瓦斯爆炸冲击波作用下快速复位防爆门的动态响应特性研究

摘要

在瓦斯爆炸矿难中，往往由于矿井防爆门发生严重变形而不能及时关闭，使得井下气流与地面空气发生风流短路，矿井无法进行反风，有毒气体无法有效排出而引起大量人员伤亡。因此在发生瓦斯爆炸后，如何最大限度发挥防爆门的安全作用便显得十分重要。现有针对瓦斯爆炸及其次生灾害的发生规律及机理的研究比较多，而针对瓦斯爆炸冲击波与防爆门之间的相互作用方面的研究较少。因此，本文研发一种可快速复位的防爆门，深入研究其在瓦斯爆炸冲击波作用下的动态响应特性，对提高矿井防灾技术水平，最大限度减少瓦斯爆炸灾害的损失具有重要现实意义。论文的主要工作包括以下几个方面：
　　（1）分析了瓦斯爆炸冲击波的形成及作用机理，冲击波间相互作用，影响瓦斯冲击波爆炸强度的控制因素，并对相关的爆炸实验参数进行了计算。
　　（2）根据防爆门系统设计方案要求，在充分考虑矿井灾变时期如何利用原有防爆门结构、降低成本、提高灵活性等因素的基础上，对防爆门整体结构、快速开启子系统、快速复位子系统、电控子系统以及防爆门密封子系统进行了设计。新型防爆门除具有原有风井盖的基本功能之外，还能满足快速复位的特别要求，同时防爆门的设计既考虑对原风井盖的罩盖、密封、固定，还考虑到移动、对接和锁紧。新型防爆门在原防爆门因瓦斯爆炸被冲击破坏后，矿井进行反风时，能迅速将备用防爆门准确移动到位，并且能可靠的固定、锁紧。
　　（3）建立了防爆门动力破坏模型，该模型特别适用于金属板的动力响应模型，能够反映防爆门在高应变率作用下的特征行为，可预测爆炸冲击载荷作用下防爆门结构的响应。
　　（4）在CH4体积浓度为化学当量比浓度9.5％条件下点火后，爆炸冲击波压力为26KPa时防爆门开始打开，当开度为12°时压力达到峰值782KPa。防爆门开启初期，由于防爆门开启角度小，气流积聚使得压力会持续升高。但在38ms后，由于防爆门开度超过12°，所积聚的压力得到足够释放，压力开始逐渐下降。
　　（5）由于压力波对防爆门的初始压力较小，防爆门在刚开启时角加速度较小，开启速度较慢。之后由于压力升高，角加速度随之增大，开启速度增加较快。在满足材料强度前提下，应尽可能减小防爆门及配重的质量，从而提高防爆门开启速度，这样爆炸气流可以得到快速释放，防止压力过高。
　　（6）在防爆门结构改进前，在模拟工况（瓦斯浓度为9.5%）时的最大应力为230MPa，接近钢的许用应力245MPa；在防爆门结构改进后，防爆门所受最大应力为189 MPa，小于钢的许用应力245MPa，最大弹性变形为32.2 mm，未发生塑性变形，说明改进后的防爆门结构设计合理，快速防爆门整体可靠性符合要求。
　　本文设计和研究了一种矿井瓦斯爆炸泄压后能快速复位的防爆门，为解决现有矿井防爆门在瓦斯爆炸中发生严重变形而不能及时关闭的问题提供了新的设计思路、研究方法和理论支撑，丰富了防治瓦斯爆炸灾害的技术手段。

目录

封面

声明

致谢

中文摘要

英文摘要

目录

1 引 言

1.1研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及技术路线

2瓦斯爆炸冲击波在巷道内的传播特性分析

2.1 瓦斯爆炸的基本理论

2.2 井下瓦斯爆炸冲击波

2.3 井下瓦斯爆炸强度的影响因素

2.4 井下瓦斯爆炸冲击波衰减规律

2.5 井下瓦斯爆炸冲击波破坏作用

2.6 本章小结

3 快速复位防爆门系统设计与分析

3.1 设计目标

3.2 设计要求

3.3 防爆门整体设计与分析

3.4 防爆门快速复位设计与分析

3.5 防爆门密封结构设计与分析

3.6本章小结

4 冲击波作用下防爆门动态响应特性的数值模拟

4.1 数值模拟方法

4.2 模型与实际尺寸比例为1:1的模拟结果与分析

4.3 模型与实际尺寸比例为1:4的模拟结果与分析

4.4 防爆门所受应力及变形的数值模拟

4.5 本章小结

5 快速复位防爆门动态响应特性的实验研究

5.1 实验系统

5.2 冲击波作用下防爆门的动态开启特性

5.4 快速复位防爆门对瓦斯爆炸冲击波的压力及应力响应特性

5.5 瓦斯爆炸超压的理论计算

5.6 快速复位防爆门的工业现场实验

5.7 本章小结

6 主要结论与展望

6.1 主要结论

6.2 主要创新性成果

6.3 下一步工作展望

参考文献

作者简历

学位论文数据集