矿井爆炸灾后CO网域蔓延特征仿真研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月自 然 灾 害 学 报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目():()作者简介:李宗翔()男教授博士主要从事煤矿重大灾害理论和灾变矿井通风研究:.通讯作者:杨志斌()男硕士研究生主要从事煤矿重大灾害理论和灾变矿井通风研究:.文章编号:()./.矿井爆炸灾后 网域蔓延特征仿真研究李宗翔杨志斌李胜男高 科张明乾(.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院辽宁 阜新 .矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室辽宁 阜新)摘 要:研究矿井瓦斯(煤尘)发生爆炸后毒害气体 运移特征有利于减少事故造成人员的中毒伤亡数 基于有源风网理论同时运用矿井物理通风仿真 平台结合鸡西荣华一
2、矿矿井详细描述东部采区进风大巷一旦发生瓦斯爆炸 在全域矿井的运移过程及其浓度分布特征并进行 种情况的仿真分析 研究得到在爆炸残余热的作用下携带 的风流会先产生逆流现象若通风机初始为失效停机状态在通风机恢复运转通风恢复正常后 运移和稀释得更快到达相应位置的浓度更高对工作面持续侵袭的时间短若通风机处于失效状态 运移慢会产生聚集较通风机失效停机状态下 到达相应位置的浓度低对工作面持续侵袭的时间长 的浓度还与井下风流有一定的关系 仿真结果为矿井控灾减灾提供理论支持关键词:灾变通风有源风网理论 蔓延 仿真平台爆炸后灾中图分类号:文献标识码:(.):().:第 期李宗翔等:矿井爆炸灾后 网域蔓延特征仿真研
3、究引言瓦斯(煤尘)爆炸是影响煤矿安全生产最严重的灾害爆炸后能产生大量 浓度高达 是致人中毒、伤亡的主要原因之一 刘永立等分析我国矿井气体爆炸事件的起因提出了造成人员大规模死亡的最主要因素是 等毒害气体造成人员的中毒和窒息 罗振敏等采用 软件模拟对爆炸产生的毒害气体成分进行分析其中体积分数最高的是 尽管对于煤矿安全的重视程度日益上升但是目前国内外矿井瓦斯(煤尘)爆炸事故仍然无法杜绝 年 月 日发生在俄罗斯库兹巴斯的矿井爆炸事故由于井下 与 含量过高救援行动被迫暂停导致死亡人数骤升该矿难造成含 名救援人员在内共计 人因 中毒死亡 矿井发生瓦斯爆炸后的 中毒是导致人员大量伤亡的最主要根源采取科学的应
4、急救灾干预措施可以最大限度地防止事故扩大、减灾降灾是事故救援的重中之重长期以来研究探索毒害气体蔓延过程问题主要有 理论和卡曼总结提出的湍流统计理论 针对气体在无约束空间内蔓延主要使用了以下几种模型:高斯模型、模型、模型、有限元模型 在矿井瓦斯爆炸现象描述方面刘永立等探索了由于火焰的缘由造成的事故产生了大量的毒害气体同时建立了气体蔓延模型 张明清等对掘进巷道发生爆炸后 局部传播用 模拟得出爆炸后 传播只受到风流作用的影响 郑聪聪等设定掘进巷道内发生爆炸对爆炸后 在独头巷内传播用 模拟得出半封闭空间内的瓦斯爆炸后 蔓延距离不随时间增加而持续增加而是蔓延到一定距离便不再变化 李宗翔等通过建立数值模拟
5、模型得出外源气体随传播时间和距离的增长而逐渐被稀释 李芸卓等通过建立气体运移模型分别分析直巷道和转弯巷道内的毒害气体浓度变化情况得到转角处发生事故的可能性高 目前对于瓦斯爆炸后 的传播研究还停留在简单拓扑结构巷道的层次对全矿井系统复杂网域的研究还相对匮乏 本文利用自行研发的矿井物理通风仿真平台 结合鸡西荣华一矿对瓦斯(煤尘)爆炸后 在矿井内复杂的蔓延过程做进一步阐述以期对应灾、控灾、减灾提供理论依据支持瓦斯爆炸后灾及 蔓延致灾解析所谓爆炸后灾是一个区别于爆炸瞬时灾害的概念 爆炸瞬时灾害主要是针对爆炸正向和反向冲击波对井下人员造成的冲击伤亡和对矿井造成破坏爆炸产生的火焰锋面高温超压造成的破坏爆炸
6、后灾造成伤亡的情况是 中毒致灾所导致的 从时间的角度分析其两者的差别前者是瞬时性的只能从事前进行预防而无法进行事后干预和控制后者是滞后性的在爆炸事故发生后毒害气体蔓延传播可以进行事后干预和控制能够最大限度地减少人员伤亡对其进行全方位的研究是有重要意义的如图 所示图 生成 蔓延致灾科学定位的模块化图解.由图 可知针对矿井瓦斯(煤尘)爆炸当下普遍研究的是爆炸与冲击着重强调爆炸机理和爆炸传播规律的探索 对于爆炸传播规律的研究由于爆炸是瞬时发生的需要从爆炸进行的那一刻开始进行物理化学方面的分析但是爆炸是一个不可控的过程除了预防爆炸在爆炸中对其进行外部干涉十分困难无法将自 然 灾 害 学 报第 卷爆炸从
7、时间角度上拆分成几个阶段进行阶段性的解析因此只能对传播规律进行整体上的研究而局部巷道内一旦发生爆炸无法根据传播规律对其进行及时的应急救灾 对于爆炸机理的研究主要可以通过衡量爆炸的冲击特性和衡量隔爆效果 个角度分析对于衡量爆炸的冲击特性的研究我们可以通过总结已经发生的爆炸事故研究其冲击波对构筑物的破坏进而对未发生的事故加以防范进而达成防灾的目的但是矿井的不同导致了问题解决的方法不同不能照搬其它事故矿井的处理办法来防灾对于衡量隔爆效果的研究可以通过设置隔爆水棚或岩粉棚来缩短冲击波传播的距离、阻止爆炸后火焰的传播但是学者对于相关的研究还比较匮乏当前热点研究是把瓦斯(煤尘)爆炸灾后蔓延过程作为事故分析
8、的切入点从研究灾害蔓延的过程尤其是在复杂巷道网络中的蔓延规律出发为矿井爆炸的应灾、控灾、减灾提供理论支持 这里就爆炸后灾中热动力 运移弥散规律剖析这一“相对长时间”的灾害过程灾后是一个可控的过程可以施加外部干扰为应灾、控灾、减灾指明方向为了掌握爆炸后的灾变过程需要对矿井温度的变化、风流的紊乱、气体体积分数的变化(包含、毒害气体、指标性气体)等的流变过程进行研究只需要把瓦斯爆炸研究的结论作为爆炸后灾研究的初始条件进行解析计算瓦斯爆炸实验平台及实验数据采集图 瓦斯爆炸实验及测试平台.为了获得爆炸后灾的初始条件确定瓦斯爆炸完成后的爆炸区(波及传播区)的温度和 浓度须进行甲烷气体爆炸实验 辽宁工程技术
9、大学瓦斯爆炸实验平台如图 所示装置管道中有气体组分和温度传感器及数据采集系统共设 个监测点 本实验甲烷体积分数为 充填入爆炸皿中点火 在爆炸传播管道中选取 个监测点分别对爆炸后产生的 进行浓度的监测以及残余温度的监测进行 组重复实验 爆炸后产生 的体积分数如表 所示温度如表 所示表 各测点 浓度 实验次数/次 浓度/监测点监测点监测点监测点监测点表 各测点温度 实验次数/次温度/监测点 监测点 监测点 监测点 监测点.图 各测点温度与对应测点位置曲线.将以上实验结果按实验次数进行整合分别取其平均数得到每组实验的平均 浓度分别为、取最大值 作为爆炸后灾的 初始条件将以上实验结果按实验次数进行整合
10、分别取各测点温度的平均数得到每组实验各测点与温度之间的曲线如图 所示 爆炸后实验管道内的平均温度由曲线求解积分得 作为爆炸后灾的温度初始条件得出实验管道内各测点温度与对应测点位置的关系式如式():第 期李宗翔等:矿井爆炸灾后 网域蔓延特征仿真研究 .()式中回归相关系数为.见图 实际爆炸区与实验尺度不同这里取平均值作为实际爆炸区的初始温度灾后风流运动模型与质能平衡方程在有源风网中瓦斯(煤尘)爆炸是一种典型的强源将爆炸后 蔓延依照有源风网中强源进行处理那么在某一时间步长内风网的质量平衡方程为:()式中:()称作基本节点关联矩阵当 节点是 分支起点 当 节点是 分支末点否则 为通风质量流量向量为风
11、流质量风流量(/)其中 为风量(/)为风流密度(/)()为源项(向量)为节点风源在 节点上源项的(瓦斯爆炸产生 气体)质量流量(/)为分支源项(向量)为分支弱源为分支风源在 分支上源项的(瓦斯爆炸产生 气体)质量流量(/)()称作基本节点汇集矩阵当 时否则有源风网是一个区别于普通风网的概念普通风网的质量平衡方程是一个齐次方程而有源风网的质量平衡方程是一个非齐次方程其右端是一个源汇项当忽略分支弱源或分支强源可直接转换为节点风源时有:()从整体性上形容式()是一个完整的方程式有源风网是网络的一般形式普通网络是一种特殊形式有源风网是解决矿井巷道系统 蔓延源问题的关键理论含 蔓延源的有源风网的能量平衡
12、方程(风压平衡方程)为:()式中:为基本回路矩阵 为风压向量()为位压差向量 为 分支的位压差()且 ()其中、分别为 分支初、末位置标高()为风流非稳定项向量在通风巷道 中风流非稳定流的运动方程可表达为:其中()式中 为巷道风压()为巷道断面位置风流密度(/)为巷道风量(/)为重力加速度(/)为巷道倾角()为巷道周长()为巷道断面面积()为时间变量()为巷道单位长度几何风阻(/)为达西魏斯巴赫公式阻力系数 为通风局部阻力比例系数一般.通风巷道 中风流温度对流扩散方程:()边界条件:式中:为巷道断面位置的混合烟气中 浓度体积分数()为巷道平均风速(/)为巷道风流垂直方向机械弥散度(/)为摩擦阻
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