3　瓦斯爆炸的破坏效应

　　瓦斯爆炸的破坏和伤害体现在爆炸的传播过程中。实验研究和现场勘察表明，瓦斯爆炸产生的致命危险因素有:火焰锋面的高温灼烧、爆炸冲击波的超压破坏及作用时间和井巷内有毒有害气体成分的变化。

　　爆炸过程，特别是高能量爆炸中产生的强大冲击波在击碎地质介质〔9-10〕的同时，也往往危及到爆炸源附近一定范围内地下工程的稳定与安全。某直墙拱形地下巷道(锚支)在一次较大当量的爆炸事件中发生了大范围的坍塌，破坏总长度超过100 m，巷道完全报废。根据文献资料，火焰速度<100 m/s时所产生冲击波可近似处理成声波，引起的结构破坏较小；一旦火焰加速达到200 m/s时则会引起严重的湍流效应，这种高速火焰的压力波引起的爆炸波的破坏效应与爆轰波产生的破坏效应相当，产生构破坏程度很大。究其原因，则是由于在瓦斯爆炸过程中，瓦斯被点燃后，燃烧产物膨胀，火焰阵面前形成冲击波，并压缩未反应的混合物，这种冲击波阵面到火焰阵面之间面积收敛，形成了较大的附加压缩，其最终的流场性质从冲击波到火焰是逐渐增加的。火焰传播速度越大，冲击波阵面到火焰阵面之间面积收敛越急剧，超压值就越大，引起的破坏效应越大；同时，瓦斯爆炸的破坏效应体现在传播阶段。因此，掌握瓦斯爆炸传播阶段的力学变化特征及物理机制，对于制定瓦斯阻隔爆措施、查清事故原因，具有理论和实践意义。瓦斯爆炸的点火阶段是外界火源诱发的链式反应过程，其反应速度以指数函数形式递增，燃烧迅速从火源附近扩张到整个巷断面，形成爆炸波的初始条件。实验和理论分析均表明〔11-13〕，点火阶段在瓦

　　斯爆炸过程中所占时间极短，瓦斯爆炸事故的时间主要体现在传播阶段。从传播空间上，瓦斯爆炸的传播可分为含瓦斯气体和一般空气2个区域中传播。在含瓦斯气体区域，瓦斯爆炸传播的物理机制是:点火阶段形成的高温、高压气体迅速向远离火源方向冲击，高温高压气体与前方气体之间在压力、温度、速度等物理参数上存在突变，即数学间断，表现出明显的波动效应，两种气体的接触面为前驱冲击波的波阵面。紧随前驱冲击波后面的是火焰波阵面，火焰波阵面实际上是在已受扰动的气体中传播，而火焰波后面的气体则与火焰区有显著差异。因此，这一阶段的爆炸冲击波结构是前驱冲击波波阵面和火焰波阵面的双波三区结构，由于火焰波不断补充能量，前驱冲击波的压力、波速是处于递增状态。在这一阶段，火焰传播速度(Vf)、前驱冲击波的最大压力(pq)是表征瓦斯爆炸伤害与破坏效应的重要参数。由于前驱冲击波的压缩效应，波后气体与波前气体存在密度差，根据波动理论，在前驱冲击波传播的同时，存在气体的膨胀波以当地声速沿其反方向传播。在一般空气区域，瓦斯气体燃烧完，火焰波消失，爆炸波演变为一般空气冲击波，传播阶段，由于摩擦、巷道壁面的吸热，冲击波的压力、温度、速度参数沿传播方向呈衰减状态，最终恢复至正常大气参数。在这一阶段，气体冲击波的冲量(Is)、波阵面的超压(Δp)是决定其伤害与破坏的关键因素。

　　煤矿瓦斯爆炸的属性一般为爆燃过程。但在一定条件下(瓦斯浓度分布条件、引爆方式和强度、瓦斯爆炸空间几何特性〔8〕等) ，有可能发展为爆轰过程。煤矿巷道发生爆燃，其主要破坏特征是热破坏效应，机械破坏作用较为有限，但一旦发生瓦斯爆轰，出现激波，其形成的爆压、爆温、爆速对矿井的破坏效应比爆燃要大得多，惨重得多。火焰与超压之间的相互关系是:冲击波阵面的强度与火焰的传播速度有关，火焰速度<100 m/s时，超压较小。由于超压是反映冲击波阵面强度的重要指标，因此，当火焰速度<100 m/s时，反映出冲击波阵面强度较弱；一旦火焰速度超过200 m/s ，超压明显增大，冲击波阵面的强度提高。在瓦斯爆炸过程中，瓦斯被点燃后，燃烧产物膨胀，火焰阵面前形成冲击波，并压缩未反应的混合物，冲击波阵面到火焰阵面之间面积收敛，形成了较大的附加压缩，其最终的流场性质从冲击波到火焰是逐渐增加的。火焰传播速度越快，冲击波阵面到火焰阵面之间面积收敛越急剧，超压值就越大，引起的破坏效应就可能越大。对于煤矿井下来说，则会导致经济损失以及人员伤亡的增大。

　　瓦斯爆炸冲击波对通风设施的破坏，与冲击波强弱和目标有关。描述空气冲击波破坏效应的主要参数有3个:峰值超压、正压作用时间和冲量。冲击波峰值超压表示冲击波瞬间作用的量，而冲量则表达出在温度可达2 300℃时，冲击波的峰值压力会达到约30×101 325 Pa，而爆炸产物中CO的浓度会达9%，在极短时间内就会导致人死亡。有时冲击波的破坏范围会达数千米，会危及地面安全。正压区时间范围内超压的持续作用量，二者对目标都起破坏作用，哪一个起主要作用，要看目标对冲击波破坏载荷接受的情况。冲击波破坏作用的准则有3个:超压准则、冲量准则、超压—冲量准则。实验研究表明，当正压区作用时间大于10倍的物体自振动周期时，物体的破坏可以靠冲击波峰值超计算。按超压准则，只要冲击波超压达到一定值时，便会对目标造成一定的破坏。当超压达到0.08~0.1 MPa时，能使砖墙倒塌，达0.1~0.21 MPa时能使防震钢筋混凝土破坏。冲击波对建筑物破坏作用的研究已有成熟的结果，国家也有关于建筑物防冲击波破坏的安全距离的设计规定，但对于煤矿井下通风构筑物的抗冲击波强度值，目前还要进行理论研究或实验数据的获取。

　　4　分析讨论

　　4.1　存在问题

　　通过对上述分析研究，瓦斯爆炸的衰减规律和破坏效应方面的研究存在的问题如下:

　　(1)当瓦斯涌出的浓度、体积、聚积位置确定的条件下发生瓦斯爆炸时，以往的文献对由此产生的爆炸冲击波沿巷道的传播过程中冲击波是如何衰减的，压力场、温度场、浓度场在时间、空间上的衰减规律未做出有效的研究。

　　(2)井下掘进巷道内不同形状的通风构筑物材料组成、自振周期等因素各不相同，当瓦斯爆炸冲击波对构筑物产生破坏作用时，其破坏机理如何?在相互作用当中，冲击波的超压峰值、正压作用时间、比冲量等主要参数，以及空气冲击波波阵面上的空气密度、绝对温度、声速、空气质点速度、波阵面的传播速度等参数的变化及它们的关系对破坏效应的影响如何等问题都需进一步研究。

　　4.2　分析研究对上述问题主要运用数学、热力学、气体动力学、爆炸动力学等理论〔3，14〕进行分析，并与实验相结合进行研究。

　　(1)由于瓦斯爆炸过程当中产生高温和高压，爆炸的瞬间未爆炸的瓦斯空气预混气体和爆炸后的爆轰产物均可视为理想气体。应用气体状态方程:p1V1T1=p2V2T2，在确定初始条件(p1， V1，T1)和边界条件的情况下，通过理论分析、数值模拟和实验研究求得p2、V2、T2，即爆炸后的超压等特征参数；通过对爆炸后产生的膨胀气体进行研究，利用质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、内能方程和辅方程求出爆炸后的超压、冲量、爆速、正压作用时间、气体温度等动力学参数并进行比较和验证。

　　(2)应用气体动力学和爆炸动力学理论，研究爆炸波特征参数在掘进巷道中的衰减规律；以及在距爆源一定距离，超压、温度、瓦斯浓度等参数的衰减变化规律。

　　(3)在距爆源一定距离且条件不同的情形下，哪些参量起主导作用，其破坏程度如何?由上述理论分析和实验研究所获得的超压、温度等参数，研究爆炸冲击波对形状、大小、材料、位置、自振周期等性质不同的通风构筑物的破坏。通过理论研究和实验结果的分析，求得瓦斯爆炸对通风系统的破坏效应，并与事故现场取得的数据对比，进行印证。在此基础上研究对通风系统以及整个矿井的影响，为救灾决策提供依据。

　　5　结　论

　　根据已有研究和试验结果研究掘进巷道瓦斯爆炸冲击波传播规律和衰减规律，拟合出有障碍物(通风构筑物)、半封闭条件下距爆源不同距离的超压、温度、浓度等瓦斯爆炸特征参数之间的关系式，并根据前人对转弯、分岔巷道中障碍物对冲击波传播影响的实验研究结果，拟合出公式和验证。通过对冲击波阵面上超压△p的大小、冲击波的作用时间及作用压力随时间变化的性质、构筑物所处的位置(即建筑物与冲击波阵面的相对关系)、构筑物的形状和大小、构筑物的自振周期、其他参数等因素的研究，确定对构筑物的破坏机理和对通风系统破坏效应。瓦斯爆炸是一种强烈的气体燃烧动力现象，其中涉及到爆轰物理、化学反应动力学、燃烧学及流体力学等多方面的知识，由于这一现象的复杂性，因此，当前仍有许多领域还处于研究探讨之中。本文针对煤矿井下巷道环境中瓦斯爆炸的一些特征进行了探讨，希望对瓦斯爆炸事故的防治有所裨益。