张莉聪，周振兴，李斯曼
(华北科技学院 安全工程学院, 北京 东燕郊 065201)
我国煤炭资源十分丰富，煤炭在能源结构中一直占有重要的地位，它既是重要的工业原料，也是一种不可再生的能源[1]。据图1 2011-2021原煤进出口及增长率统计数据显示，2021年，我国生产原煤41.3亿吨，比上年增长4.7%；
进口煤炭2.92亿吨。
图1 2011-2021原煤进出口及增长速率
在过去十年,煤炭在我国能源生产和消费结构中的比重分别在60%和50%以上,在未来相当长的时间内，煤炭仍然是我国能源生产和消费结构的主要组成部分,而煤矿的安全生产是我国能源安全生产面临的主要问题。在煤矿各类事故中，含尘瓦斯爆炸事故是最严重的事故之一，往往会造成严重的财产损失和人员伤亡。据国家矿山安监局数据统计显示，近十年我国共发生煤矿瓦斯死亡事故272起,造成1952人死亡,瓦斯爆炸、燃烧、窒息事故合计165起,死亡1217人[2]，其中仅2005年就发生414起、导致2171人死亡，平均每天发生1.13起。2020年共发生煤矿事故122起、死亡225人。国际上一度认为中国煤矿开采业是世界最危险的行业之一。
由于我国煤矿多为井工开采，地质条件复杂，煤尘的混入，障碍物的激励作用，氧气和瓦斯的浓度，巷道的几何形状等均对爆炸的极限产生影响。为弄清瓦斯在井下复杂条件下爆炸的一系列特性及其影响因素，仅仅借助实验观察，无法较好地获得瓦斯爆炸全过程中的细节。借助计算机，通过数值模拟进行爆炸的动态模拟，可以更加形象地还原爆炸过程，流场的演化过程也更为可视化，通过实验研究、理对分析和数值模拟可以更好研究爆炸机理、传播规律和流场的结果，本文通过对前人含障碍物瓦斯爆炸实验和数值模拟研究的结果进行分析，总结出瓦斯爆炸参数研究的现状，通过对前人研究展望的分析，尝试用模拟软件进行分析，进一步说明软件的应用范围和局限性。
爆炸是某一物质系统在短时间内极速的发生物理变化或化学变化，系统自身的能量借助于气体的急剧膨胀对周围介质做机械功，一般伴有强烈的放热，发光和声响，产生高温、高压，瓦斯爆炸和燃烧是热反应和链反应共同作用的结果。
爆炸最主要的破坏效应就是爆炸波超压作用，通常用爆炸强度来衡量，爆炸强度的决定因素主要是爆炸压力和爆炸压力上升速率。
可燃性混合气体爆炸产生的压力与初始压力，初始温度，浓度，组分以及容器等因素有关。爆炸时产生的压力可按压力与温度及物质的量成正比的规律确定。具体计算公式如下：
(1)
式中，pm、Tm、nm分别为爆炸后最大压力，绝热火焰温度和气体位置的量；
p0、T0、n0分别为爆炸前的最大压力，绝热火焰温度和气体物质的量。由此得出爆炸压力计算公式为：
(2)
爆炸压力上升速率是压力-时间曲线上升拐点处的切线斜率，其值是爆炸压力上升最大速率。压力上升速率是衡量燃烧速度的标准，也是衡量爆炸强度的标准。
不同的可燃气体的最大爆炸压力及火焰的传播速度是不同的，到达最大压力所需的时间也不一样。因此不同的可燃气体爆炸时升压速度不同。另外，容器体积不同，升压速度也不一样，体积越大，升压速度越小；
体积越小，升压速度越大。可燃气体燃烧的最大压力上升速率与容器的关系可用“三次方定律”表示：
(3)
KG值通常叫做混合气体爆炸特征值，并以此值来衡量爆炸的危险性程度。
爆炸时对设备的破坏程度不仅与最大爆炸压力有关，而且与升压速度有关。为了衡量爆炸中压力与压力上升速度两个参数的综合作用效果，引人爆炸威力的概念，并认为爆炸威力指数为最大爆炸压力与平均升压速度的乘积。
通常意义上的气体燃烧速度包括火焰传播速度和气体本身的燃烧速度。火焰相对于前方已扰动气体的运动速度叫燃烧速度，气体本身的燃烧速度是衡量气体燃烧特性的重要指标[3]，其中，层流预混火焰的燃烧速度是反应物质燃烧属性的特征参数，表征反应物质的化学特性；
火焰传播速度是火焰相对于静止坐标系的速率，表征火焰波阵面前气流的扰动情况，通常它不是燃料的特征参数；
混合气体的燃烧速度和火焰传播速度可以反映爆炸猛烈程度，燃烧速度越大的气体，具有更大的危害性和破坏效应。
常温、常压下的层流燃烧速度称为基本燃烧速度。预混气体层流燃烧作为一种稳定的火焰传播形式，在工程应用和科学研究领域得到了广泛关注。基本燃烧速度参数是混合物燃烧的固有特征参数，在研究中，通常作为可燃性混合气体重要观测参数，层流燃烧过程是预混气体燃烧机理的基础研究内容，我们日常生活和生产中所遇到的燃烧现象都有层流燃烧过程。因此，层流燃烧速度是分析和预测燃料燃烧性能的重要指标，也是是分析和验证燃料燃烧过程的基础参数，常常作为模拟燃烧和爆炸机理的重要输入参数[6-9]。
燃烧速度较难测量，而火焰传播速度可以通过一定的测量手段测得，例如用光导纤维探头或电离探针能较方便地测定管道中的火焰传播速度。由于火焰传播的不稳定性，故火焰传播速度的测定易受各种条件的影响。例如，气体流动中的耗散性、界面效应、管壁摩擦、密度差、重力作用、障碍物绕流及射流效应等可能引起湍流和旋涡，使火焰不稳定，其表面变得褶皱不平，从而增大火焰面积、体积和燃烧速度，增强爆炸破坏效应。在极端情况下，由于火焰加速面使燃烧转变为爆轰，达到最大破坏效应。
本文整理了21篇与管道形状有关的瓦斯爆炸文献[3-22]，其中16篇数值模拟，6篇实验研究。按引用次数，数值模拟研究选取2005年至2020年间文献，实验研究选取2011年至2020年间的文献。上述文献中不论是实验研究还是数值模拟，障碍物的形状不外乎立体障碍物和平面障碍物，立体障碍物包含正方体，长方体，圆柱体等规则形状；
平面障碍物以挡板为主，为实现不同阻塞率，使用含圆形或者方形孔洞的挡板。
2.1 障碍物的数量、形状和阻塞率的数值模拟和实验研究情况
图2给出了有关障碍物数量、形状和阻塞率的数值模拟和实验研究情况，从图中可以看出：障碍物的数量，形状一般是数值模拟和实验对照研究的，而阻塞率的数值模拟较多，实验分析略少。
从实验结论中可以看出，障碍物的数量和阻塞率的增加对瓦斯爆炸冲击波压力和火焰传播速度具有先增加后减小的作用，障碍物的形状的研究中，方形障碍物的激励作用高于圆形障碍物，即发生的湍流作用越明显，对瓦斯爆炸越有促进作用。值得注意的是，在障碍物的研究多以刚性障碍物为主，而柔性障碍物的研究少之又少，且无论是数值模拟还是实验研究，研究所选取的管道均以水平长直管道为主，虽还原了井下巷道形状，但未能真实的还原井下巷道的障碍物的复杂情况。
2.2 瓦斯爆炸参数的研究情况
从图3瓦斯爆炸参数研究情况中可以看出，衡量障碍物对爆炸激励效应的参数多以爆炸压力为主，占比达60%，其次是火焰传播速度，再次为火焰阵面，而对爆炸压力上升速率、冲击波的速度和火焰的温度研究较少。
图2 障碍物数量、形状和阻塞率的数值模拟和实验研究情况
图3 瓦斯爆炸参数研究情况
从实验研究结果发现，火焰遇到障碍物时，火焰面发生形变，燃烧面积扩大，燃烧速度加快，为前驱冲击波提供的能量突然增加，由于管道面积变小后，气流速度增大，湍流度增加，火焰传播过程中的湍流效应是产生冲击波的主要因素，爆炸后的火焰传播速度的大小直接影响着爆炸冲击波的生成和加强程度。
火焰连续越过障碍物时，马赫数不断增大，障碍物下游形成强度逐渐增大的大尺度漩涡，火焰不断发生褶皱变形，导致火焰上的涡量增大，而更大的湍流强度反过来又使湍流火焰速度升高。压力波在传播至障碍物时被障碍物压缩，形成反射波，生成叠加区域，加上壁面反射，形成正反机制相互影响。
(1) 研究多以刚性障碍物为主，而柔性障碍物的研究少之又少，且无论是数值模拟还是实验研究，研究所选取的管道均以水平长直管道为主，虽还原了井下巷道形状，但未能真实的还原井下巷道的障碍物的复杂情况。
(2) 瓦斯爆炸参数中爆炸压力、火焰传播速度和火焰阵面研究较多、而对爆炸压力上升速率、冲击波的速度和火焰的温度等爆炸影响更直观的参数研究较少。
(3) 关于爆炸过程的热爆炸理论和瓦斯爆炸基元反应阐述较少。
(4) 选取已有实验比较对照的模拟软件，对矿井不同障碍物的情况进行大量模拟，来更好的反映煤矿真实的情况，得到更能接近事实的数据资料。
(5) 根据不同软件的特点，对爆炸压力上升速率、冲击波的速度和火焰的温度等爆炸影响更直观的参数开展数值模拟，通过已有的实验结论进行总结分析，为事故调查和防范提供更多的支撑。
(6) 根据不同软件的特点，结合爆炸过程的热爆炸理论和瓦斯爆炸基元反应的模型，更好的分析冲击波和火焰阵面的追赶情况，对隔爆和阻爆炸提供理论依据。
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