煤矿瓦斯爆炸火焰波和冲击波传播规律的理论研究与实验分析

摘要：瓦斯爆炸传播规律是分析爆炸破坏效应继而研发抑爆减灾装置和措施的基础。在大量典型实验总结和理论分析的基础上，分析瓦斯爆炸火焰波和前驱冲击波的传播规律及其衰减规律的相似性，即先加速后再减速传播。最终火焰波以正常层流预混气体燃烧速度传播，前驱冲击波衰减为声波。另外，实际参与反应的瓦斯量是影响瓦斯爆炸火焰波传播规律认识的重要因素。

关键词：瓦斯爆炸；衰减；火焰波；冲击波

煤矿瓦斯爆炸是影响煤矿安全生产最主要的灾害事故。根据事故统计数据，瓦斯爆炸事故主要发生在采煤工作面和掘进工作面附近。基于此，讨论积聚在独头巷道闭口端的瓦斯一空气爆炸性混合气体在点火源作用下的瓦斯爆炸传播，并不向爆轰转变，涉及瓦斯爆炸火焰波和前驱冲击波的传播及衰减规律。

1 理论分析

研究的物理模型如图1所示。

图1 煤矿瓦斯爆炸物理分析模型



冲击波和强爆轰渡不能自持传播，要靠后方活塞驱动，才能维持一定的波速。一旦活塞减速甚至停止运动，从活塞界面发出的稀疏波赶上冲击波阵面，使它衰减下来。对于冲击渡怎样衰减为声波的严格解析研究非常困难，但可以利用根据渡强度变化方程推导出的冲击渡渡阵面上物理量衰减的渐近规律来分析渡衰减过程的渐近性态。

冲击渡波阵面上物理量衰减的渐近规律可表示为：









式中：u，P，ρ分别表示介质的速度、压力和密度；c和γ分别表示声速和绝热指数；下标为0的表示渡前状态，下标为J的表示CJ状态；x_s和x₀分别表示t和t₀。时刻质点在迹线上的位置。

以式(1)为例，



平面冲击波的波阵面迹线x_s离任何一条斜率为c₀的直线越来越远，即x_s(t)不存在任何渐近线，平面冲击波只有在时间趋于无穷大或距离趋于无穷远时才能衰减为声波。另外，在此处的分析仅仅考虑了稀疏波的弱化作用，对于煤矿井下瓦斯爆炸冲击波传播规律的研究还需要考虑流体的黏性和巷道边界作用等其他影响因素。

2 实验分析

2.1 火焰波传播规律分析

对煤矿瓦斯爆炸火焰波传播规律的理解是认识煤矿瓦斯爆炸的关键，因为火焰波传播规律直接影响着前驱冲击波的强度和传播规律，决定着瓦斯爆炸的破坏强度。

目前，对火焰波传播规律的认识主要有两种观点：一是火焰波加速传播达到某一临界速度，并最终以此速度向前传播直至耗尽瓦斯；另一种观点是火焰波在消失之前会经历加速和减速两个阶段。研究发现，对于火焰波传播规律的认识与实验本身条件有密切的关联，实验可分为两类：一类是采用真实煤矿巷道的全尺寸实验；另一类是小尺寸管道实验。对于实验所用瓦斯量也有区别，一种是将一定浓度瓦斯气体充满整个实验腔体，这种情况主要集中在小尺寸的管道实验；还有一种就是在局部充填瓦斯。现选取两组非常典型的实验数据，原始数据分别来源于参考文献[3]和[4]，根据实验数据分别绘出图2和图3，2个图都显示火焰波经历先加速、再减速的传播过程。文献[3]实验采用真实的煤矿巷道，实验巷道长896m，断面积为7.2m²，在闭口端局部充填定量瓦斯混合气体(100m³和200m³)，火焰波因瓦斯耗尽而消失，火焰波的最终传播状态未能在图上体现；文献[4]实验采用小尺寸的实验管道．管道为长24m的方管，管内充满瓦斯混合气体，受实验管道长度的限制，火焰波的最终传播状态也未能在图上体现。结合2个实验，不管是全尺寸巷道实验还是小尺寸管道实验，实际参与反应的瓦斯量都是影响瓦斯爆炸火焰渡传播规律认识的重要因素。

图2 火焰波速度随传播距离变化曲线



图3 火焰波速度随障碍物数量和传播距离变化曲线



从图2和图3中可以看到，火焰波在经历加速阶段后并没有以某恒定速度传播。从能量守恒的观点来看，当火焰波在能量获取和消耗上达到平衡状态，此平衡状态又能够得到维持，火焰波会以恒速传播。但是在实际过程中，这种平衡是脆弱的，这是因为影响火焰渡传播状态的因素有很多，如壁面热损失、障碍物的存在、反应产物膨胀产生的稀疏波以及二次冲击波都会影响火焰波的传播状态；另外，火焰波是在前驱冲击波扰动后的区域传播，火焰波的波前状态也影响着火焰波的传播规律，使前驱冲击波和火焰波在传播过程中互为影响，形成一种不稳定的爆炸传播状态。所以当火焰波在初始阶段加速达到某一临界速度之后，此临界状态很难维持，此时自于单位时间参与反应的瓦斯量减少，使能量释放相应减少，火焰波开始减速传播。同时，火焰波和前驱冲击渡之间距离和气体体积的不断增加，前驱冲击波对火焰渡和前驱冲击波之间气体状态的影响减弱，可以将前驱冲击波对火焰渡前气体状态的影响忽略。此时，火焰波减速到层流火焰传播速度数量级，并以此速度恒速传播直至耗尽瓦斯，完成从爆炸向层流预混气体正常燃烧的转变。

根据以上分析，完整的瓦斯爆炸火焰波传播经历3个阶段：首先，火焰渡加速至峰值速度(ν_峰值)；在第二阶段，火焰渡加速至峰值速度后，随即减速传播至某一速度(ν_燃烧)，此速度可看作是层流预混气体正常燃烧速度，这时可以将前驱冲击波对火焰渡前气体状态的影响忽略，完成瓦斯爆炸向层流预混气体正常燃烧的转变；在第三阶段，火焰波以燃烧速度(ν_燃烧)恒速传播直至耗尽瓦斯。火焰渡传播变化趋势见图4。

图4 火焰渡传播变化趋势



2.2 前驱冲击波传播规律分析

根据火焰渡的存在与否，前驱冲击波的传播可分为有能量支持的前驱冲击波传播阶段和没有能量支持的惰性冲击渡传播阶段。前驱冲击波的传播规律受到火焰渡的传播状态的密切影响，表现出与火焰波相似的传播规律，即开始阶段，前驱冲击波压力和速度不断加强，随着火焰波传播速度到达峰值后减速传播，前驱冲击波的压力和速度也开始减弱。此外，缺乏足够能量支持的前驱冲击波还要承担克服巷道摩擦阻力、壁面散热、压缩波前气体和稀疏波弱化作用所产生的能量损失，导致前驱冲击波在经历加速阶段之后减速传播。火焰波消失后，前驱冲击波传播演变为没有能量支持的惰性冲击波传播，惰性冲击波的压力和速度的下降趋势更为明显，最终冲击渡压力下降到当地正常大气压力(p_大气压)，传播速度衰减为声速(ν_声速)。前驱冲击波传播变化趋势见图5。

图5 前驱冲击波传播变化趋势



对于惰性冲击渡的传播规律，文献[5]利用准定常流动来处理惰性冲击波，在冲击波两侧建立3个基本方程(质量方程、动量方程和能量方程)，主要考虑惰性冲击波在传播过程中不断在加热压缩渡前气体所导致的能量损失，运用相关假设进行理论推导并得出如下结论：

1)惰性冲击波参数的衰减规律与传播距离及时间存在着非线性关系，惰性平面冲击波超压要比冲击渡后气流速度衰减得快，也要比冲击波速度衰减得快，与实验数据表现的情况相符。

2)惰性冲击波衰减规律的理论推导过程中，主要考虑了惰性冲击渡在传播过程中不断加热压缩渡前气体所导致的能量消耗，使理论推导出的参数衰减与实际相比衰减得要慢。说明只考虑冲击波加热压缩波前气体所导致的能量消耗不足以描述实际情况。但考虑多因素对惰性冲击波传播衰减规律影响的解析研究将非常困难，这也体现了数值模拟在研究惰性冲击波传播衰减规律的重要性。

3 结论

在总结大量典型实验和理论分析的基础上，分析了瓦斯爆炸火焰渡和前驱冲击波的传播规律，具体可概括为：煤矿瓦斯爆炸火焰波和前驱冲击波都表现出相似的传播衰减规律，都经历先加速后减速传播，最终火焰波以层流预混气体正常燃烧速度传播，前驱冲击波衰减为声波，但火焰波和前驱冲击波在传播距离和存在时间上有很大的差异；另外，实际参与反应的瓦斯量是影响瓦斯爆炸火焰渡传播规律认识的重要因素。由于影响煤矿瓦斯爆炸传播规律因素的多样性、复杂性，以及影响因素之间互相耦合性，对于煤矿瓦斯爆炸传播规律还需进一步研究。