords worked- out area ;filling ;rock rules;key strata theory ;FLAC numerical si mulation 系的修正公式, 即 当 09813VC H4 1 3 R 9813VCH4 1 3时 Ps1 36471 R VCH 4 1 3 239974 R2 VCH 4 2 3 472800 R3 VCH 4 3 3 12 当 09813VC H 4 1 3 R 1472VCH 4 1 3时 Ps1 33585 R VCH 4 1 3 208875 R2 VCH 4 2 3 392400 R3 VCH 4 3 3 13 5 结 语 论文基于 TNT 当量法对煤矿巷道内瓦斯爆炸超压数据 进行研究, 建立了煤矿巷道内瓦斯爆炸超压峰值随距离衰 减、随体积增加的预测模型, 并通过与 100m3和 200m3体 积下实验测量值的比较, 以数据充分组合的方法对模型进 行了修正,选取误差累积绝对值最小的数据作为最优解, 修正后的式 12和式 13在误差上与管道中瓦斯爆炸超压 值更为贴近, 明显优于式 8和式 9, 结果准确可靠。 参考文献 [ 1] 梁云峰, 周心权, 张九零, 邵勋. 全尺寸独头巷道内瓦斯爆 炸超压预测模型[ J]. 煤炭学报,2009 ,34 115 17. [ 2] 亨利奇. 爆炸动力学及其应用[ M ]. 熊建国, 译.北京 科学出版社,1987. [ 3] 杨源林. 瓦斯煤尘爆炸的超压计算与预防 [ J]. 煤炭工程, 1996 , 233 34. [ 4] 司荣军. 矿井瓦斯煤尘爆炸传播规律研究[ D ].泰安 山 东科技大学,2007. [ 5] 司荣军. 管道内瓦斯爆炸传播试验研究[ J]. 煤炭科学技 术,2009 , 247 50. [ 6] 曲志明. 瓦斯爆炸冲击波超压的衰减规律 [ J]. 煤炭学报, 2008 , 4410 414. [ 7] 菅从光, 林柏泉, 翟成. 瓦斯爆炸过程中爆炸波的结构变化 规律 [ J]. 中国矿业大学学报,2003 ,32 4363 365. 责任编辑 张宝优 66 研究探讨 煤 炭 工 程 2011年第 1期