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煤矿瓦斯爆炸事故勘察中的若干技术问题 邬燕云1, 徐景德2 1 中国矿业大学 北京校区, 北京 100083; 2 华北科技学院, 北京 东燕郊 106501 摘 要 论述了瓦斯爆炸事故勘察的原理和方法,分析了目前瓦斯爆炸事故勘察在技术存在的问 题。以冲击波传播理论为基础, 分析了瓦斯爆炸事故传播过程中障碍物对爆炸冲击波的激励作用。 实验和数值模拟结果显示, 由于障碍物的存在,瓦斯爆炸冲击波在障碍物附近, 其压力会呈现急剧 上升的特征。 关键词 瓦斯爆炸;事故勘察; 障碍物; 激励 中图分类号 TD71274 文献标识码 A 文章编号 0253- 2336 2003 04- 0033- 03 Several technical issues in accident investigation of mine gas explosion WU Yanyun1, XU Jing2 1Beijing Campus, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China; 2North China College of Science and Technology , Beijing 106501, China Abstract The paper stated the principle and for the accident investigation of mine gas explosion The paper analyzed the technical prob lems existed in the accident investigation of the present mine gas explosion Base on the impact wave transmission theory, the paper analyzed the stimulant function of the fraises to the explosion impact waves during the gas explosion transmission The laboratory and digital simulation results showed that the pressure of the gas explosionwave near the fraises would be rapidly increased due to the fraises existed Key words gas explosion, accident investigation; fraise; stimulation 基金项目 国家自然科学基金资助项目 59874030 根据历年来全国煤矿事故统计分析结果, 在煤 矿重大事故中,从发生次数和伤亡人数 2 方面,瓦 斯爆炸事故都处于第一位, 因此控制和减少瓦斯爆 炸事故是目前煤矿安全管理工作的重要任务。事故 发生后,必须进行调查处理,以查清事故原因,吸 取教训,进而采取预防措施,避免类似事故再次发 生,保证安全生产。在事故调查工作中, 事故勘察 是一个关键内容。事故勘察是通过对事故现场的痕 迹和遗留物的观察、分析、检验和模拟, 以反演出 事故发生的真实过程和原因。以实验测试和数值模 拟分析结果为基础,分析了瓦斯爆炸事故勘察中应 当注意的若干技术问题。 1 煤矿瓦斯爆炸事故勘察一般方法 煤矿瓦斯主要成分是甲烷 CH4 ,矿井瓦斯 爆炸一般可以认为是甲烷气体在外界热源激发下的 强放热化学过程, 其最终化学方程式如下 CH4 2O2 CO2 2H2O 8826 kJ/ mol 1 由于强放热的原因,瓦斯爆炸过程中会出现强 烈的燃烧现象,以爆源为中心, 形成强烈的气体冲 击波, 向远离爆源方向传播, 伴随冲击波的传播, 是爆炸产生的高浓度一氧化碳 CO 等有毒有害 气体和高温高压热气流的主要原因。这也是瓦斯爆 炸事故伤害的主要原因。 基于瓦斯爆炸的这一特征,在进行事故勘察 时,调查人员通常勘察爆炸现场积聚的瓦斯量,查 阅资料确定瓦斯浓度, 然后通过 1 式确定发热 量,通过气体状态方程和热力学定理,确定爆炸强 度和爆炸波及区域。 2 存在问题及分析 实验室研究表明, 在一般情况下,甲烷气体爆 炸模式是以爆燃状态出现的。在规则断面的巷道 中,当巷道中无障碍物存在的前提下,瓦斯爆炸在 巷道内传播过程中爆炸冲击波特征可以用图 1 表 示,其中 3 个曲线表示爆炸后 t1、t2、t3时刻的爆 炸波曲线, 将各时刻爆炸波的峰值点连接起来,用 图中虚线表示,可以看出, 在一般状态下,爆炸冲 击波的强度沿传播路线不断下降。但是在两种条件 33 第 31卷第 4 期 煤 炭 科 学 技 术 2003年 4 月 下,可能出现爆轰模式,或者由爆燃模式向爆轰模 式转捩。这两种条件是 以高密度能量火源引 爆, 例如高猛度炸药、强电弧放电等; 在瓦斯 爆炸传播路线上, 存在障碍物, 由于存在火焰加速 和湍流加速两种物理机制, 可以使气体由爆燃状态 向爆轰状态转捩, 爆轰状态的出现, 标志爆炸波峰 值强度并不沿传播路线单调下降。 图1 瓦斯爆炸冲击波的衰减 在煤矿井下, 这 2 种激励条件都可能存在。由 于瓦斯爆炸一般发生在生产区域中, 井下足以点燃 瓦斯的火源达 20种以上, 这些火源强度差别很大, 甚至处于不同的数量级上, 例如猛炸药和摩擦火花 两种引爆火源,这样就会导致在相同的瓦斯量的情 况下, 事故后果差别极大的情况出现。 在煤矿巷道中通常有矿车、支架等设备存在。 在障碍物的存在的情况下, 爆炸冲击波传播过程中 存在火焰激励和湍流激励两种加速机制。火焰激励 是指障碍物处于火焰区时, 由于障碍物的存在,火 焰阵面发生扭曲, 增大了火焰面积, 加速了燃烧物 的能量释放速率, 使燃烧速度增大, 导致未燃气体 位移速率加大,进而导致冲击波进一步增强。压力 波增强反过来又可以促进燃烧速度增大, 即火焰加 速和冲击波之间形成正反馈机制。在一定条件下, 使气体爆炸演变为爆轰状态。障碍物存在使巷道断 面积减小, 使湍流加剧,增大了雷诺数, 气体速度 加快, 加强了冲击波的传播速度。障碍物的存在导 致冲击波产生反射和折射, 造成冲击波的叠加,从 而使破坏加剧。 在事故勘察过程中经常遇到这样一个现象,部 分区域距离爆源较远, 但是其破坏程度却比爆源附 近严重得多。这说明, 虽然从整体上看, 瓦斯爆炸 压力呈下降趋势, 但是在障碍物存在的情况下,冲 击波强度呈现上升的趋势。 3 模拟条件及结果分析 为进一步确认以上分析结果,在如图 2所示瓦 斯爆炸传播管道中进行了实验研究和数值模拟,该 系统由6 大部分组成, 试验管道、动态数据采集分 析系统、火焰速度及厚度测量系统、压力测量系 统、瞬态火焰温度测量系统、爆炸点火装置。 图 2 实验管道示意 图 3 障碍物附近的压力场变化趋势 nn ∀ 计算步长; t ∀ 引爆后的时间; p 、p0∀∀∀ 爆炸压力和原始 大气压力; x ∀ 测点距障碍物的水平距离, H ∀ 障碍物的高度 实验管道为 80 mm 80 mm 的方管,总长 24 m。在方管上有压力、温度、火焰等各种传感器和 点火装置的安设孔以及用于拍摄火焰图像的玻璃视 窗。在管道内一半长度充满瓦斯 ∀∀∀ 空气混合气, 瓦斯浓度为85 , 其余一半为正常空气。瓦斯区 34 第 31卷第 4 期 煤 炭 科 学 技 术 2003年 4 月 和空气区用薄膜隔开,在巷道中间部位设置障碍 物,障碍物为圆柱形, 高 80 mm,直径 20 mm,目 的是研究冲击波在经过障碍物时的变化特征, 在实 验基础上进行了数值模拟。根据冲击波传播的物理 机制分析,将冲击波前后分成高温与低温 2 个区 域,高温、低温区域初始状态参数见表 1。冲击波 爆炸传播过程中障碍物附近的压力场分布分别如图 3 所示, 图中纵坐标表示相对压力,横坐标为测点 所在位置距障碍物的距离与障碍物高度的比值。 表 1 管道瓦斯爆炸传播数值模拟初始状态参数 高温区参数 P2/ kPaT2/K V2/ m ∃s- 1 低温区参数 P1/kPaT1/ K V1/ m∃s- 1 40521 80000101 3300 00 从以上结果可以看出, 冲击波经过障碍物附近 时, 其压力呈现明显的突变趋势,同时从时间上 看,由于障碍物的存在,使冲击波压力下降趋势变 缓,实验室测定也验证了数值模拟结果的准确。 4 结 论 1 勘察瓦斯爆炸事故时,必须注意瓦斯爆炸 事故受多个因素影响。在考虑参与爆炸的瓦斯量的 同时, 要考虑引爆火源和传播路线。 2 在同样瓦斯量存在的情况下, 高密度能量 火源会加剧事故的严重程度。 3 障碍物的存在,导致局部区域压力增大, 从而使其附近破坏程度加剧。 参考文献 [ 1] 赵衡阳. 气体和粉尘爆炸原理 [ M] . 北京 北京理工大学 出版社, 1996. [ 2] 徐景德. 瓦斯爆炸的尺寸效应研究 [ J] . 中国安全科学学 报, 2001 6 . 作者简介 邬燕云 1963- , 男, 江苏无锡人,高级工程师, 中国矿业大学北京校区博士研究生, 研究方向安全工程技术。 收稿日期 2003- 01- 08; 责任编辑 曾康生 上接第 32页 表 4 配焦粉炼焦工业试验数据 配煤比/ 气煤 肥煤 焦煤 瘦煤 焦粉 焦粉细 度/ 冷态强度/ M40M10 热态性能/ CRICSR 4025258240794678234557 6 4025257340796575434357 3 4025247440792176434756 8 4025258250797175133858 9 4025257350799574234157 4 4025247450794775434157 7 4025258260799472932758 6 4025257360801772733358 3 4025247460801173533357 1 402525100∀804572332859 5 注 每个方案试验时间为 3 d, 所列焦炭分析数据均为平均值。 需要说明的是,由于考虑到细度太低或配量太 大, 会对焦炭质量造成较大影响,不利于高炉生 产,同时太高的焦粉细度生产难度较大等问题,工 业试验只选取了表 4 所列的几种方案。 3 结 论 1 在配入焦粉细度不变,配合煤的质量稳定 的情况下,在焦粉配量 3 时,综合冷态强度最 好,热态强度随配量增加降低。 2 在配入焦粉量一定的情况下,冷态强度随 着焦粉细度的增加而提高, 焦炭反应性没有明显的 变化,热态强度在细度 50 时最好,当焦粉细度 大于 40 后,焦粉细度的变化对热态性能影响不 明显。 3 无论焦粉细度的高低,配入焦粉后的焦炭 强度均比不配时略有降低,但在焦粉配比不超过 4 、细度大于 40 的情况下,焦炭冷态强度和反 应后强度均在正常范围内。同时,若考虑到利用焦 粉代替煤炼焦带来的经济效益, 其对焦炭质量的微 小影响是完全可以忽略不计的。 参考文献 [ 1] 姚昭章. 炼焦学 [M] . 北京 冶金工业出版社, 1982. 作者简介 陈昌华 1963- , 安徽泾县人,高级工程师, 中 国矿业大学北京校区博士研究生, 现在济南钢铁集团总公司工作。 收稿日期 2002- 11- 04; 责任编辑 刘军娥 35 第 31卷第 4 期 煤 炭 科 学 技 术 2003年 4 月