突出冲击波对风筒防逆流装置的破坏失效研究

胡 贝，李希建，徐畀泽，蔡俊杰，代芳瑞

(1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.复杂地质矿山开采安全技术工程中心，贵州 贵阳 550025；3.贵州大学 瓦斯灾害防治与煤层气开发研究所，贵州 贵阳 550025)

煤炭作为不可再生资源，在世界能源结构中仍占很大比重[1]。但随着煤矿的深度开采，我国煤与瓦斯突出事故日渐频发且严重程度也随之增大[2]。在煤与突出瞬间会迸发大量高浓度、高能量瓦斯流，迅速向回风和进风方向流动，造成瓦斯逆流，而风门和风筒易受高压气体冲击的影响[3-5]。根据《煤与瓦斯突出反向防突风门设置技术条件》，通过每一道风门墙体的风筒都必须安设逆止阀等防逆流装置，铁风筒铁板厚板3～5mm[6]。为有效阻挡瓦斯逆流，保证安全生产，须在风筒内部安设坚固可靠的防逆流装置。

目前，诸多学者已在对防逆流装置方面做了不少研究，但很少着眼于风筒防逆流装置的破坏失效机制。宋洪阳[7]基于云盖山煤矿带式输送机过风门防逆风装置存在问题，改进了带式输送机过风门防逆风装置。刘三钧[8]利用杠杆原理，自主研发新型防突风门联动式防逆风窗装置，以阻挡风向逆流。单智勇[9]根据煤与瓦斯突出的特征，结合热力学和材料力学理论，继而对防逆风装置进行受力分析。刘春等[10]利用FLUENT软件建立流体力学分析模型，研究了压入式通风下超大断面隧道瓦斯浓度和风速的变化规律以及风筒位置对隧道沿程风流流场及瓦斯浓度的影响情况。李峰等[11]研究了瓦斯爆炸冲击载荷作用下的矩形风窗破坏机理，并基于LS-DYNA数值模拟软件，模拟了矩形风窗在冲击载荷作用下的破坏机理，研究成果提升了矩形风窗在灾变条件下的有效性。综上所述，在突出冲击波对防逆流装置的破坏机制上研究成果较少。因此，本文基于理论推导给出作用在风筒防逆流装置上的冲击波超压大小，并结合LS-DYNA进行数值模拟，研究风筒防逆流装置在冲击波作用下的破坏失效。

1 突出冲击波在巷道中的传播规律分析

在采掘过程中，因受到外界的开采干扰，打破了煤层内的原始应力场，使瓦斯应力处于一种不平衡的状态，从而引发赋存于煤层内部的能量失控，造成煤与瓦斯突出现象的发生[12，13]。当采掘工作面发生煤与瓦斯突出事故时，突出产生的高浓度瓦斯在防突风门的阻碍下无法逆流到新鲜风流中，缩小了煤与瓦斯突出事故的影响范围[14]。为防止煤与瓦斯突出破坏防突风门，除了要增强防突风门承受冲击载荷的能力，合理布置风门构筑位置、门墙方位和风门数量，也需要完善过风门的防逆风装置[15]。风筒防逆流装置作为防逆流装置的一种，安装在风筒中部，起到保证正常通风，防止瓦斯逆流的作用。根据风筒吊挂原则[16]，风筒最低安设在距离巷道面1.8m处，且多将其布置在风门左侧上方位置，则风筒防逆流装置具体位置和结构如图1、图2所示。

目前风筒防逆流装置主要由焊接于筒壁的结构加强杆和两片止逆隔板组成。止逆隔板两端固定于中轴钢杆上，正常通风时装置与水平面近乎垂直，在重力作用下止逆隔板会下落，确保正常通风情况下隔板打开，新鲜风流得以通过；当发生煤与瓦斯突出时，突出动力会从巷道中反向冲出，将止逆隔板拍在加强杆上，从而达到阻挡瓦斯逆流的功能。

冲击波在传播过程中主要在两个阶段会对风筒防逆流装置造成破坏。第一个阶段是突出冲击波形成后沿着巷道传播至风门处；第二阶段是当冲击波从巷道进入风筒中，类似管径骤缩，以致压力增大并在遇到风筒防逆流装置后产生反射超压，作用在防逆流装置的隔板上。

由于冲击波的厚度极小，可将其简化为一条线，忽略煤—瓦斯两相流与巷道等物体的热交换和摩擦，只考虑冲击波前后状态参数变化，以理想气体膨胀来研究煤与瓦斯突出后的冲击波问题[17]。

对于一维冲击波，若冲击波阵面的速度为D，则冲击波传播过程如图3所示。波前即质点朝向波阵面流动的区域，以参数u0、P0、ρ0表示速度、压力和密度[18-20]。对应地，波后即质点穿过波阵面到达的那一边的区域，各参数以u1、P1、ρ1表征。由于冲击波波速远大于巷道内未受到扰动的空气的流速，所以忽略巷道内的原始气流速度。以突出点为原点，冲击波运动方向为X轴正向建立突出冲击波平面坐标系，根据质量、动量和能量守恒等，可以得到如下关系式可得：

式中，C0为当地声速；γ为气体压缩系数。

如图4所示，煤与瓦斯突出过程中，原始巷道中的空气被冲击波冲到波阵面附近，被压缩空气的质量近似于厚度为Δx的冲击波区域内气体质量[21]。则薄层内的气体质量：

M=S1ρ1x=S1ρ0x

(2)

式中，M为薄层内气体质量；S1为巷道截面积；x为冲击波传播距离；ρ1为薄层内气体密度。

薄层内的气流速度等于波后气体的流速u1，内部压强Px是波后气体压强的α倍，在薄层中建立冲量方程得：

又状态方程可写作：

式中，e为冲击波内能，J；P为气体压强，Pa；V为气体体积，m3。

不考虑其他能量损失时，冲击波阵面包裹的气体的动能和内能之和等于瓦斯膨胀对巷道内的空气介质做功，得：

式(5)可以改写成关于D的函数：

再将D值代入式(1)就可以得到巷道中任意位置的超压ΔP(P1与P0的压力差)。

2 作用在风筒防逆流装置上的冲击波冲压

突出冲击波在经过一段时间的传播后，会从巷道进入风筒，然后作用在止逆隔板上；风筒相对于巷道截面积大大减小，相当于一个径缩过程。为了方便分析，可以对巷道实际情况作如下简化，如图5所示。假设冲击波单位时间内从巷道内的AB传播至风筒内的EF面，两个面之间的距离极小，AB面面积为S1，EF面面积为S2。巷道内的参数为u2、P2、ρ2；AB面与EF面之间控制体的参数为u3、P3、ρ3；风筒内原始气体的参数为u0、P0、ρ0。冲击波从巷道进入风筒向传播，即为风筒内气体质点从EF面进入控制体ABEF，之后再从AB面流出。

为了简化冲击波传播的推导，结合实际情况和理论分析对数学模型作如下简化分析：①假设冲击波与巷道壁面以及风筒壁面之间没有能量交换，传播过程为绝热过程；②忽略冲击波从巷道进入风筒时的反射和绕射，整个ABEF控制体内的参数都为u3、P3、ρ3。

控制体ABEF在单位时间内受到的合外力为：

P0S0+P3S1-P2S1-P3S0

(7)

ABEF单位时间内的动量变化为：

ρ1(D-u1)2S1-ρ0(D-u0))2S0

(8)

根据动量定理，单位时间作用在控制体上的力等于控制体流体的动量变化，可得：

P0S0+P3S1-P2S1-P3S0=

ρ1(D-u1)2S1-ρ0(D-u0)2S0

(9)

由式(9)可得冲击波进入风筒后的超压为：

通过式(1)求得风筒与巷道交界处的超压P2，再结合式(10)就可以得到风筒内的冲击波超压P3。

由于风门安装在进风流中，所以实际作用在风门上的压力ΔPa会有所衰减，即：

式中，K为衰减系数，当入射压与反向风门夹角呈90°时，取1.6。反射超压为：

式中，ΔPm表示反射超压。

3 冲击波对风筒防逆流装置作用的数值模拟分析

3.1 有限元分析模型的设置

井下巷道的净面积多为24～27m2，近似为一个矩形，简化分析可选取井下巷道截面尺寸为5m×5m。综合安全设计的理念，突出口到风筒的距离设置为70m。风筒尺寸根据实际情况，选取内径为60mm。ρ0为20℃的空气密度，为1.2kg/m3；当地音速C0为340m/s；气体压缩系数γ取0.93；

唐巨鹏等通过理论分析和数值模拟得到了煤与瓦斯瓦斯突出能的拟合经验公式[22]：

W=0.6659P0.9966

(13)

辽宁省煤炭所通过实地测试我国12个地区的煤层瓦斯压力，得出了P≤0.1H的结论，其中H为距地表垂深，m；P为瓦斯压力，kg/cm2，可转换成105Pa[23]。目前我国大部分煤矿开采深度在1000m下，可以推出煤层瓦斯压力最大为10MPa，代入式(13)可以得到最大煤与瓦斯突出能为6607kJ。将上述参数代入式(6)，可以得到冲击波波面速度为407m/s，代入式(1)求得风筒入口处的超压P2为0.062MPa。将P2代入式(10)，得到风筒内的冲击波超压P3为0.293MPa，代入式(11)和(12)能够得到作用在止逆隔板上的冲击波超压为0.642MPa。

在冲击波的作用下，止逆隔板会被拍在加强杆上，可以简化看成是一个圆板被挤压在十字加强杆上。加强杆为焊接于风筒壁上，模型设置为两端固定。矿用风筒的半径为300mm，止逆隔板多为厚度10mm的Q235钢制薄片，加强杆件的材料相同，截面为20mm×20mm。

冲击波是典型的非周期性载荷，作用时间短，可以将冲击波载荷转化成三角波来简化分析，因此可以施加一个0.642MPa，历时300ms的三角冲击载荷，均匀垂直作用在止逆隔板上。所有结构均采用实体单元划分网格，单元大小为2mm，结合LS-DYNA进行数值模拟，得到的应力云图如图6所示。从图6中可以看到，10mm的防逆流装置的最大应力为664.4MPa，应力最大的区域集中在加强杆件的两端和中心位置，远远超出了Q235钢的屈服极限235MPa，进入了塑性变形状态，显然当前的防逆流装置无法满足抵抗突出冲击波的安全要求。

基于上述分析，尝试使用Q460高强度钢材，并且增加止逆隔板的厚度和加强杆件的数量，研究能够满足安全要求的风筒防逆流装置。在现有的防逆流装置结构基础上，上下各增加一根加强杆件，材料也设计为Q460钢，分别选取20mm、25mm和30mm厚度的Q460钢板作为止逆隔板的材料，结合LS-DYNA进行分析。得到不同厚度的改进防逆流装置在突出冲击波作用下的应力、位移云图，如图7和图8所示。

3.2 数值模拟结果及分析

从图7中可以看到，20mm的风筒防逆流装置的最大应力为461.7MPa，超过了Q460钢的屈服极限，钢板处于塑性变形状态，装置被破坏；而25mm和30mm的风筒防逆流装置的最大应力则分别为446.6MPa和340.8MPa，小于Q460钢的屈服极限，满足强度要求。根据图8显示，20mm防逆流装置中心点对应的最大挠度也达到了10.54mm，接近止逆隔板厚度的一半，由于进入了塑性变形状态，也无法在受力变形后复原，显然无法满足安全要求。而25mm和30mm的防逆流装置的中心点对应的最大挠度分别为0.76mm和0.54mm，远小于止逆隔板自身厚度，未超过材料屈服极限，所以变形后还可以复原，满足安全要求。

4 结 论

1)风筒截面积远小于巷道截面积，由于传播路径截面积的缩小，从巷道进入风筒的冲击波超压会突然增大至巷道中的5倍。

2)现有风筒防逆流装置在10MPa煤层瓦斯压力级别突出冲击波作用下，最大应力值为664MPa，远高于Q235钢屈服极限，达不到安全要求。

3)在现有装置基础上，上下各增加两根加强杆，使用Q460钢设计的20mm厚度止逆隔板的防逆流装置，在10MPa煤层瓦斯压力级别的突出冲击波作用下最大应力值超过了材料屈服极限460MPa，不满足安全要求。而25mm和30mm防逆流装置最大应力值均小于460MPa，且最大变形远小于自身厚度，满足安全需求，故设计改进合理。

4)研究重点只考虑了突出冲击波对风筒防逆流的结构破坏，而突出后巷道内除了冲击波还有粉煤流以及煤矸石冲击等，在未来需要同时考虑这些因素的共同破坏作用，继续深入研究。