煤矿巷道爆炸后温度场的时空演化

《Process Safety and Environmental Protection》：Spatiotemporal evolution of the post-explosion temperature field in a coal mine roadway

　　

# 摘要

为了量化煤矿瓦斯爆炸后动态高温区的传播范围和持续时间及其相关的次生热危害，本研究建立了一个200 m直线巷道FLACS模型，并通过小规模泄压爆炸实验对其火焰传播和超压趋势进行了验证。研究开展了覆盖三种甲烷浓度和三种瓦斯填充长度的参数化模拟，以表征爆炸后的轴向温度演化。利用443、592和1000 K三种与材料相关的风险筛查温度阈值，结合累计超阈暴露时间，评估了典型可燃材料的热风险。轴向温度场呈现出典型的"高温平台—陡降—向环境温度恢复"结构。在9.5%甲烷浓度和15%瓦斯填充长度条件下，近源区峰值温度约为2280–2360 K，而经历显著热效应的区域延伸至约140–150 m。在最严重的模拟条件下，443、592和1000 K以上的最大累计暴露时间分别达到144.35 s、131.13 s和约95 s。这些结果表明，爆炸后的高温环境具有高热强度、百米级传播范围以及从数十秒到超过百秒的暴露时长。瓦斯填充长度是控制高温区空间延伸和持续时间的关键因素。三种材料特定的风险区形成了分级序列，包括传送带的早期热解区、木质支架的快速热解区和堆积煤块的强热暴露区。该方法将爆炸后动态温度场转化为材料特定的热风险区，为灾后通风恢复、救援人员进入和次生火灾的预防与控制提供了定量依据。

# 引言

瓦斯爆炸是地下煤矿最具破坏性的热力学灾害之一（Guo et al., 2025），其后果不仅受冲击波和火焰传播控制，还受爆炸后高温燃烧产物、有毒气体和次生火灾风险之间相互作用的影响（Tan et al., 2021a; Z. Wu et al., 2024）。

2026年5月22日，山西省长治市沁源县柳神峪煤矿发生瓦斯爆炸事故，造成重大人员伤亡，事故现场布局如图1所示；该事件表明，煤矿瓦斯爆炸后果评估必须超越冲击波强度和直接火焰损伤，将高温场对巷道可燃物的持续影响、有毒烟气释放和灾后救援条件纳入考量（Huang et al., 2025）。

因此，明确爆炸后高温区域的形成、传播和衰减机制，是理解煤矿爆炸灾害级联发展的基础。

爆炸后的高温区域与次生热危害直接相关；在一定条件下，主要反应停止后可能发生次生加热，同时伴随CO和未完全反应气体的持续存在（Jia et al., 2024），此外，巷道中可能同时形成瞬态高温火焰波和传播的高温燃烧产物区（Cheng et al., 2023），使木质支架、堆积煤、煤尘沉积物和传送带遭受短暂但强烈的热载荷。

Jiao等人通过快速热解实验表明，当温度在592–1313 K范围内持续1–10 s时，支护木材可能发生快速热解并释放CO、CH?、C?H?等相关气体（JIAO et al., 2012）。木材在热暴露后是否发生并维持阴燃，则取决于外部辐射热通量、预热程度及其在热源移除后维持自持阴燃的能力（Liang et al., 2023）。

Li等人发现，煤尘层在远低于甲烷-空气混合物自燃温度的加热表面暴露下即可被点燃，表明煤尘可改变甲烷-空气体系的点燃敏感性（Li et al., 2013, Zhao et al., 2024）。

Wang等人进一步表明，煤矿阻燃传送带（如PVC、PVG和SC带）在约170 °C时开始释放HCl，且HCl的释放早于CO和CO?的峰值形成（Wang et al., 2025）。

近期研究进一步表明，矿井PVC传送带热解过程中释放的HCl主要来源于PVC基体和含氯阻燃剂组分参与的脱氯反应（Wen et al., 2025）。随着加热和燃烧过程的推进，气相产物的组成、生烟特性和烟气毒性会发生显著变化（Kang et al., 2025, Zhang et al., 2024）。

这些发现表明，爆炸后温度场既是燃烧的产物，也是木质结构热解、堆积煤热暴露和传送带有毒烟气释放的控制性热条件。

当前关于瓦斯爆炸的研究主要依赖小规模管实验、部分受限空间试验和数值模拟。小规模实验可提供受控边界条件、较高的测量精度和清晰的参数对比，有助于阐明甲烷浓度、点燃位置、障碍物和初始湍流对火焰传播、超压响应和局部温度演化的影响。Xing等人研究了不同点燃位置、障碍物布置和初始湍流水平下甲烷-空气爆炸的温度响应，表明温度响应受燃烧强度、空间约束和湍流扰动共同作用控制（Xing et al., 2021）。

然而，由于小规模试验在传播长度、壁面热损失、气体膨胀规模和约束条件等方面与真实煤矿巷道存在显著差异，无法直接捕捉高温燃烧产物在长巷道中的传输距离、衰减行为或持续热暴露范围。因此，尽管小规模实验适合验证局部燃烧和传播机理，但仅凭小规模实验无法为确定大型巷道中的热危害区提供充分依据（Lei et al., 2024）。

尺度效应是分析煤矿巷道瓦斯爆炸温度场时的重要考量因素。当尺度从小型实验室管道扩展至真实或近真实矿井巷道时，火焰传播、气体膨胀、湍流混合和传热过程可能发生非线性变化。Zhang等人表明，空间尺度显著影响甲烷-空气爆炸中的冲击波传播和火焰速度（Q. Zhang et al., 2011），而Zhu等人通过大规模巷道研究表明，巷道几何形状可强烈改变爆炸发展和火焰覆盖范围（Zhu et al., 2021）。

既往研究已显著推进了对瓦斯爆炸传播的理解，但主要集中于超压、火焰速度、火焰覆盖范围和爆炸强度，对爆炸后温度场的轴向延伸、累计热暴露时长及其向典型可燃材料次生风险的转化仍缺乏充分论述。

对于煤矿灾害防控而言，核心问题是：爆炸后高温区延伸多远、持续多久，以及哪些巷道区段可能达到与木质支架热解、堆积煤强热暴露或传送带有毒烟气释放相关的风险状态。

数值模拟是克服大型实验固有的安全风险、成本约束和有限仪器覆盖的一种实用手段。计算流体力学工具，包括FLACS和Fluent，已广泛应用于可燃气体扩散、燃烧和爆炸后果分析，并生成连续的温度-时间-空间场（Li et al., 2022, Li et al., 2019, WU, 2020, Zhenmin et al., 2018）。Wang等人利用FLACS研究了气云体积、点燃位置和泄压条件对管廊通道瓦斯爆炸后果的影响（Wang et al., 2022）。Liu等人研究了甲烷浓度和瓦斯积聚长度对TBM掘进巷道中火焰传播和爆炸强度的影响（Liu et al., 2024a）。Zhang等人揭示了甲烷爆炸冲击波与高温流动的耦合机制（Zhang et al., 2012）。这些研究共同证明了CFD方法在大规模爆炸后果分析中的适用性。然而，大规模模型通常需要大量计算网格和小时间步长，计算量随模拟物理时长大幅增加。因此，大多数研究主要聚焦于爆炸初始阶段，特别关注峰值超压、火焰传播和爆炸强度。火焰通过后的持续高温燃烧产物传输和轴向衰减，以及随后向环境条件的恢复和累计热暴露，仍缺乏充分表征。因此，爆炸后动态高温区的传播距离和持续时间，及其向材料特定次生热危害的转化，尚不清楚。

针对上述研究空白，本研究利用经实验验证的200 m FLACS模型，研究了直线煤矿巷道中爆炸后温度场的时空演化及典型可燃材料的热暴露风险。与主要关注早期火焰传播和超压阶段的传统分析不同，本研究开展了约50–150 s的长时模拟，追踪爆炸后高温场的形成、下游传输、衰减和恢复过程。所得温度-时间-空间信息进一步与累计超阈暴露时间和材料特定筛查温度相结合，以表征热风险区的空间范围和持续时间。因此，本研究的主要贡献在于建立了一条将长时爆炸后温度演化、累计热暴露和材料特定热风险区相联系的综合分析路径。

## 章节片段

### 实验装置

为验证FLACS能否捕捉甲烷-空气预混爆炸的火焰传播模式和超压演化，本研究开发了一个用于巷道瓦斯爆炸的小规模半受限实验平台。

使用透明矩形管模拟水平煤矿巷道中的局部气体释放、积聚、点燃和爆炸泄压过程，以火焰传播图像和典型测点的超压记录作为主要实验数据。

### 火焰传播特征

在可燃气体爆炸中，火焰传播在控制能量释放和高温区域发展方面起着核心作用。由于化学反应和热量释放集中在火焰锋面附近，其传播行为直接决定了爆炸发展过程中温度场、压力场和流场的空间分布。现有研究表明，受限气体爆炸中的火焰速度、传播距离和火焰结构是

### 结论

利用经小规模泄压爆炸实验约束的FLACS模型，在200 m直线煤矿巷道中开展了50–150 s的长时模拟，系统研究了甲烷浓度和瓦斯填充长度对爆炸后动态高温区形成、轴向传播和衰减的影响，并将连续气相温度场转化为典型可燃材料的热暴露风险。

### 未引用参考文献

（Wu et al., 2024, Zhang et al., 2011）

### CRediT作者贡献声明

段玉龙：撰写–审阅与编辑，监督，资源，项目管理，经费获取。邓立：可视化，验证，方法学，调查研究，形式化分析。曹凤林：撰写–原稿，软件，经费获取，数据整理，概念化。乔元：可视化，验证，方法学，调查研究，形式化分析。杜坤建：可视化，验证，方法学，调查研究，形式化分析。

### 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

### 致谢

本研究受国家自然科学基金（52274177）、重庆市教委科技研究项目（KJZD-K202401501）、重庆市研究生科研创新项目（CYS260940）以及重庆科技大学研究生科技创新项目（YKJCX2520802）资助。致谢。

段玉龙 | 曹凤林 | 邓立 | 杜坤建 | 乔元