基于FLUENT數(shù)值模擬的防爆門快速復(fù)位控制系統(tǒng)

郭 旭

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 036000）

引言

礦井的救援過程離不開礦漿反風(fēng)，然而在防爆門關(guān)閉延遲的情況下，由于風(fēng)流引起的短路，嚴(yán)重影響礦井的救援效率，因此瓦斯有爆炸發(fā)生后，防爆門的安全功能如何能發(fā)揮到最大程度是重中之重。但現(xiàn)階段保證防爆門安全的方法只能是改造現(xiàn)有防爆門的結(jié)構(gòu)，瓦斯爆炸的當(dāng)量是無法計(jì)算的，僅僅改變防爆門的結(jié)構(gòu)事實(shí)上保證不了爆炸發(fā)生時(shí)防爆門不會被毀壞。因此，提出使用全新的備用防爆門，一旦發(fā)生瓦斯事故且原來的防爆門出現(xiàn)問題時(shí)這種防爆門能及時(shí)回到原來位置，將風(fēng)井密閉，保證礦井的通風(fēng)，阻止瓦斯爆炸帶來的破壞進(jìn)一步加深，最大限度減少損失。

1 防爆門設(shè)計(jì)原理

1.1 等效模擬爆炸的試驗(yàn)和計(jì)算

對瓦斯爆炸沖擊波的傳播原理以及對瓦斯沖擊波的爆炸強(qiáng)度控制的影響因素兩方面進(jìn)行調(diào)研分析。

1.1.1 相似模擬爆炸當(dāng)量WTNT的計(jì)算

式中：α為爆炸效率因子，取0.03；Wf為燃料的總的質(zhì)量，在此處為CH4的質(zhì)量，0.018 kg；Qf為燃料的燃燒熱，kJ/kg，甲烷燃燒熱值取55.2×103kJ/kg；QTNT為TNT的爆炸熱，選為4 200 kJ/kg，WTNT=12.7 g。

1.1.2 等效模擬瓦斯涌出的超壓值計(jì)算

由于混合氣體的體積約65 L；氧氣占所有反應(yīng)物的2/3，其余的1/3為甲烷，對于混合物，其摩爾質(zhì)量約為26.5 L，同時(shí)甲烷的密度值為0.656 kg/m3，工況下完全燃燒1 kg C2H4釋放的熱量大約為55.3 MJ，而化學(xué)反應(yīng)之后能夠釋放的熱量約為0.8 MJ。對于沖擊波而言，其波陣面大概的傳播速度為551 m/s，超壓值等效為 1.92×105Pa[1]。

1.2 礦井產(chǎn)生災(zāi)變后的立風(fēng)井控風(fēng)策略

在對現(xiàn)有的防爆門所存的安全問題了解、分析后，決定保持現(xiàn)有的防爆門設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不變，并設(shè)置一個(gè)備用的獨(dú)立對開的防爆門，同時(shí)優(yōu)化備用防爆門的設(shè)計(jì)方案。在瓦斯爆炸礦難發(fā)生時(shí)且原有的防爆門不起作用時(shí)，備用防爆門可將風(fēng)井封閉。再次或多次爆炸發(fā)生時(shí)，備用防爆門可自動復(fù)位、自動打開。大量研究表明，當(dāng)有瓦斯涌出或者井下爆炸，威力最大是在第一次，使用中的防爆門會受到巨大的損壞，隨后的若干次爆炸，防爆門受到的氣流沖擊會逐漸降低，在第一次爆炸造成防爆門摧毀的情況下，備用防爆門能夠投入使用并且產(chǎn)生持續(xù)防爆作用。

1.3 防爆門應(yīng)對災(zāi)害的快速復(fù)位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)備用防爆門時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮下列因素：一是能夠完全密封、罩蓋原有的風(fēng)井；二是靈活對接、移動且快速閉鎖[2]。

研究后有三個(gè)方案：傾斜滑道復(fù)位系統(tǒng)、吊裝復(fù)位系統(tǒng)、水平導(dǎo)軌牽引系統(tǒng)。對比后得出水平導(dǎo)軌牽引系統(tǒng)更有優(yōu)勢。此方案主要思路是原風(fēng)井蓋旁有兩根水平導(dǎo)軌，打算將備用防爆門放于此，在電動機(jī)驅(qū)動下可沿著水平的導(dǎo)軌移動。當(dāng)井下災(zāi)變沖擊破壞了原風(fēng)井蓋，急需使用快速復(fù)位防爆門系統(tǒng)的情況下，橫梁機(jī)構(gòu)被系統(tǒng)的電控部分快速拖動，把備用防爆門移動到發(fā)生災(zāi)害的風(fēng)井蓋位置。原風(fēng)井蓋上方會直接將它鎖牢，井蓋不會再反風(fēng)條件下被吹開。此方案中電動機(jī)推動防爆門的位置變化，將備用防爆設(shè)備快速移動到所需要的位置，現(xiàn)場試驗(yàn)表明，移動并鎖定的時(shí)間僅為30 s，在有效時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了反風(fēng)，人為操作量比較少，減小了安全隱患。實(shí)現(xiàn)防爆門快速進(jìn)行復(fù)位的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，整個(gè)復(fù)位機(jī)構(gòu)主要由風(fēng)井蓋的轉(zhuǎn)軸、門扇以及配重構(gòu)成。瓦斯爆炸發(fā)生時(shí)備用防爆門能盡快開啟，對快速開啟結(jié)構(gòu)的配重進(jìn)行了計(jì)算。對井蓋開啟的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)理論進(jìn)行了分析，證明了井蓋開啟時(shí)間符合要求。為提升井蓋的剛度，在井蓋上加了鋼筋，并對剛度、加強(qiáng)筋、以及轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度進(jìn)行校正。

圖1 防爆門快速復(fù)位結(jié)構(gòu)

1.4 防爆門的電氣控制原理

防爆門的電氣控制主要是電動推桿電機(jī)和橫梁行走設(shè)備構(gòu)成。圖2的電氣回路中，橫梁行走電動機(jī)是D1和D2，鎖緊裝置中的電動推桿電動機(jī)為D3、D4、D5、D6，兩種電動進(jìn)行同時(shí)同步轉(zhuǎn)動。防爆門出于備用狀態(tài)時(shí)，整個(gè)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)停止工作。在收到復(fù)位信號后，經(jīng)工作人員按下按鈕啟動1ZA，此時(shí)電機(jī)開始正方向轉(zhuǎn)動，防爆門開始移動方向?yàn)橄蚯?，在到達(dá)目標(biāo)位置后，按鈕1TA被啟動，防爆門不在移動。啟動“退回”按鈕1FA使防爆門停止工作，電動機(jī)反方向運(yùn)轉(zhuǎn)，防爆門向后走，到達(dá)終點(diǎn)位置時(shí)按停止按鈕1TA。開啟反風(fēng)功能后，鎖緊狀態(tài)由正向按鈕啟動，反風(fēng)功能需要退出時(shí)，通過反向按鈕來執(zhí)行閉鎖狀態(tài)[3]。

圖2 防爆門的電控控制圖

1.5 防爆門和密封池的連接

1）方形結(jié)構(gòu)的密封池與備用防爆門之間的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。密封圈的截面存在差異，密封的方式包括矩形、O形橡膠密封、骨形、橢圓。結(jié)合密封件的壓縮試驗(yàn)以及應(yīng)力分析后，在大開縫或者裝配狀態(tài)下這幾種異型密封件均可達(dá)要密封的相關(guān)要求。在向15 mm以上比較大的開縫，不同形狀的密封件仍然在氣密性方面有良好的性能，以前O形圈的缺點(diǎn)得到彌補(bǔ)，在相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證以及有限元的分析下，設(shè)計(jì)為在封閉立風(fēng)井后備用立風(fēng)井防爆門控制有效風(fēng)量能達(dá)到90%以上，主要使用月形與橢圓形相融合的密封方式。

2）針對防爆門底盤的密封結(jié)構(gòu)而言。由于底盤上平面部分與大氣環(huán)境接觸，出于最大限度減少這種漏風(fēng)情況，在備用防爆門移動至原來的風(fēng)井蓋的上方位置時(shí)，和空氣環(huán)境必須有牢固的密封。采取的密封措施是在底盤平面的槽鋼部位，粘上厚度大約為20～30 mm的密封條，材質(zhì)為橡膠海綿，在備用狀態(tài)時(shí)，因本身的重力防爆門的門蓋就會將橡膠海綿擠壓，緊密的與底盤平面結(jié)合，在工作狀態(tài)時(shí)，槽鋼位置被擠壓的海綿條有了封閉氣體的作用。在底盤下面的平面處，首先，底盤在移動至混凝土的方箱位置過程中，側(cè)面的邊緣始終為密封狀態(tài)。其次，底盤的前后兩個(gè)端面保持密封，其密封情況為達(dá)到要求設(shè)計(jì)的比較復(fù)雜，能有效防止漏風(fēng)。為保證固定槽鋼與活動槽鋼兩者間的有效密封，使用厚度60 mm×60 mm，長7 500 mm的密封條粘貼在活動槽鋼上，這種方案有效地阻止氣體從該位置發(fā)生泄漏，增強(qiáng)了密封效果[4]。

2 防爆門變形等效模擬方案

2.1 防爆門變形等效模擬

引入FLUENT模擬軟件，對瓦斯爆炸的流場做數(shù)值模擬，得出備用防爆門受到的沖擊波在不同時(shí)刻的壓力分布，將不同時(shí)刻的壓力分布、被開啟的最小壓力、已開啟角度以及轉(zhuǎn)動角的加速度采用牛頓第二定律計(jì)算，從而進(jìn)行防爆門的運(yùn)動狀態(tài)分析。引入ANSYS軟件基礎(chǔ)上，對防爆門所受的應(yīng)力情況進(jìn)行了分析，得到防爆門產(chǎn)生最大變形所要具備的條件。進(jìn)一步改進(jìn)材料的強(qiáng)硬度，判斷該變形屬于彈性或者塑性，經(jīng)FLUENT數(shù)值模擬后，得到下述結(jié)果；第一，甲烷的體積濃度達(dá)到9%發(fā)生點(diǎn)火現(xiàn)象，此時(shí)爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力值達(dá)到25 kPa，防爆門由備用狀態(tài)轉(zhuǎn)到啟動，當(dāng)防爆門開啟角度為12°后，沖擊波升至峰值700 kPa；第二，設(shè)計(jì)的備用防爆門可以承受的最大應(yīng)力約為190 MPa達(dá)不到鋼的240 MPa的可使用應(yīng)力值，彈性變形量的最大值為32 mm，沒有出現(xiàn)塑性變形，說明了備用防爆門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是有效的，整體性能而言，這樣設(shè)計(jì)的備用防爆門達(dá)到要求[5]。

2.2 防爆門抗沖擊試驗(yàn)分析

設(shè)計(jì)的中試試驗(yàn)平臺是實(shí)際平臺的1/4。采用的模擬井筒直徑1.5 m、深度12 m，在模擬井筒的上方位置，安裝上與其相同尺寸的備用防爆門，中試試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)順序按照低的爆炸當(dāng)量值到高的爆炸當(dāng)量值，試驗(yàn)方案的原理結(jié)構(gòu)如下頁圖3所示。

在中試試驗(yàn)平臺上做了8次防爆門的中試試驗(yàn)。將化學(xué)當(dāng)量濃度的乙炔與純氧的混合氣體作為爆炸氣體使用，體積為5～45 L，其混合目的未增加有限體積的爆炸氣體的爆炸當(dāng)量，TNT爆炸當(dāng)量值是2.13～19.17 g，8次實(shí)驗(yàn)操作中將爆炸當(dāng)量逐漸提高，調(diào)研備用防爆門所受應(yīng)力以及形變情況。經(jīng)中試試驗(yàn)驗(yàn)證后，全部爆炸試驗(yàn)中，主體部分所承受應(yīng)力程度沒超過材料允許的應(yīng)力值，未出現(xiàn)塑性形變，說明備用防爆門整個(gè)的設(shè)計(jì)方案合乎實(shí)際工作情況，在安全防護(hù)方面的性能良好。

圖3 防爆門試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

3 結(jié)論

基于FLUENT數(shù)據(jù)模擬的防爆門快速復(fù)位控制系統(tǒng)是對原有的立風(fēng)井防爆門創(chuàng)新改造的在裝備、理論以及技術(shù)等方面全新的防爆門復(fù)位裝置，設(shè)有備用防爆門的復(fù)位裝置。在礦井發(fā)生災(zāi)變使原有防爆門遭受破壞的情況下，該裝置可迅速將立風(fēng)井封閉，并且能夠及時(shí)自動復(fù)位、打開，從而保證在礦井發(fā)生爆炸后通風(fēng)安全不受影響。

[1] 周開楓.立風(fēng)井防爆門結(jié)構(gòu)形式探討[J].煤炭工程，1986（6）：22-24.

[2] 張寶權(quán).關(guān)于煤礦現(xiàn)用防爆門不安全性的探[J].煤礦安全，1988（5）：11-12.

[3] 楊源林.論礦井防爆門的作用與適用條件[J].煤礦安全，1989（7）：41-43.

[4] 王連成，王宏.設(shè)置防爆門的合理參數(shù)[J]煤礦安全，1989（7）：12-14.

[5] 梁炳福，張福珍.改進(jìn)礦井防爆門結(jié)構(gòu)型式的建議[J].煤炭工程，1988（10）：34-35.