矿井隔爆密闭墙抗暴冲击压力的数值模拟研究

陈哲

摘 要：煤矿隔爆密闭墙是煤矿安全生产的重要保障，本文以密闭墙为研究对象，通过密闭墙抗暴冲击压力试验，得到爆炸最大压力为1.03MPa，通过Fluent数值模拟软件得到瓦斯爆炸对密封墙造成的最大压力为0.7MPa，小于试验过程中测得的1.03MPa，两者皆远远小于矿山压力叠加最大值5.3MPa，满足安全生产的要求。

关键词：隔爆密闭墙;冲击压力;Fluent数值模拟

1 引言

煤矿密闭墙是防止采空区煤与瓦斯自燃的重要措施。密闭墙不仅能在强度上承受来自料浆的作用力，还能在结构上满足充填料浆的滤水，在一定的冲击压力作用下，即使发生变形，利用其良好的气密性和强度指数也能起到很好的隔断作用。目前，充填料浆的力学特性和密闭墙的破坏机理是矿山密闭墙设计的关键，传统的泥浆充填在强大的冲击力作用下容易造成气体的泄露，长时间应力作用下，密闭墙的气密性能降低，严重影响生产的安全进行[1]。为此，本文以山西某矿为研究背景，通过密闭墙抗暴冲击压力试验得到爆炸最大压力为1.03MPa，远远小于矿山压力叠加最大值5.3MPa，满足生产的安全进行。

2 密闭墙抗暴冲击压力试验

密闭墙抗暴冲击压力试验选择甲烷以及煤粉进行，以GB/T 16425-1996为标准，实验中甲烷含量上限是14%，下限是5%，符合国家规定。试验过程中，燃烧产生的红色火焰，且并未发生爆炸现象，因此证明了试验方法的合理性。试验工程中，观察爆炸压力随时间的变化曲线，得到图1所示的结果，从图中可以看出，在测试初始阶段，爆炸压力值较为稳定，当时间为2.1×105ms时，爆炸压力开始增加，最大值达到0.58MPa，随后爆炸压力值逐渐下降。

为了准确计算试验过程中气体的爆炸压力，对实验条件做以下假设：试验过程中的空气主要有氮气和氧气组成;试验初始温度为常温，初始压力为101kPa，试验前后条件均为初始状态;在计算过程中，温度函数不受试验压力和气体密度影响;试验产生的热量均用于爆炸作用，不存在外漏以及反应不充分现象。

试验过程中的CH4燃烧方程为：

试验过程中爆炸最大压力公式为：

式中，爆炸最大压力值为pmax，单位MPa;pmax为爆炸最大压力对应的温度，单位为℃;p0为初始压力，值为101kPa;T0为初始温度，25℃;气体摩尔数m、n均为10.3。

反应后气体产生的总热量为：

式中，产生的总热量为Cr，单位J;Cri为各产物的热量值，单位J;各个产物的摩尔系数为ni。

因为甲烷燃烧的速度极快，在反应的过程中，基本处于绝热的状态，因此可用以下公式进行燃烧热计算：

根据公式（3）可得到反应过程中产生的总热量为：

计算过程中，CO2、H2O、N2的热量分别是36.8+

0.00214T、15.6+0.00621T、19.0+0.00251T，其中T为强度。试验过程中产生的最高温度为2786℃，爆炸最大压力为1.03MPa，产生的总热量为220.9+0.03446T。

3 密闭墙冲击压力数值模拟分析

为了验证试验结果的准确性，因此进行了数值模拟分析，数值模拟过程中，假设巷道内充满气体，且以瓦斯混合气体的方式存在，当巷道一侧发生火灾后，巷道内气体迅速消耗，燃烧形成火焰，高温使得扩散层流由内向外迅速扩散;燃烧产生的火焰球因为巷道壁的存在扩散困难，导致火焰球长时间存在于巷道内，在巷道壁的阻碍作用下，火焰球侧面最终以平面的形式展现出巷道内气体模型。模拟实验得知，爆炸从巷道左侧开始，通过燃烧区最终聚集在冲击波区。

并对巷道进行边界以及初始条件设置，设置模型巷道壁为绝热面，巷道壁的初始温度为228.52K，粗糙度为0.03mm。利用Fluent数值模拟软件中的自适应温度调节功能，对温度梯度进行网格划分，在网格划分的过程中，不同尺度下划分单元格下带来的计算时间以及计算结果差异小，在大量计算的过程中发现，当采用5mm划分单元时，网格划分细，计算结果更加准确，计算时间也最小，因此选用5mm划分单元，划分了8653分单元。

模拟密封强冲击压力试验其实是气体燃烧反应的过程中，在极其短暂的时间内气体反应燃烧过程中，必然满足能量守恒以及化学组分平衡方程。通过试验再进行计算浪费大量的时间且计算过程复杂，因此采用模型模块中的湍流模型，输入非稳态的Navier-Stokes方程，实现了方程組的封闭式快速求解。在模型以及计算方法的选择上，应该尽量以实际情况为准，选择通用性较高、模型简单、计算结果准确的模型。

在上述数值模型的基础上，设定模拟巷道内瓦斯气体的浓度为9.6%，通过Fluent软件进行气体传压过程中温度、速度以及压力等参数的同时。当巷道内瓦斯点燃后，点燃瞬间形成火焰球，气体的迅速燃烧消耗了巷道内的气体，且燃烧产生的大量热量使得巷道内压力剧增，因此产生了压力冲击波。在压力冲击波的催化作用下，巷道为未燃烧的气体迅速点燃，造成了燃烧反应的二次进行，然后产生的热量扩大了压力冲击波的范围，如此往复进行，冲击波范围不断扩大，影响范围也越来越广。通过对巷道冲击内压的分布监测可知，当巷道气体燃烧时，燃烧点处立即形成冲击波，当燃烧范围不断扩大，巷道内气体压力逐渐上升，虽然上升趋势逐渐降低，但是巷道内气体压力一直在增加。

图2为超压随时间的变化曲线，从图中可以看出，当时间达到1.5s后，超压迅速增加，时间为2.3s左右，超压增加趋势缓慢，最后逐渐趋于稳定，整个过程时间短暂，图3中的模拟结果仅仅发生0.8s，巷道冲击压力范围2m，将数据进行对比分析，两者趋势相同。

通过监测结果分析得知，瓦斯爆炸对密封墙造成的最大压力为0.7MPa，小于试验过程中测得的1.03MPa，根据规定，矿井密封墙设计的压力最大值为5.3MPa，证明了密封墙设计的安全性。

4 结论

通过密闭墙抗暴冲击压力试验，计算得到试验过程中产生的最高温度为2786℃，爆炸最大压力为1.03MPa，产生的总热量为220.9+0.03446T。通过数值模拟研究，得到瓦斯爆炸对密封墙造成的最大压力为0.7MPa，密封墙设计安区性系数高。工作面采空区密封墙的设计既可以防止氧气等气体进入采空区，又可防止采空区内气体溢出至工作面，可以保证生产的安全进行。矿井应根据采区的地质条件考虑密闭墙的服务年限，承受一定压力的同时，抵挡外界灾害满足生产的安全进行。

参考文献：

[1]滕博，姜福兴，莫自宁，等.煤矿防爆密闭墙技术标准探讨[J].煤炭科学技术，2007（002）：97-100.