封閉巷道擋板對(duì)爆炸沖擊波傳播的影響研究

邊振華，李小萌

（河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056000）

井下巷道發(fā)生的瓦斯爆炸沖擊波會(huì)對(duì)井下工作人員、施工設(shè)備產(chǎn)生難以估量的傷害和損失，沖擊波也會(huì)損害礦井壁面結(jié)構(gòu)，加大礦井坍塌的風(fēng)險(xiǎn)[1-4]。洪溢都等[5]得到了沖擊波在開口型系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)態(tài)演化特征；WANG Cheng 等[6]得出了爆炸沖擊波的破壞力在瓦斯爆炸發(fā)生瞬間最大的結(jié)果；程良玉等[7]研究了近場(chǎng)沖擊波在有限空間內(nèi)傳播的衰減和超壓變化規(guī)律；衛(wèi)禹辰等[8]從內(nèi)凹蜂窩梯度結(jié)構(gòu)來研究對(duì)沖擊波的削減效應(yīng)；高娜等[9]研究了瓦斯量、瓦斯?jié)舛鹊纫蛩貙?duì)爆炸壓力的影響；SINGH[10]和龐磊等[11]考慮了泄爆空間的幾何尺寸對(duì)爆炸超壓的影響；劉如成等[12]和劉星魁等[13]對(duì)巷道的分岔及轉(zhuǎn)角對(duì)沖擊波的影響進(jìn)行了研究；A M NA’INNA 等[14]、孟亦飛等[15]、徐阿猛等[16]和宋曉婷等[17]分別就圓形管道、大尺寸通風(fēng)管網(wǎng)以及具有不同形狀障礙物的管路的沖擊波傳播特征進(jìn)行了充分的探究；徐景德等[18]和呂華等[19]分別就圓柱形金屬絲網(wǎng)的長(zhǎng)徑比以及填充微米級(jí)砂粒的砂墻來探究對(duì)于激波超壓的削弱效果；王成等[20]針對(duì)長(zhǎng)平直管道設(shè)計(jì)了不同擋板結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸超壓的影響；邵繼偉等[21]選擇了不同的多孔材料探究對(duì)甲烷/空氣的抑爆作用。

以上學(xué)者對(duì)于直管或彎管內(nèi)置障礙物的爆炸沖擊研究已經(jīng)非常成熟，得到了爆炸沖擊波在爆炸瞬間破壞性最大以及障礙物密度、形狀、拐角對(duì)超壓的影響等結(jié)論?；诖耍瑢奶囟ㄏ锏?，如避難硐室這一類封閉支路內(nèi)設(shè)置障礙物的方向進(jìn)行深入研究，將模擬在封閉支路內(nèi)設(shè)置不同類型，且不會(huì)阻擋人員通行的擋板，研究其對(duì)巷道內(nèi)部以及避難硐室所處的巷道底部壓力變化情況。

1 沖擊波傳播數(shù)值模擬

對(duì)爆炸模擬過程進(jìn)行了以下合理假設(shè)與簡(jiǎn)化：巷道及擋板為剛性絕熱壁面，不產(chǎn)生相對(duì)位移，不考慮容器與外界的能量交換；忽略壁面與沖擊波傳播過程中的流固耦合效應(yīng)；沖擊波為正激波，垂直于壁面?zhèn)鞑ィ缓雎员ǚ磻?yīng)的中間產(chǎn)物。

模擬采用有限體積法[22]，設(shè)氣體爆炸初始?jí)毫? 000 kPa，溫度297 K，無初始速度。除末端出口位置外，其他邊界條件均選擇剛性絕熱壁面邊界，出口邊界設(shè)置壓力出口。為得到更加精準(zhǔn)的模擬結(jié)果，湍流模型采用基于雷諾平均N-S 方程組模型的κ-ε兩方程模式[23]。由于井下瓦斯爆炸情況復(fù)雜，沖擊波傳播速度大，故模擬過程選擇非平衡壁面函數(shù)。

模擬使用的巷道截面為正方形，形狀比較規(guī)則，且屬于軸對(duì)稱，截面已經(jīng)可以反映整個(gè)巷道的瓦斯爆炸過程；管網(wǎng)模型長(zhǎng)20 m，寬1 m。管網(wǎng)模型如圖1，避難硐室部分障礙物設(shè)置如圖2。

圖1 管網(wǎng)模型Fig.1 Pipe network model

圖2 避難硐室部分障礙物設(shè)置Fig.2 Partial obstacles setting in refuge chamber

模型選用的障礙物為長(zhǎng)0.5 m、寬0.1 m 的擋板，障礙物所在巷道寬1 m。模型分為3 部分，分別是爆炸區(qū)域、主巷道的傳播區(qū)域以及分岔巷道的觀測(cè)區(qū)域。選擇無反射邊界條件，同時(shí)為更好地測(cè)量邊界區(qū)域，將除爆炸區(qū)域外的邊界網(wǎng)格劃分為其他部分的5 倍，網(wǎng)格劃分采用映射網(wǎng)格劃分，單元尺寸為0.05 m，劃分后共13 235 個(gè)單元。

無擋板的封閉巷道內(nèi)沖擊波傳播過程如圖3。

圖3 無擋板的封閉巷道內(nèi)沖擊波傳播過程Fig.3 Shock wave propagation process in closed tunnel without baffle

該處可看作類T 型巷道，但與T 型管不同點(diǎn)在于避難硐室封閉后該處變?yōu)榉忾]口，主干巷道20 m，該支路距左側(cè)爆炸區(qū)域距離為7 m，開口處距避難硐室封閉門處為2 m，巷道寬1 m。x 軸、y 軸數(shù)值表示以巷道底部左下角為原點(diǎn)圖中各點(diǎn)位和原點(diǎn)的相對(duì)位置。當(dāng)沖擊波傳播至分岔口左側(cè)還未碰到分岔口右側(cè)拐角時(shí)，沖擊波的傳播規(guī)律和普通的拐彎巷道是接近的，都會(huì)因?yàn)闄M截面的突然增加，使得氣體發(fā)生膨脹，在拐彎處形成普朗特－邁耶流動(dòng)，沖擊波發(fā)生繞射由平面陣變成扇形陣面，并在左上拐角區(qū)域形成低壓渦團(tuán)。而當(dāng)沖擊波傳遞至右側(cè)拐角處時(shí)，拐角的阻礙作用會(huì)使得傳遞中的沖擊波分成2 部分，劃分出的主巷道沖擊波會(huì)繼續(xù)傳播，而傳播到封閉巷道的沖擊波會(huì)在封閉巷道右側(cè)拐角處發(fā)生積聚，形成高壓區(qū)，并不斷向下方的封閉巷道內(nèi)傳播，使得封閉巷道內(nèi)的流場(chǎng)更加復(fù)雜。

2 單擋板沖擊波模擬

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力

考慮到實(shí)際情況下，巷道中通常會(huì)放置一些重要機(jī)械等器具，所以監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)先考慮封閉巷道中部靠后側(cè)位置，R 型及L 型單擋板監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖4（十字交叉處即為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置）。無擋板及單個(gè)擋板條件下的測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線如圖5。

圖4 R 型及L 型單擋板監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.4 R type and L type single baffle monitoring points

圖5 無擋板及單個(gè)擋板條件下的測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線Fig.5 Measuring point pressure curves without baffle and with single baffle

由圖5 可知：在12 ms 左右時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沖擊波超壓快速上升，隨后在少許下降后迅速提升達(dá)到峰值點(diǎn)，該現(xiàn)象及其出現(xiàn)的原因與無障礙物模型基本一致，主要是由巷道截面積突然增大和壓力聚積造成的；在17 ms 左右時(shí)，從監(jiān)測(cè)點(diǎn)處可看到無障礙物和單側(cè)障礙物的壓力峰值均不相同，無障礙物（N 型）的峰值壓力達(dá)到了337 kPa。當(dāng)擋板置于沖擊波來向時(shí)（L 型），沖擊波壓力峰值為192 kPa，比N 型的峰值壓力減少了約42%；當(dāng)擋板置于出口處時(shí)（R型），沖擊波的峰值壓力為246 kPa，比N 型的峰值壓力減少了約27%。其原因是L 型擋板的沖擊波在發(fā)生普朗特－邁耶流動(dòng)后，由右側(cè)上半壁面發(fā)生反射至左側(cè)下半壁面，并在左側(cè)中部偏下壁面形成高壓區(qū)域并沿壁面下行至底部壁面，由底部壁面反射達(dá)到峰值點(diǎn)，而R 型擋板的沖擊波的一部分在發(fā)生普朗特-邁耶流動(dòng)后向下傳播，另一部分在反射后與向下傳播的部分匯合，由中間區(qū)域往下傳播，并和底部反射的沖擊波匯合在中間區(qū)域形成峰值點(diǎn)。

2.2 巷道底部壁面壓力

L 型及R 型單擋板底部峰值壓力點(diǎn)如圖6，單擋板及無擋板底部峰值壓力圖如圖7。

圖6 L 型及R 型單擋板底部峰值壓力點(diǎn)Fig.6 Peak pressure points at bottom of L type and R type single baffles

圖7 單擋板及無擋板底部峰值壓力圖Fig.7 Bottom peak pressure diagram without baffle and single baffle

由圖6 及圖7 可知：?jiǎn)螕醢逶O(shè)置的情況下封閉巷道底部壓力峰值點(diǎn)的壓力變化相近，L 型和R 型的峰值壓力分別為335、319 kPa，較無擋板情況下的474 kPa 分別減少了30.3%、32.8%。這是因?yàn)闆_擊波在形成普朗特-邁耶流動(dòng)時(shí)，N 型和L 型的沖擊波發(fā)生繞射向下擴(kuò)散并在右側(cè)壁面發(fā)生反射，而R 型擋板在發(fā)生繞射后，一部分沖擊波會(huì)立即在擋板處再次發(fā)生繞射及反射，由于每次反射都會(huì)損失部分能量，最后由各反射波匯聚的峰值壓力會(huì)因?yàn)榉瓷洳ǖ臄?shù)量和反射次數(shù)的增加而降低，但由于單擋板位于封閉巷道與主巷道交界處，對(duì)沖擊波的反射次數(shù)及傳播到巷道底部的時(shí)間影響并不大，故2種類型對(duì)巷道底部壁面的壓強(qiáng)削弱程度相差不大，R 型比L 型的削弱效果高2.8%。

3 雙擋板設(shè)置的封閉巷道沖擊波模擬結(jié)果

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力

雙擋板型測(cè)點(diǎn)位置如圖8。4 類擋板測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線如圖9。

圖8 雙擋板型測(cè)點(diǎn)位置Fig.8 Measuring point position of double baffle type

圖9 4 類擋板測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線Fig.9 Pressure variation curves at measuring points of four types of baffles

從圖9 可以看出，沖擊波在18 ms 左右到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在20 ms 左右到達(dá)第1 個(gè)峰值，結(jié)合模型可知，在經(jīng)過第1 個(gè)峰值點(diǎn)之后沖擊波仍不斷在封閉巷道內(nèi)部進(jìn)行反射，使得測(cè)點(diǎn)壓力在經(jīng)過第2 次峰值下降后有1 個(gè)緩慢提升的階段。

而RR 型擋板第1 次峰值壓力相比其他類型要小，是因?yàn)閴毫υ诘? 道擋板處積聚，沖擊波傳播至監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要經(jīng)過更長(zhǎng)的時(shí)間，監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力峰值主要來源為多次反射波的疊加。

以LL 型擋板為例，在沖擊波傳播到第2 道擋板之前，沖擊波的傳播規(guī)律與在單擋板巷道中的相同，隨著傳播進(jìn)行，陣面的彎曲程度越來越大，在擋板的拐角處出現(xiàn)了繞射現(xiàn)象，并在拐彎角背側(cè)處出現(xiàn)了1 個(gè)尺寸較小的低壓渦團(tuán)。LL 型擋板沖擊波傳播過程如圖10。

圖10 LL 型擋板沖擊波傳播過程Fig.10 Shock wave propagation process of LL type baffle

參與繞射的沖擊波不斷增多，加上氣體層間的黏性作用，使得低壓渦團(tuán)不斷擴(kuò)大，未參與繞射的沖擊波，在拐彎處外側(cè)壁面受到壁面約束，使得該壁面處壓力上升。由圖10（b）可以清晰地看見，巷道底部右下角形成了高壓渦團(tuán)，這是壁面反射的沖擊波與正向的入射沖擊波不斷地疊加，使得壓力積聚形成高壓區(qū)域，隨著高壓區(qū)域的不斷擴(kuò)大，逐漸覆蓋了之前的低壓區(qū)域，并伴隨著局部沖擊波速度的減小與氣體溫度、密度的增高。同時(shí)，部分反射沖擊波傳播回第2 道擋板處，繼續(xù)發(fā)生繞射。值得注意的是，在第2 道擋板右側(cè)壁面上出現(xiàn)了1 個(gè)高壓區(qū)域。它是繞射沖擊波和右壁面上產(chǎn)生的反射沖擊波相疊加形成的。與單擋板放置相比，雙擋板的壓力變化總體更趨于平穩(wěn)，特別是雙擋板的壓力在經(jīng)歷第1 次峰值下降后有一段的穩(wěn)定回升階段，說明雙擋板會(huì)導(dǎo)致反射沖擊波出現(xiàn)的更加頻繁，從而在擋板后方形成長(zhǎng)時(shí)間的高壓疊加波區(qū)域。

經(jīng)測(cè)得LL 型測(cè)點(diǎn)峰值壓力為156 kPa，LR 型為118 kPa，RL 型為130 kPa，RR 型為96 kPa。與單擋板的封閉巷道的壓力峰值相比，雙擋板的各布置類型均有不同程度的下降，LL 型和LR 型較L 型分別下降16.9%和36.9%，RL 型和RR 型較R 型分別下降45.7%和62.9%。4 種類型中RR 型的峰值壓力最小，相比無擋板放置的類型壓力峰值下降約73.2%。從對(duì)比結(jié)果可以看出，RR 型的擋板對(duì)于存放機(jī)械等重要生產(chǎn)工具的封閉巷道有著最好的防護(hù)效果。

3.2 巷道底部壁面壓力

雙擋板對(duì)巷道底部壓力的影響情況如圖11，各類型擋板對(duì)巷道底部壓力的影響情況如圖12。

圖11 雙擋板對(duì)巷道底部壓力的影響情況Fig.11 Influence of double baffles on roadway bottom pressure

圖12 各類型擋板對(duì)巷道底部壓力的影響情況Fig.12 Influence of various types of baffles on bottom pressure of tunnel

由圖11 和圖12 可知：LR 型對(duì)巷道底部的壓力峰值削弱效果最佳，到達(dá)底部的峰值壓力相比不設(shè)置擋板的情況減小了約54.21%。這是因?yàn)榈? 道擋板在左側(cè)時(shí)，會(huì)使得沖擊波因?yàn)槔@射而沿著右側(cè)壁面?zhèn)鞑?，此時(shí)第2 道擋板如果位于右側(cè)，則會(huì)將繞射沖擊波向左側(cè)壁面引導(dǎo)，在左側(cè)中心壁面處形成高壓點(diǎn)，而沖擊波則會(huì)進(jìn)一步分流向上下2 個(gè)方向，最終在第1 道擋板和第2 道擋板，第2 道擋板和底部壁面間形成2 處渦流。從而最大程度減少?zèng)_擊波進(jìn)入巷道后側(cè)，降低了峰值點(diǎn)的壓力。

4 結(jié) 論

1）僅設(shè)置1 個(gè)擋板的情況下，由于普朗特-邁耶流動(dòng)的影響，L 型擋板使得沖擊波沿壁面?zhèn)鞑?，能最大程度的削弱巷道后?cè)中心區(qū)域的峰值壓力，削弱程度為42%。R 型擋板較L 型更好地削弱了巷道底部壁面的壓力，削弱程度為32.8%。

2）設(shè)置2 個(gè)擋板的情況下，RR 型擋板使得壓力積聚在中間的擋板與墻壁交接處，從而削弱巷道后側(cè)中心區(qū)域的峰值壓力，減少程度為73.2%，而LR型擋板則將沖擊波的傳播進(jìn)行最大程度的反射，形成2 股渦流，從而更好地削弱巷道底部壁面峰值點(diǎn)的壓力，削弱程度為57.1%。

3）設(shè)置擋板會(huì)將壓力峰值點(diǎn)轉(zhuǎn)移至第2 道擋板與墻壁連接處或者中部右側(cè)壁面上，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)對(duì)這2 處位置實(shí)行加固并避免在此處放置重要機(jī)械或救援工具。