3　瓦斯爆炸的破壞效應(yīng)

　　瓦斯爆炸的破壞和傷害體現(xiàn)在爆炸的傳播過程中。實驗研究和現(xiàn)場勘察表明，瓦斯爆炸產(chǎn)生的致命危險因素有:火焰鋒面的高溫灼燒、爆炸沖擊波的超壓破壞及作用時間和井巷內(nèi)有毒有害氣體成分的變化。

　　爆炸過程，特別是高能量爆炸中產(chǎn)生的強大沖擊波在擊碎地質(zhì)介質(zhì)〔9-10〕的同時，也往往危及到爆炸源附近一定范圍內(nèi)地下工程的穩(wěn)定與安全。某直墻拱形地下巷道(錨支)在一次較大當量的爆炸事件中發(fā)生了大范圍的坍塌，破壞總長度超過100 m，巷道完全報廢。根據(jù)文獻資料，火焰速度<100 m/s時所產(chǎn)生沖擊波可近似處理成聲波，引起的結(jié)構(gòu)破壞較小；一旦火焰加速達到200 m/s時則會引起嚴重的湍流效應(yīng)，這種高速火焰的壓力波引起的爆炸波的破壞效應(yīng)與爆轟波產(chǎn)生的破壞效應(yīng)相當，產(chǎn)生構(gòu)破壞程度很大。究其原因，則是由于在瓦斯爆炸過程中，瓦斯被點燃后，燃燒產(chǎn)物膨脹，火焰陣面前形成沖擊波，并壓縮未反應(yīng)的混合物，這種沖擊波陣面到火焰陣面之間面積收斂，形成了較大的附加壓縮，其最終的流場性質(zhì)從沖擊波到火焰是逐漸增加的?；鹧?zhèn)鞑ニ俣仍酱螅瑳_擊波陣面到火焰陣面之間面積收斂越急劇，超壓值就越大，引起的破壞效應(yīng)越大；同時，瓦斯爆炸的破壞效應(yīng)體現(xiàn)在傳播階段。因此，掌握瓦斯爆炸傳播階段的力學變化特征及物理機制，對于制定瓦斯阻隔爆措施、查清事故原因，具有理論和實踐意義。瓦斯爆炸的點火階段是外界火源誘發(fā)的鏈式反應(yīng)過程，其反應(yīng)速度以指數(shù)函數(shù)形式遞增，燃燒迅速從火源附近擴張到整個巷斷面，形成爆炸波的初始條件。實驗和理論分析均表明〔11-13〕，點火階段在瓦

　　斯爆炸過程中所占時間極短，瓦斯爆炸事故的時間主要體現(xiàn)在傳播階段。從傳播空間上，瓦斯爆炸的傳播可分為含瓦斯氣體和一般空氣2個區(qū)域中傳播。在含瓦斯氣體區(qū)域，瓦斯爆炸傳播的物理機制是:點火階段形成的高溫、高壓氣體迅速向遠離火源方向沖擊，高溫高壓氣體與前方氣體之間在壓力、溫度、速度等物理參數(shù)上存在突變，即數(shù)學間斷，表現(xiàn)出明顯的波動效應(yīng)，兩種氣體的接觸面為前驅(qū)沖擊波的波陣面。緊隨前驅(qū)沖擊波后面的是火焰波陣面，火焰波陣面實際上是在已受擾動的氣體中傳播，而火焰波后面的氣體則與火焰區(qū)有顯著差異。因此，這一階段的爆炸沖擊波結(jié)構(gòu)是前驅(qū)沖擊波波陣面和火焰波陣面的雙波三區(qū)結(jié)構(gòu)，由于火焰波不斷補充能量，前驅(qū)沖擊波的壓力、波速是處于遞增狀態(tài)。在這一階段，火焰?zhèn)鞑ニ俣?Vf)、前驅(qū)沖擊波的最大壓力(pq)是表征瓦斯爆炸傷害與破壞效應(yīng)的重要參數(shù)。由于前驅(qū)沖擊波的壓縮效應(yīng)，波后氣體與波前氣體存在密度差，根據(jù)波動理論，在前驅(qū)沖擊波傳播的同時，存在氣體的膨脹波以當?shù)芈曀傺仄浞捶较騻鞑?。在一般空氣區(qū)域，瓦斯氣體燃燒完，火焰波消失，爆炸波演變?yōu)橐话憧諝鉀_擊波，傳播階段，由于摩擦、巷道壁面的吸熱，沖擊波的壓力、溫度、速度參數(shù)沿傳播方向呈衰減狀態(tài)，最終恢復(fù)至正常大氣參數(shù)。在這一階段，氣體沖擊波的沖量(Is)、波陣面的超壓(Δp)是決定其傷害與破壞的關(guān)鍵因素。

　　煤礦瓦斯爆炸的屬性一般為爆燃過程。但在一定條件下(瓦斯?jié)舛确植紬l件、引爆方式和強度、瓦斯爆炸空間幾何特性〔8〕等) ，有可能發(fā)展為爆轟過程。煤礦巷道發(fā)生爆燃，其主要破壞特征是熱破壞效應(yīng)，機械破壞作用較為有限，但一旦發(fā)生瓦斯爆轟，出現(xiàn)激波，其形成的爆壓、爆溫、爆速對礦井的破壞效應(yīng)比爆燃要大得多，慘重得多?；鹧媾c超壓之間的相互關(guān)系是:沖擊波陣面的強度與火焰的傳播速度有關(guān)，火焰速度<100 m/s時，超壓較小。由于超壓是反映沖擊波陣面強度的重要指標，因此，當火焰速度<100 m/s時，反映出沖擊波陣面強度較弱；一旦火焰速度超過200 m/s ，超壓明顯增大，沖擊波陣面的強度提高。在瓦斯爆炸過程中，瓦斯被點燃后，燃燒產(chǎn)物膨脹，火焰陣面前形成沖擊波，并壓縮未反應(yīng)的混合物，沖擊波陣面到火焰陣面之間面積收斂，形成了較大的附加壓縮，其最終的流場性質(zhì)從沖擊波到火焰是逐漸增加的?；鹧?zhèn)鞑ニ俣仍娇?，沖擊波陣面到火焰陣面之間面積收斂越急劇，超壓值就越大，引起的破壞效應(yīng)就可能越大。對于煤礦井下來說，則會導致經(jīng)濟損失以及人員傷亡的增大。

　　瓦斯爆炸沖擊波對通風設(shè)施的破壞，與沖擊波強弱和目標有關(guān)。描述空氣沖擊波破壞效應(yīng)的主要參數(shù)有3個:峰值超壓、正壓作用時間和沖量。沖擊波峰值超壓表示沖擊波瞬間作用的量，而沖量則表達出在溫度可達2 300℃時，沖擊波的峰值壓力會達到約30×101 325 Pa，而爆炸產(chǎn)物中CO的濃度會達9%，在極短時間內(nèi)就會導致人死亡。有時沖擊波的破壞范圍會達數(shù)千米，會危及地面安全。正壓區(qū)時間范圍內(nèi)超壓的持續(xù)作用量，二者對目標都起破壞作用，哪一個起主要作用，要看目標對沖擊波破壞載荷接受的情況。沖擊波破壞作用的準則有3個:超壓準則、沖量準則、超壓—沖量準則。實驗研究表明，當正壓區(qū)作用時間大于10倍的物體自振動周期時，物體的破壞可以靠沖擊波峰值超計算。按超壓準則，只要沖擊波超壓達到一定值時，便會對目標造成一定的破壞。當超壓達到0.08~0.1 MPa時，能使磚墻倒塌，達0.1~0.21 MPa時能使防震鋼筋混凝土破壞。沖擊波對建筑物破壞作用的研究已有成熟的結(jié)果，國家也有關(guān)于建筑物防沖擊波破壞的安全距離的設(shè)計規(guī)定，但對于煤礦井下通風構(gòu)筑物的抗沖擊波強度值，目前還要進行理論研究或?qū)嶒灁?shù)據(jù)的獲取。

　　4　分析討論

　　4.1　存在問題

　　通過對上述分析研究，瓦斯爆炸的衰減規(guī)律和破壞效應(yīng)方面的研究存在的問題如下:

　　(1)當瓦斯涌出的濃度、體積、聚積位置確定的條件下發(fā)生瓦斯爆炸時，以往的文獻對由此產(chǎn)生的爆炸沖擊波沿巷道的傳播過程中沖擊波是如何衰減的，壓力場、溫度場、濃度場在時間、空間上的衰減規(guī)律未做出有效的研究。

　　(2)井下掘進巷道內(nèi)不同形狀的通風構(gòu)筑物材料組成、自振周期等因素各不相同，當瓦斯爆炸沖擊波對構(gòu)筑物產(chǎn)生破壞作用時，其破壞機理如何?在相互作用當中，沖擊波的超壓峰值、正壓作用時間、比沖量等主要參數(shù)，以及空氣沖擊波波陣面上的空氣密度、絕對溫度、聲速、空氣質(zhì)點速度、波陣面的傳播速度等參數(shù)的變化及它們的關(guān)系對破壞效應(yīng)的影響如何等問題都需進一步研究。

　　4.2　分析研究對上述問題主要運用數(shù)學、熱力學、氣體動力學、爆炸動力學等理論〔3，14〕進行分析，并與實驗相結(jié)合進行研究。

　　(1)由于瓦斯爆炸過程當中產(chǎn)生高溫和高壓，爆炸的瞬間未爆炸的瓦斯空氣預(yù)混氣體和爆炸后的爆轟產(chǎn)物均可視為理想氣體。應(yīng)用氣體狀態(tài)方程:p1V1T1=p2V2T2，在確定初始條件(p1， V1，T1)和邊界條件的情況下，通過理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究求得p2、V2、T2，即爆炸后的超壓等特征參數(shù)；通過對爆炸后產(chǎn)生的膨脹氣體進行研究，利用質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律、內(nèi)能方程和輔方程求出爆炸后的超壓、沖量、爆速、正壓作用時間、氣體溫度等動力學參數(shù)并進行比較和驗證。

　　(2)應(yīng)用氣體動力學和爆炸動力學理論，研究爆炸波特征參數(shù)在掘進巷道中的衰減規(guī)律；以及在距爆源一定距離，超壓、溫度、瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)的衰減變化規(guī)律。

　　(3)在距爆源一定距離且條件不同的情形下，哪些參量起主導作用，其破壞程度如何?由上述理論分析和實驗研究所獲得的超壓、溫度等參數(shù)，研究爆炸沖擊波對形狀、大小、材料、位置、自振周期等性質(zhì)不同的通風構(gòu)筑物的破壞。通過理論研究和實驗結(jié)果的分析，求得瓦斯爆炸對通風系統(tǒng)的破壞效應(yīng)，并與事故現(xiàn)場取得的數(shù)據(jù)對比，進行印證。在此基礎(chǔ)上研究對通風系統(tǒng)以及整個礦井的影響，為救災(zāi)決策提供依據(jù)。

　　5　結(jié)　論

　　根據(jù)已有研究和試驗結(jié)果研究掘進巷道瓦斯爆炸沖擊波傳播規(guī)律和衰減規(guī)律，擬合出有障礙物(通風構(gòu)筑物)、半封閉條件下距爆源不同距離的超壓、溫度、濃度等瓦斯爆炸特征參數(shù)之間的關(guān)系式，并根據(jù)前人對轉(zhuǎn)彎、分岔巷道中障礙物對沖擊波傳播影響的實驗研究結(jié)果，擬合出公式和驗證。通過對沖擊波陣面上超壓△p的大小、沖擊波的作用時間及作用壓力隨時間變化的性質(zhì)、構(gòu)筑物所處的位置(即建筑物與沖擊波陣面的相對關(guān)系)、構(gòu)筑物的形狀和大小、構(gòu)筑物的自振周期、其他參數(shù)等因素的研究，確定對構(gòu)筑物的破壞機理和對通風系統(tǒng)破壞效應(yīng)。瓦斯爆炸是一種強烈的氣體燃燒動力現(xiàn)象，其中涉及到爆轟物理、化學反應(yīng)動力學、燃燒學及流體力學等多方面的知識，由于這一現(xiàn)象的復(fù)雜性，因此，當前仍有許多領(lǐng)域還處于研究探討之中。本文針對煤礦井下巷道環(huán)境中瓦斯爆炸的一些特征進行了探討，希望對瓦斯爆炸事故的防治有所裨益。