煤矿立风井防爆门安全防护理论与技术研究

发布时间：2020-06-18 20:14

【摘要】：我国煤矿现行风井防爆门存在严重的缺陷和隐患,在重大煤矿爆炸事故中屡有暴露和显现,突出表现为易遭到损坏甚至被冲飞而无法复位,导致矿井灾后通风恢复困难,并最终造成事故扩大化。围绕煤矿立风井防爆门的安全防护问题,本文采用调查分析、实验、数值模拟和理论计算相结合的方法,综合运用爆炸力学、流体力学、材料力学等多学科知识,研究了防爆门爆炸荷载计算方法、井下冲击波预先消减方法和规律、防爆门防爆、泄爆规律及新型防爆门设计等科学技术问题。论文的主要工作和创新性成果如下:在事故调查分析的基础上,根据防爆门被冲飞高度和主通风机叶片破坏荷载这两个反映爆炸冲击强度的关键因素,建立了防爆门爆炸荷载的间接计算方法,并提出将超压峰值300 kPa、持续作用时间20 ms的三角形荷载确定为防爆门抗爆设计的参考值。为降低防爆门的抗爆设计难度,并增强通风机等设施的安全防护水平,提出了利用盲巷、绕巷等预先消减井下冲击波的方法和观点,并在大量数值模拟验证的基础上,探索出盲巷、绕巷等消波方法的特点、规律及关键影响因素,并揭示了各种消波方法所共同遵循的原理和规律,即在时间、空间上改变了冲击波的能量分布,对冲击波能量的时空分布起到了均化作用。模拟试验表明,在阻波墙的辅助作用下,20 m盲巷和47.5 m绕巷能使冲击波超压峰值分别消减18%和45%,比冲量分别消减25.6%和46%。研究发现了煤矿风井防爆门在泄爆过程中存在的共性现象和规律。防爆门加速度、速度变化趋势存在明显的转折点现象,该现象反映了冲击波和防爆门的相互作用规律;配重及其牵引钢丝绳处于“失重”和“失控”状态,可能会影响防爆门正常复位;缓冲体的回弹力是推动防爆门复位的重要动力,而冲击波波后气流的冲击作用则对防爆门复位起阻滞和缓冲作用;通风负压对门体复位后的残余变形有重新展平作用,对减少灾后井口漏风有利等等。研究揭示了所发明的新型立风井防爆门在爆炸冲击过程中的动态响应特征和规律,发现了其中的关键构件和薄弱环节,并通过反复改进和验证,形成了“导向缓冲防爆门”和“双门式防爆门”两种较为成熟的新型煤矿立风井防爆门设计方案。导向缓冲防爆门的门体抗弯刚度和导向框架惯性作用是制约其抗爆性能的关键因素;双门式防爆门的门轴合页、柔性缓冲墙及其上方横梁是其关键构件,决定着防爆门的抗爆性能和自动复位功能的实现。导向缓冲防爆门具有框架式导向方式、伞型缓冲和限位机构、平面圆盖式门体结构等技术特征;双门式防爆门具有柔性缓冲墙、柔性铰链、变质量配重等技术特点。全尺寸数值模拟结果表明,两类防爆门原理正确,结构合理,自行复位等关键功能可靠,在大直径风井条件下能够承受300kPa/20ms以上的冲击荷载。研究结果丰富了煤矿风井爆炸冲击波防护方法和理论,增强了煤矿风井防爆门领域中共性科学技术问题的研究基础,对促进煤矿风井防爆门安全防护理论和技术的发展具有重要意义。
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD726
【图文】：

防爆门,窗型

通风是极端重要的，假如通风不能恢复，则任何为保护主通都将毫无意义；制定主通风机爆炸后恢复方案时，时间是首复通风是第一位的，低效率、低风量、漏风等等在紧急情况于防爆门开启压力，推荐设定为 5kPa 或更低，该指标高于kPa，低于 NFPA68 标准推荐的 28kPa，更符合煤矿地面风（a）夹芯板防爆门（b）金属铰链防爆门

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图 1-3 派克河矿地面备用风机[37]Fig. 1-3 The surface back-up fan in Pike River mine图 1-4 可复用防爆门Fig. 1-4 survivable explosion panels属铰链防爆门，国外还提出了一种更为可靠的防爆8]

【参考文献】