3　瓦斯爆炸的破壞效應

　　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生的強大沖擊波在擊碎地質介質〔9-10〕的同時，也往往危及到爆炸源附近一定范圍內地下工程的穩(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。根據文獻資料，火焰速度<100 m/s時所產生沖擊波可近似處理成聲波，引起的結構破壞較小；一旦火焰加速達到200 m/s時則會引起嚴重的湍流效應，這種高速火焰的壓力波引起的爆炸波的破壞效應與爆轟波產生的破壞效應相當，產生構破壞程度很大。究其原因，則是由于在瓦斯爆炸過程中，瓦斯被點燃后，燃燒產物膨脹，火焰陣面前形成沖擊波，并壓縮未反應的混合物，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，引起的破壞效應越大；同時，瓦斯爆炸的破壞效應體現(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)的鏈式反應過程，其反應速度以指數函數形式遞增，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、速度等物理參數上存在突變，即數學間斷，表現(xiàn)出明顯的波動效應，兩種氣體的接觸面為前驅沖擊波的波陣面。緊隨前驅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構是前驅沖擊波波陣面和火焰波陣面的雙波三區(qū)結構，由于火焰波不斷補充能量，前驅沖擊波的壓力、波速是處于遞增狀態(tài)。在這一階段，火焰?zhèn)鞑ニ俣?Vf)、前驅沖擊波的最大壓力(pq)是表征瓦斯爆炸傷害與破壞效應的重要參數。由于前驅沖擊波的壓縮效應，波后氣體與波前氣體存在密度差，根據波動理論，在前驅沖擊波傳播的同時，存在氣體的膨脹波以當地聲速沿其反方向傳播。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、速度參數沿傳播方向呈衰減狀態(tài)，最終恢復至正常大氣參數。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，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比爆燃要大得多，慘重得多?；鹧媾c超壓之間的相互關系是:沖擊波陣面的強度與火焰的傳播速度有關，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，燃燒產物膨脹，火焰陣面前形成沖擊波，并壓縮未反應的混合物，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，引起的破壞效應就可能越大。對于煤礦井下來說，則會導致經濟損失以及人員傷亡的增大。

　　瓦斯爆炸沖擊波對通風設施的破壞，與沖擊波強弱和目標有關。描述空氣沖擊波破壞效應的主要參數有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，而爆炸產物中CO的濃度會達9%，在極短時間內就會導致人死亡。有時沖擊波的破壞范圍會達數千米，會危及地面安全。正壓區(qū)時間范圍內超壓的持續(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果，國家也有關于建筑物防沖擊波破壞的安全距離的設計規(guī)定，但對于煤礦井下通風構筑物的抗沖擊波強度值，目前還要進行理論研究或實驗數據的獲取。

　　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)井下掘進巷道內不同形狀的通風構筑物材料組成、自振周期等因素各不相同，當瓦斯爆炸沖擊波對構筑物產生破壞作用時，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，以及空氣沖擊波波陣面上的空氣密度、絕對溫度、聲速、空氣質點速度、波陣面的傳播速度等參數的變化及它們的關系對破壞效應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，并與實驗相結合進行研究。

　　(1)由于瓦斯爆炸過程當中產生高溫和高壓，爆炸的瞬間未爆炸的瓦斯空氣預混氣體和爆炸后的爆轟產物均可視為理想氣體。應用氣體狀態(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；通過對爆炸后產生的膨脹氣體進行研究，利用質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律、內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并進行比較和驗證。

　　(2)應用氣體動力學和爆炸動力學理論，研究爆炸波特征參數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档乃p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，研究爆炸沖擊波對形狀、大小、材料、位置、自振周期等性質不同的通風構筑物的破壞。通過理論研究和實驗結果的分析，求得瓦斯爆炸對通風系統(tǒng)的破壞效應，并與事故現(xiàn)場取得的數據對比，進行印證。在此基礎上研究對通風系統(tǒng)以及整個礦井的影響，為救災決策提供依據。

　　5　結　論

　　根據已有研究和試驗結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之間的關系式，并根據前人對轉彎、分岔巷道中障礙物對沖擊波傳播影響的實驗研究結果，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、構筑物所處的位置(即建筑物與沖擊波陣面的相對關系)、構筑物的形狀和大小、構筑物的自振周期、其他參數等因素的研究，確定對構筑物的破壞機理和對通風系統(tǒng)破壞效應。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)象的復雜性，因此，當前仍有許多領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。