可封闭火区的泄爆门结构设计及性能研究

2022-05-23司俊鸿周西华

煤矿安全 2022年5期

李昂，彭瑞，司俊鸿，周西华

（1.华北科技学院应急技术与管理学院，北京 101601；2.河北省矿井灾害防治重点实验室，河北廊坊 065201；3.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁阜新 123000；4.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新 123000）

目前煤矿采用的阻隔爆装置多为岩粉棚，但装置启动灵敏度高，前置冲击波使装置启动后开始大量喷洒岩粉，导致无法有效抑制滞后冲击波[1-2]。单一功能的泄爆门只能泄爆，无封闭功能，泄爆后火区进入新风有二次爆炸和次生灾害的风险[3-4]。另外，工人不能短时间内砌筑防爆墙并封闭火区，易处在爆炸危险环境中，无法逃离[5]。因此有必要研发新的泄爆装置来解决技术缺点。王晨臣等[6]通过不同开启方式研究泄爆门的泄爆特性，得出压力比开启方式要优于马赫数；裴蓓等[7]和余明高等[8]研发了CO2-超细水雾的泄爆装置，气液耦合的抑爆效果要好于其他单一抑爆剂，不再出现促爆现象；魏春荣等[9]和张庆丰等[10]设计了一种泄压式自动多次缓冲复位防爆门，可实现风机停止泄爆门开启，风机运行泄爆门复位的功能；孙建华等[11]和舒彦民等[12]研发了通过PLC 控制系统使泄爆门能够自动隔爆并阻断风流，解决了目前风门无泄爆系统和缺少安全逃生通道等问题；张如明[13]针对目前的隔爆水棚的弊端，设计了一种新型泡沫陶瓷隔爆棚，研究发现该隔爆棚能有效抑制爆炸冲击波的传播，可控制在人员和井下设备安全范围内；荣佳等[14]针对隔爆水袋和岩粉棚的问题，自制了纯机械式阻燃隔爆装置，实验证明了该装置的有效性。上述研究主要针对阻隔爆装置的泄爆或封闭火区单一功能进行验证，或通过控制系统来实现泄爆和阻断风流功能，并没有不借助驱动或人工就可同时实现泄爆和封闭的装置。为此，设计了1 种可快速封闭的泄爆门，针对其结构、泄爆机理及有益增效进行论述，并运用FLUENT 软件在不同工况条件下进行瓦斯爆炸模拟，通过监测爆炸压力、火焰温度和火焰速度分析其变化规律，验证泄爆门的泄爆效果。

1 泄爆门

1.1 结构设计

设计了1 种当封闭火区发生瓦斯爆炸时，能够避免爆炸冲击波及冲击波携带煤块直接击中工作人员的泄爆门，并对泄爆门门框、门扇设置安全性较高的保护结构。泄爆门结构图如图1。

图1 泄爆门结构图Fig.1 Structure diagram of explosion venting door

泄爆门包括门框和设置于门框中的门扇，门扇左侧与门框之间通过合页连接，门扇外表面开设若干组泄爆孔，每组泄爆孔由若干个通孔组成，通孔呈长方形结构均匀排布，通孔的左侧开口呈圆柱形结构设置。每组泄爆孔前方设有罩住通孔的泄爆小门，泄爆小门正对于通孔处均向外凸出形成圆锥形结构的密封部，密封部一端插入通孔将通孔密封。泄爆小门上端焊接活动铰链固定于门扇上，同时设有“厂”型结构的挡板，且挡板一端焊接固定于门扇上。

门框内部的上下端面形成向内凹陷的定位缺口，门扇的上下端面形成一向外凸出的定位部，且定位部一端均插入定位缺口中，该设置增加了门扇与门框之间的接触面积，从而能更好的增加阻挡效果。门框表面的左侧焊接安装若干组第1 连接耳和第2连接耳，同时每组连接耳用磷化图层钢丝绳相连接，通过钢丝绳能有效的拉住门扇，避免门扇在冲击波作用下脱离门框，增加了安全性。门框右侧焊接固定“L”型结构的固定板，门扇右侧安装嵌入式轴承，轴承的内环中焊接固定轴杆，轴杆一端焊接固定横杆，横杆右侧至上而下的插入固定板中，且横杆的表面上焊接固定手柄，通过横杆增加了门扇与门框之间的连接牢固性。门框的外壁面上焊接固定安装若干定位杆，且定位杆插入巷道的顶板和底板内部，并与巷道之间浇筑固定，该设置增加了门框与矿井之间的连接牢固性。挡板倾斜一端的内侧面粘连固定橡胶层，在泄爆小门撞击挡板后，通过橡胶层能有效降低冲击力，有效的起到缓冲作用。

1.2 泄爆机制和泄爆材质受力分析

将泄爆门安装在矿井易发生自然发火区域，非灾变时期可将泄爆门打开平行于墙壁放置，可供工人通行或充当风门开关使用。一旦工作面或采空区自然发火，工作人员可通过手柄转动横杆，使横杆插入固定板上增加两者之间的连接稳定性，将泄爆门关闭使其封闭火区，并迅速逃离危险区域。当封闭火区发生瓦斯爆炸，爆炸产生的冲击波能直接从通孔中排出，排出的冲击波能有效将泄爆小门向上开启，开启程度直至泄爆小门与挡板倾斜面上的橡胶层相抵，通过橡胶层增加了缓冲效果，且挡板能使泄爆小门呈倾斜状打开，使冲击波能沿着倾斜方向传播到地面，更加有效的二次衰减冲击波能量，避免正面波击到正在逃离的工作人员。另外通过通孔能有效的将煤块和矸石挡住，避免了矿石从泄爆小门中飞出击打工人，泄爆完成后，泄爆小门在其自身重力作用下恢复原位，密封部再次插入通孔中，由于封闭区域瞬间泄压导致该区域压强低于大气压，在压差的作用下将通孔密封，形成密闭状态，阻断风流避免二次爆炸和次生灾害的发生。

泄爆门主要由门框和门扇组成，门框通过钢筋混凝土浇筑的方式固定在巷道上，根据GB 50010—2010 混凝土结构设计规范[15]，混凝土保护层厚度不小于40 mm。门扇选用Q460 高强钢板进行加工焊制而成，整个泄爆门扇尺寸为3.5 m×2.5 m，厚度为10 mm，根据JGJ/T 483—2020 高强钢结构设计标准[16]，Q460 钢屈服强度为460 MPa，由于煤矿瓦斯爆炸产生的压力最大可达2 MPa，运用力学计算软件，通过设置2 MPa 的冲击压力来模拟瓦斯爆炸冲击波对钢板的受力情况，模拟结果得出钢板受到的最大冲击力为24 MPa，远远小于钢材Q460 的极限强度，说明该型号钢材制成泄爆门完全可以抵挡爆炸冲击波，防止门板变形导致漏气。

1.3 有益增效

1）泄爆小门在挡板和橡胶层的作用下使其倾斜打开，在泄爆小门作用下使大部分冲击波能够延倾斜方向向地面传播，起到二次衰减和限制冲击波传播作用。

2）泄爆门在泄爆小门和泄爆孔凸出的圆锥形结构作用下，既可以防止火区蔓延，又能快速封闭火区，形成密闭空间，同时泄爆孔在通孔的作用下有效阻挡矿石，增加了封闭性和安全性。

3）门扇、门框和泄爆小门其表面喷涂环氧富锌底漆和氟碳漆，使其增加耐酸碱性、耐高温性和抗冲击强度，而通过磷化图层钢丝绳和定位杆增加了门框和门扇的稳固性，磷化图层可以提高制绳钢丝表面的耐磨损、耐腐蚀能力，有效抑制微动疲劳的发生，防止损坏。

4）把整体的泄爆门分成4 个泄爆小门，采用外开方式开启，不借助任何泄爆驱动装置，消除了驱动装置的不安全危险性，同时可拆装重复使用，降低了更换成本，提高了使用功效。

2 泄爆门泄爆特性

2.1 物理模型

煤矿井下矩形水平巷道物理模型如图2。

图2 物理模型Fig.2 Physical model

模型可模拟回采和掘进工作面自然发火导致瓦斯爆炸后，泄爆门泄爆过程，模型尺寸为长度x=50 m，宽度y=3 m，高度z=4 m，由于物理模型可把混凝土浇筑部分简略，泄爆门的尺寸为巷道截面尺寸，在模型x=24 m 处设置泄爆门，泄爆门的左侧为封闭区域，泄爆门体上设置4 个面积为1.5 m×1.2 m 的泄爆小门，当泄爆小门设置可开启状态时该工况为泄爆门，当泄爆小门设置封锁状态时该工况为防爆墙。

选择适用于非定常问题的PISO 算法、k-epsilon湍流模型和EDC 燃烧模型[17-20]。初始时刻，环境压力为0.101 MPa，环境温度为300 K；在0≤x≤8 m 范围内，甲烷体积分数为9.5%，氧气体积分数为19.1%，氮气体积分数为71.4%，二氧化碳体积分数为0%，在坐标（4，2，1.5）处设定1 个半径为0.6 m、温度为1 750 K 的着火点；在8≤x≤50 m 范围内，甲烷体积分数为0%，氧气体积分数为21%，氮气体积分数为79%，二氧化碳体积分数为0%。

2.2 模拟结果

当煤矿采空区或采掘工作面发生自然发火时，因环境因素积聚瓦斯可能会导致瓦斯爆炸和次生灾害的发生，为了避免火势蔓延和灾变发生，应及时封闭火区，目前封闭技术主要是砌筑防爆墙和泄爆门，则在瓦斯体积分数为9.5%情况下设置了防爆墙S0和泄爆门S12 种工况；根据瓦斯爆炸3 要素，在体积分数为5%～15%范围内瓦斯均可以发生爆炸，则选取9.5%、11.5%、7.5%、5.5%不同体积分数瓦斯在泄爆门作用下对瓦斯爆炸进行数值模拟，其为S1、S2、S3、S4工况。运用FLUENT 对5 种工况进行模拟[21]，在泄爆门（防爆墙）前选取截面对压力、速度和温度进行监控，分析泄爆门的泄爆能力及其对瓦斯爆炸传播规律的影响，当监测压力为负压时刻即为泄爆小门关闭时刻。

2.2.1 防爆墙和泄爆门瓦斯爆炸特性参数对比

体积分数9.5%的瓦斯爆炸冲击波压力下，2 种工况下瓦斯爆炸特性参数变化曲线如图3。

图3 2 种工况下瓦斯爆炸特性参数变化曲线Fig.3 Change curves of gas explosion characteristic parameters under two working conditions

由图3（a）可知，在0～20 ms 范围内，监测处压力均为0 MPa；在21 ms 时刻冲击波开始快速传播，36 ms 时刻2 种工况均出现最大压力峰值分别为1.10、0.77 MPa；37 ms 之后，在S0工况下，冲击波能量受损，返回的前置冲击波与滞后冲击波重叠使测点压力升高，出现不间断的震荡，300 ms 之后封闭区域内压力稳定维持在0.29 MPa，由于压力长时间存在，爆炸载荷诱发的地应力瞬态卸荷对围岩造成损伤，同时高压环境对设备造成损坏。然而S1工况在37 ms 之后只出现1 次震荡便开始快速衰减，320 ms 时刻达到负压状态，当封闭区域处于负压时，冲击波已经全部传播出去且泄爆门处于封闭状态。

由图3（b）可知，在0～20 ms 范围内，监测速度为0 m/s；在29 ms 时刻2 种工况均出现最大速度峰值分别为263、308 m/s；30 ms 之后火焰波在2 种工况下，能量和速度大幅度衰减；在S0工况下，40 ms时刻速度降到14.55 m/s；41 ms 之后速度开始大幅度震荡，每次出现小峰值后出现大峰值；在500 ms之后速度为0 m/s，说明冲击波能量全部消耗完毕。而S1工况在58 ms 时刻速度逐渐减小降低到39.24 m/s；在258 ms 时刻速度开始均匀下降，直到速度趋于0 m/s 达到泄爆门封闭状态，与S0工况不同的是并没有在小峰值后出现大峰值的情况，而是峰值大量衰减，说明开启泄爆小门后火焰波传播到封闭区域外，只有少部分火焰波反弹出现震荡，在泄爆门的作用下能更快的让封闭区域达到稳定状态。

2.2.2 泄爆门对瓦斯爆炸压力的影响

不同瓦斯体积分数下瓦斯爆炸特性参数变化曲线如图4。

由图4（a）可知，S1～S4工况在36 ms 时刻压力瞬间增加到最大分别为0.77、0.65、0.57、0.73 MPa，压力均会在108、178 ms 突然升高产生波动，直到200 ms 时压力开始均匀下降，320 ms 时刻变为负压达到泄爆门封闭状态。冲击波传播过程中，相同时刻不同工况产生的压力不同，随着瓦斯体积分数的增大，压力峰值和压力的变化规律呈二次函数关系，先增大后减少。这是由于S2、S3工况瓦斯含量不足，产生的能量要低于S1、S4工况，而S4工况处在瓦斯过量氧气缺乏的环境，导致瓦斯活性降低，产生的能量略低于S1工况。由此可知，在整个瓦斯爆炸过程中，泄爆门的泄爆能力与瓦斯体积分数无关，无论瓦斯体积分数如何变化均以相同时间封闭火区。

图4 不同瓦斯体积分数下瓦斯爆炸特性参数变化曲线Fig.4 Change curves of gas explosion characteristic parameters under different gas volume fractions

由图4（b）可知，S1～S4工况在29 ms 时刻火焰传播速度瞬间达到最大分别为308、282、257、294 m/s，同时瞬间开启泄爆门，在98、170、240 ms 时刻出现震荡，在260 ms 时速度开始均匀下降，320 ms 时刻速度趋于0 m/s，火焰冲击波的动能已经无法开启泄爆窗，此时泄爆门已经起到密闭作用。火焰波传播过程中，相同时刻不同工况火焰传播速度不同，随着瓦斯体积分数的增大，火焰传播速度先增大后减小，其产生原因与压力同理；在整个爆炸过程中，无论瓦斯体积分数如何变化，在泄爆门的作用下火焰传播速度变化规律和封闭时间均相同。

由图4（c）可知，在0～20 ms 范围内火焰初始温度300 K，S1～S4工况在36 ms 时刻温度瞬间升高出现第1 个峰值，分别为694、664、624、680 K，在70 ms 时刻温度降低出现第1 个谷值，分别为435、408、384、420 K，在1 次震荡结束后260 ms 时刻温度增长到最大，开始达到稳定并缓慢下降。不同工况下火焰温度变化趋势与爆炸压力、火焰速度相同，9.5%瓦斯体积分数的火焰变化曲线整体处于高位，但是火焰温度并没有因泄爆门的存在而快速降低，只是随时间的推移，由于巷道壁面散热和能量的消失而缓慢衰减，证明泄爆门不具有抑制火焰功能，因此该泄爆门中还需对抑制火焰功能进一步研究。