煤礦風(fēng)井防爆門(mén)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

馬尚禎

（河南能源化工集團(tuán)鶴煤公司，河南鶴壁 458030）

0 引言

煤礦風(fēng)井防爆門(mén)是隨著煤礦通風(fēng)設(shè)備的出現(xiàn)而出現(xiàn)的，當(dāng)井下發(fā)生瓦斯爆炸時(shí)，防爆門(mén)裝設(shè)在井口，能夠快速開(kāi)啟，泄放爆炸沖擊波，從而對(duì)主通風(fēng)機(jī)免遭破壞起到保護(hù)作用。煤礦風(fēng)井防爆門(mén)是一種可以防止瓦斯、煤塵爆炸時(shí)毀壞主要通風(fēng)機(jī)的安全設(shè)備，且在主要通風(fēng)機(jī)停運(yùn)時(shí)打開(kāi)，起到防止井下硐室及主要回風(fēng)道瓦斯積聚的作用［1－2］。然而，當(dāng)發(fā)生瓦斯爆炸時(shí)，防爆門(mén)在強(qiáng)大的爆炸壓力沖擊波作用下，容易發(fā)生變形甚至損壞而無(wú)法關(guān)閉，致使反風(fēng)時(shí)風(fēng)流短路，井下有毒氣體排出困難，影響井下救援工作［3］。因此，開(kāi)展煤礦風(fēng)井防爆門(mén)的研究是煤礦安全生產(chǎn)、提升煤礦安全生產(chǎn)保障水平的迫切需求。

國(guó)內(nèi)外對(duì)防爆門(mén)的研究主要集中在爆破波的發(fā)展與形成上，對(duì)其在空氣中的傳播和衰減研究?jī)?nèi)容相對(duì)較少，已有學(xué)者針對(duì)防爆門(mén)的密封結(jié)構(gòu)、冬季易結(jié)冰、備用防爆門(mén)快速?gòu)?fù)位及鎖扣等問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究［4－6］，但考慮實(shí)際爆炸沖擊波作用下的防爆門(mén)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行分析仍然較少，與此同時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬分析防爆門(mén)強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)優(yōu)化也不常見(jiàn)。因此，本文在針對(duì)某煤礦風(fēng)井進(jìn)行防爆門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用FLUENT 軟件對(duì)瓦斯爆炸壓力沖擊波作用下防爆門(mén)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出瓦斯爆炸沖擊波在不同時(shí)刻作用于防爆門(mén)上的壓力分布及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)防爆門(mén)進(jìn)行動(dòng)態(tài)受力分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)防爆門(mén)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化和強(qiáng)度校核。

1 防爆門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，煤礦風(fēng)井防爆門(mén)結(jié)構(gòu)形式主要有傘式、花瓣式、蝴蝶式等。在礦井災(zāi)變時(shí)期，瓦斯爆炸或瓦斯與煤塵復(fù)合爆炸當(dāng)量不可估計(jì)，因此防爆門(mén)抗沖擊強(qiáng)度無(wú)法準(zhǔn)確確定，容易導(dǎo)致上述幾種結(jié)構(gòu)受到爆炸壓力作用時(shí)沖擊波氣流在防爆門(mén)中心底部積聚，致使其發(fā)生變形破壞［7］。本文設(shè)計(jì)的風(fēng)井防爆門(mén)是一種雙開(kāi)門(mén)式結(jié)構(gòu)，兩扇門(mén)可以繞各自的轉(zhuǎn)動(dòng)軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍為0～90°，其作用是在風(fēng)井需要密封時(shí)，將井口罩蓋，當(dāng)瓦斯氣流發(fā)生二次爆炸或多次爆炸時(shí)，此防爆門(mén)能自動(dòng)打開(kāi)，并且在爆炸過(guò)后可自動(dòng)復(fù)位。

雙開(kāi)式防爆門(mén)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)井井筒直徑為4.8 m，方形密封池尺寸為7.5 m ×7.5 m ×4.1 m；單扇防爆門(mén)尺寸為2.735 m × 5.2m，厚度為3 mm，門(mén)框?yàn)?0 角鋼，單扇防爆門(mén)質(zhì)量為480 kg，配重質(zhì)量為775 kg。為了井筒示意圖和模擬結(jié)果簡(jiǎn)潔，配重在圖1 中未畫(huà)出，在防爆門(mén)運(yùn)動(dòng)計(jì)算過(guò)程中加以考慮。

圖1 防爆門(mén)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 防爆門(mén)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

為了分析防爆門(mén)在瓦斯爆炸沖擊波作用下的安全可靠性，采用FLUENT軟件對(duì)瓦斯爆炸壓力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出防爆門(mén)上的壓力分布及防爆門(mén)運(yùn)動(dòng)情況［8］。

根據(jù)防爆門(mén)結(jié)構(gòu)建立1∶1 物理模型，劃分計(jì)算網(wǎng)格，如圖2 所示。為提高計(jì)算精度，靠近壁面處的計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，圖2 中ac和bc為雙開(kāi)式防爆門(mén)，分別設(shè)為可繞點(diǎn)a和點(diǎn)b轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體，其余均為固定壁面。防爆門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度根據(jù)牛頓第二定律確定，即與所受壓力和重力（包括活動(dòng)門(mén)和配重）的力矩代數(shù)和成正比。井筒和方形密封池充滿化學(xué)當(dāng)量比的CH4和空氣預(yù)混氣體。初始時(shí)刻，在井筒底部利用局部高溫（2400 ℃）方法點(diǎn)火引爆。流動(dòng)為非穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)，湍流模型采用k－ε 湍流方程，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，燃燒反應(yīng)采用適用于湍流燃燒的EBU 渦擴(kuò)散模型，并采用收斂較好的PISO算法進(jìn)行迭代求解，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為1 ×10－5s。

圖2 煤礦風(fēng)井防爆門(mén)物理模型及計(jì)算網(wǎng)格

防爆門(mén)動(dòng)態(tài)開(kāi)啟過(guò)程如圖3 所示。圖3（a）～（b）分別為爆炸壓力沖擊波作用下防爆門(mén)開(kāi)啟至25°和90°時(shí)的壓力場(chǎng)。可以看出，防爆門(mén)開(kāi)啟初期，由于防爆門(mén)開(kāi)啟角度小、泄爆口較小，使得氣流積聚壓力持續(xù)升高，防爆門(mén)所受的最高壓力由26 kPa上升至782 kPa，活動(dòng)門(mén)上平均壓力由23 kPa 上升至467 kPa。當(dāng)防爆門(mén)開(kāi)啟角度增大時(shí)，所積聚壓力得到足夠釋放，壓力開(kāi)始逐漸下降。

圖3 防爆門(mén)動(dòng)態(tài)開(kāi)啟過(guò)程

圖4～5 分別顯示了開(kāi)啟角度為25°和90°時(shí)防爆門(mén)上的壓力分布。當(dāng)開(kāi)啟角度為25°時(shí)，防爆門(mén)上壓力分布不均勻，靠近轉(zhuǎn)動(dòng)軸位置的壓力最高，泄爆口附近壓力最低，說(shuō)明防爆門(mén)泄爆作用十分顯著，但由于泄爆口較小，使得防爆門(mén)上的最高壓力仍然較高。當(dāng)開(kāi)啟角度為90°時(shí)，防爆門(mén)上的壓力較為均勻，且已下降至220 kPa左右。

圖4 防爆門(mén)開(kāi)啟25°時(shí)的壓力分布

圖5 防爆門(mén)開(kāi)啟90°時(shí)的壓力分布

3 防爆門(mén)強(qiáng)度分析

采用ANSYS（9.0 版本）結(jié)構(gòu)分析軟件，對(duì)單扇活動(dòng)門(mén)在動(dòng)態(tài)非線性壓力作用下的應(yīng)力及變形進(jìn)行分析計(jì)算，并通過(guò)校核材料強(qiáng)度，判斷變形類型屬于彈性變形還是塑性變形，從而檢驗(yàn)活動(dòng)門(mén)的安全可靠性。

單扇防爆門(mén)尺寸為2.735 m × 5.2 m，門(mén)框?yàn)?0 角鋼，門(mén)框中間部分為米字型布置，門(mén)框與門(mén)板焊接連接，門(mén)板厚度為3 mm。圖6 所示為防爆門(mén)局部結(jié)構(gòu)。在應(yīng)力分析過(guò)程中，門(mén)框選用Beam188 梁結(jié)構(gòu)，防爆門(mén)及門(mén)框50 角鋼局部如圖6所示。門(mén)板選用Shell63 薄板結(jié)構(gòu)。定義防爆門(mén)彈性模量為2.06× 1011Pa，泊松比為0.3，密度為7800 kg／ m3。施加運(yùn)動(dòng)自由度約束條件：左門(mén)框（軸承附件）進(jìn)行自由度約束，Ux＝Uy＝Uz＝Rx＝Rz＝0，僅保留y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。施加載荷包括壓力載荷和重力載荷。其中，壓力是隨時(shí)間變化的非線性動(dòng)態(tài)載荷，如表1 所示。在應(yīng)力計(jì)算中，將流場(chǎng)計(jì)算中的24 ms 時(shí)刻作為初始時(shí)刻，建立活動(dòng)門(mén)上所受平均壓力與時(shí)間的變化關(guān)系。相比于最高壓力，平均壓力更能反映對(duì)活動(dòng)門(mén)整體的沖擊作用。選擇大位移瞬態(tài)求解器進(jìn)行迭代求解。求解控制時(shí)間與防爆門(mén)總開(kāi)啟時(shí)間對(duì)應(yīng)，總時(shí)間為0.03 s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s，每一時(shí)間步的載荷與壓力分析結(jié)果對(duì)應(yīng)。

表1 不同時(shí)刻防爆門(mén)所受壓力

圖6 防爆門(mén)局部結(jié)構(gòu)

圖7 所示為防爆門(mén)的應(yīng)力云圖?？梢钥闯?，其最大應(yīng)力為230 MPa，接近鋼的許用應(yīng)力245 MPa；最大變形量為38.9 mm，主要為彈性變形。由于防爆門(mén)是受到?jīng)_擊波強(qiáng)大的扭力作用，因此應(yīng)力集中在防爆門(mén)的左側(cè)主要表現(xiàn)為彎曲應(yīng)力。

圖7 防爆門(mén)應(yīng)力分布

4 防爆門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

作為防爆門(mén)的保護(hù)對(duì)象，煤礦主通風(fēng)機(jī)的抗爆性能應(yīng)作為防爆門(mén)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。防爆門(mén)的防爆性能過(guò)高屬于過(guò)度保護(hù)，而保護(hù)性能過(guò)低，則起不到保護(hù)作用，因此，對(duì)防爆門(mén)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)［9－10］。單扇門(mén)在受力運(yùn)動(dòng)時(shí)除了滿足強(qiáng)度要求之外，還需要滿足剛度要求，這主要是因?yàn)?，如果門(mén)的剛度不夠，會(huì)造成門(mén)受力發(fā)生彎曲變形，使得門(mén)在再次關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，所以必須提高防爆門(mén)的抗彎強(qiáng)度。從上面受力分析可知，防爆門(mén)在壓力波沖擊作用下所受最大應(yīng)力主要集中在左側(cè)，即靠近轉(zhuǎn)動(dòng)軸側(cè)附近，因此可在防爆門(mén)左側(cè)加裝兩根加強(qiáng)筋，其幾何結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后應(yīng)力分布結(jié)果如圖8 所示?？梢钥闯?，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的最大應(yīng)力下降為189 MPa，低于鋼的許用應(yīng)力245 MPa，最大變形量為32 mm，未發(fā)生塑性變形，說(shuō)明防爆門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案合理，防爆門(mén)整體可靠性符合要求，優(yōu)化后效果較好，大大提高了煤礦防爆門(mén)的安全性能。

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后防爆門(mén)應(yīng)力分布

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)煤礦風(fēng)井防爆門(mén)在煤礦發(fā)生爆炸時(shí)，在強(qiáng)大的爆炸壓力沖擊波作用下，易發(fā)生變形甚至損壞的問(wèn)題，采用了調(diào)查分析、數(shù)值模擬、理論分析與計(jì)算相結(jié)合的方法，通過(guò)數(shù)值模擬分析防爆門(mén)的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)防爆門(mén)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化和強(qiáng)度校核［11］。

（1）在防爆門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用FLUENT 軟件對(duì)瓦斯爆炸流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了不同時(shí)刻防爆門(mén)上的壓力分布及其動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律。

（2）將不同時(shí)刻壓力載荷導(dǎo)入ANSYS 受力分析軟件，進(jìn)而對(duì)防爆門(mén)進(jìn)行動(dòng)態(tài)受力分析，得到了防爆門(mén)應(yīng)力分布，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，材料強(qiáng)度校核結(jié)果顯示優(yōu)化效果較好。