《Process Safety and Environmental Protection》：Numerical Study on the Damage Characteristics of Solid Facilities Due to Coal Mine Gas Explosion Under Fluid-Thermal-Structural Coupling Conditions
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气体爆炸对固体结构损伤的研究基于流体-热-结构耦合数值模型，分析载荷、管道几何、气体浓度及距离等因素对通风设施应力应变分布的影响，揭示冲击波与热效应耦合作用机制及损伤演化规律，提出针对性防护措施。
黄玉鑫|罗振民|李淑刚|范景道|严正国
西安科技大学安全科学与工程学院，中国西安710054
摘要
本研究探讨了气体爆炸对固体结构的破坏机制，以提升灾害预防能力。研究人员开发了一个考虑流体-热-结构耦合效应的动态损伤数值模型，分析了载荷、管道几何形状、气体浓度以及与点火源距离等因素对应力与应变分布的影响。研究揭示了冲击波与热效应之间的耦合机制，以及结构动态损伤过程。研究发现，应力与应变首先在固定边界附近出现，随后向内部传播，边界和中心区域的应力达到峰值。当气体浓度低于化学计量浓度时，每增加1%的气体浓度会使应力增加约5%；而当浓度高于化学计量浓度时，每减少1%的气体浓度会使应力增加约3%。管道几何形状对应力缓解作用有限。在冲击波衰减过程中，中心区域对距离变化较为敏感，而边界区域则不敏感。研究还建立了等效应力与机械-热复合应力之间的定量关系。这些发现有助于评估气体爆炸事件中的结构损伤情况，并为灾害预防提供依据。
引言
气体爆炸是煤矿中最具破坏性的事故之一，对地下采矿安全构成重大威胁。随着浅层煤炭资源的逐渐枯竭，煤矿开采已迅速向更深的地层扩展。高应力、高气体压力和升高的地下温度成为深部采矿作业中的常见恶劣条件，从而加剧了气体爆炸的风险（吴等，2024；徐等，2023；黄玉鑫等，2023）。煤矿发生气体爆炸后，不仅会导致环境破坏，还会对巷道内的固体设施（如通风门）造成不同程度的损害。通风设施是维持矿井通风系统稳定运行的关键组成部分。这些设施的损坏往往会引起局部或系统性的通风紊乱，进而引发二次灾难，如有毒气体迅速积聚和氧气水平下降（Addai等，2015；朱等，2019；张等，2020a）。因此，研究气体爆炸对通风设施的破坏特性对于在灾害期间维持地下通风系统的稳定运行和减轻灾难影响至关重要。
近年来，全球研究人员对气体爆炸引发的冲击波和火焰传播机制进行了大量研究。张等（Zhang等，2020b）研究了点火能量和爆炸当量对矿井巷道内气体爆炸传播特性的影响，建立了包括超压和爆炸当量在内的关键参数之间的函数关系。李等（Li等，2018a）和曹等（Cao等，2023）在500毫米直径的管道中进行了气体爆炸压力和火焰传播的实验研究，系统分析了不同气体浓度下的爆炸发展和通风行为。他们利用管道爆炸抑制系统进一步分析了抑制剂用量与抑制效果之间的相关性。景等（Jing等，2021）、刘等（Liu等，2023）和侯等（Hou等，2023a）研究了煤尘添加对管道内气体爆炸火焰传播特性的影响。李（Li等，2021a）探讨了水和CH?浓度对气体爆炸特性的影响，发现水对甲烷爆炸强度具有显著的抑制作用。曹等（Cao等，2024）研究了含氢量0-40%的氢混合天然气（HBNG）的爆炸严重程度，以及各种爆炸抑制措施在城市公用隧道中的有效性。侯等（Hou等，2023b）和史等（Shi等，2024）研究了点火位置和管道间距对气体爆炸特性的影响。
然而，关于气体爆炸对设施损坏的研究仍较为有限。Qu（Qu，2010）建立了气体爆炸期间隧道损坏的物理和数学模型，指出冲击波引起的结构损伤主要受热效应和机械效应的影响。该研究还展示了通风几何形状变化对损伤模式的影响。李等（Li等，2021b）利用大型隧道测试系统研究了100立方米气-空气混合物爆炸后，位于不同距离处的老鼠的损伤情况，明确了爆炸火焰和压力波在隧道中的传播规律，并探讨了火焰、超压和有毒气体对生物体的破坏机制。贾等（Jia等，2023）开发了隧道内气体爆炸的数值模型，分析了隧道壁的冲击响应和爆炸过程中的应力变化规律。他们的研究表明，气体爆炸产生的冲击波具有极高的峰值超压和较长的传播时间，这些冲击波会引发相邻墙体结构沿爆炸路径方向移动，最终导致结构不稳定和损坏。目前关于管道气体爆炸的研究主要集中在冲击波传播特性、火焰前沿动态和冲击波引起的隧道损伤方面。然而，在实际爆炸事件中，冲击波和热能同时作用于基础设施，因此系统研究气体爆炸期间通风设施的损伤机制和抗爆性能变得至关重要。
本研究采用数值模拟方法，在流体-热-结构耦合条件下建立了圆形通风设施的损伤模型。分析了不同管道配置下通风结构的动态应力-应变响应，包括单独的冲击波加载和冲击波-热效应耦合情况。研究揭示了冲击波和热能引起的应力分量之间的耦合机制，以及通风结构的渐进式损伤演变过程。这些发现为气体爆炸预防策略提供了重要参考。
部分内容摘录
流体模型
数值模拟使用ANSYS 2022 R1软件进行。所选理论模型和参数如下：
(1)守恒方程
气体爆炸的动态过程包括燃烧反应和压力释放。燃烧反应迅速释放大量热能和气体产物，这些产物迅速膨胀产生高压，这种压力波作用于周围空气和物体，形成爆炸效应（Pang等）
管道中气体爆炸冲击波和温度的演变特性
气体爆炸后冲击波超压的演变分为三个阶段：逆向碰撞阶段、同向传播阶段和收敛-衰减阶段。以9.5%气体浓度作为直管道中的预混气体，分析了爆炸过程，如图8所示。甲烷爆炸发生时，产生的冲击波分为两部分：一部分向管道开口端传播，另一部分则向管道内部传播冲击波和热能对通风设施应力特性的影响分析
研究表明，应力与应变分布呈现同心环状模式，包含四个明显的环形区域，其中三个区域的主要应力变化受固定边界条件的影响。为了研究流体-热-结构多应力场的耦合机制，在三个主要应力区域内战略性地设置了九个采样点（S1-S9）结论
本文采用数值模拟方法研究了在冲击波和热能耦合作用下通风设施的动态应力-应变响应特性，分析了冲击波和热能引起的应力之间的耦合机制，揭示了通风设施结构的动态损伤演变过程，得出以下结论：
(1)在纯气体环境下，设施的应力与应变分布特征
资助
本研究得到了国家关键研发计划（项目编号2022YFB3104204）的支持。
作者贡献声明
黄玉鑫：撰写初稿、验证、方法论设计、数据整理、概念构建。范景道：撰写、审稿与编辑、方法论设计。严正国：验证、方法论设计。罗振民：撰写、审稿与编辑、方法论设计。李淑刚：撰写、审稿与编辑、方法论设计。
致谢
感谢国家关键研发计划对本研究的支持。同时感谢学术编辑和匿名审稿人的宝贵建议和评论。
