基于FLUENT數值模擬的防爆門快速復位控制系統

郭 旭

（同煤浙能麻家梁煤業有限公司， 山西 朔州 036000）

引言

礦井的救援過程離不開礦漿反風，然而在防爆門關閉延遲的情況下，由于風流引起的短路，嚴重影響礦井的救援效率，因此瓦斯有爆炸發生后，防爆門的安全功能如何能發揮到最大程度是重中之重。但現階段保證防爆門安全的方法只能是改造現有防爆門的結構，瓦斯爆炸的當量是無法計算的，僅僅改變防爆門的結構事實上保證不了爆炸發生時防爆門不會被毀壞。因此，提出使用全新的備用防爆門，一旦發生瓦斯事故且原來的防爆門出現問題時這種防爆門能及時回到原來位置，將風井密閉，保證礦井的通風，阻止瓦斯爆炸帶來的破壞進一步加深，最大限度減少損失。

1 防爆門設計原理

1.1 等效模擬爆炸的試驗和計算

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度控制的影響因素兩方面進行調研分析。

1.1.1 相似模擬爆炸當量WTNT的計算

式中：α為爆炸效率因子，取0.03；Wf為燃料的總的質量，在此處為CH4的質量，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算

由于混合氣體的體積約65 L；氧氣占所有反應物的2/3，其余的1/3為甲烷，對于混合物，其摩爾質量約為26.5 L，同時甲烷的密度值為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，而化學反應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 礦井產生災變后的立風井控風策略

在對現有的防爆門所存的安全問題了解、分析后，決定保持現有的防爆門設計結構不變，并設置一個備用的獨立對開的防爆門，同時優化備用防爆門的設計方案。在瓦斯爆炸礦難發生時且原有的防爆門不起作用時，備用防爆門可將風井封閉。再次或多次爆炸發生時，備用防爆門可自動復位、自動打開。大量研究表明，當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生持續防爆作用。

1.3 防爆門應對災害的快速復位系統設計方案

設計備用防爆門時，應重點考慮下列因素：一是能夠完全密封、罩蓋原有的風井；二是靈活對接、移動且快速閉鎖[2]。

研究后有三個方案：傾斜滑道復位系統、吊裝復位系統、水平導軌牽引系統。對比后得出水平導軌牽引系統更有優勢。此方案主要思路是原風井蓋旁有兩根水平導軌，打算將備用防爆門放于此，在電動機驅動下可沿著水平的導軌移動。當井下災變沖擊破壞了原風井蓋，急需使用快速復位防爆門系統的情況下，橫梁機構被系統的電控部分快速拖動，把備用防爆門移動到發生災害的風井蓋位置。原風井蓋上方會直接將它鎖牢，井蓋不會再反風條件下被吹開。此方案中電動機推動防爆門的位置變化，將備用防爆設備快速移動到所需要的位置，現場試驗表明，移動并鎖定的時間僅為30 s，在有效時間內實現了反風，人為操作量比較少，減小了安全隱患。實現防爆門快速進行復位的結構示意如圖1所示，整個復位機構主要由風井蓋的轉軸、門扇以及配重構成。瓦斯爆炸發生時備用防爆門能盡快開啟，對快速開啟結構的配重進行了計算。對井蓋開啟的運動學和動力學理論進行了分析，證明了井蓋開啟時間符合要求。為提升井蓋的剛度，在井蓋上加了鋼筋，并對剛度、加強筋、以及轉軸強度進行校正。

圖1 防爆門快速復位結構

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和橫梁行走設備構成。圖2的電氣回路中，橫梁行走電動機是D1和D2，鎖緊裝置中的電動推桿電動機為D3、D4、D5、D6，兩種電動進行同時同步轉動。防爆門出于備用狀態時，整個電機驅動系統停止工作。在收到復位信號后，經工作人員按下按鈕啟動1ZA，此時電機開始正方向轉動，防爆門開始移動方向為向前，在到達目標位置后，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，電動機反方向運轉，防爆門向后走，到達終點位置時按停止按鈕1TA。開啟反風功能后，鎖緊狀態由正向按鈕啟動，反風功能需要退出時，通過反向按鈕來執行閉鎖狀態[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）方形結構的密封池與備用防爆門之間的密封結構設計。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。結合密封件的壓縮試驗以及應力分析后，在大開縫或者裝配狀態下這幾種異型密封件均可達要密封的相關要求。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形圈的缺點得到彌補，在相關試驗驗證以及有限元的分析下，設計為在封閉立風井后備用立風井防爆門控制有效風量能達到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構而言。由于底盤上平面部分與大氣環境接觸，出于最大限度減少這種漏風情況，在備用防爆門移動至原來的風井蓋的上方位置時，和空氣環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，材質為橡膠海綿，在備用狀態時，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合，在工作狀態時，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，側面的邊緣始終為密封狀態。其次，底盤的前后兩個端面保持密封，其密封情況為達到要求設計的比較復雜，能有效防止漏風。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生泄漏，增強了密封效果[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值模擬，得出備用防爆門受到的沖擊波在不同時刻的壓力分布，將不同時刻的壓力分布、被開啟的最小壓力、已開啟角度以及轉動角的加速度采用牛頓第二定律計算，從而進行防爆門的運動狀態分析。引入ANSYS軟件基礎上，對防爆門所受的應力情況進行了分析，得到防爆門產生最大變形所要具備的條件。進一步改進材料的強硬度，判斷該變形屬于彈性或者塑性，經FLUENT數值模擬后，得到下述結果；第一，甲烷的體積濃度達到9%發生點火現象，此時爆炸產生的沖擊波壓力值達到25 kPa，防爆門由備用狀態轉到啟動，當防爆門開啟角度為12°后，沖擊波升至峰值700 kPa；第二，設計的備用防爆門可以承受的最大應力約為190 MPa達不到鋼的240 MPa的可使用應力值，彈性變形量的最大值為32 mm，沒有出現塑性變形，說明了備用防爆門的結構設計是有效的，整體性能而言，這樣設計的備用防爆門達到要求[5]。

2.2 防爆門抗沖擊試驗分析

設計的中試試驗平臺是實際平臺的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，中試試驗的實驗順序按照低的爆炸當量值到高的爆炸當量值，試驗方案的原理結構如下頁圖3所示。

在中試試驗平臺上做了8次防爆門的中試試驗。將化學當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量，TNT爆炸當量值是2.13～19.17 g，8次實驗操作中將爆炸當量逐漸提高，調研備用防爆門所受應力以及形變情況。經中試試驗驗證后，全部爆炸試驗中，主體部分所承受應力程度沒超過材料允許的應力值，未出現塑性形變，說明備用防爆門整個的設計方案合乎實際工作情況，在安全防護方面的性能良好。

圖3 防爆門試驗系統框圖

3 結論

基于FLUENT數據模擬的防爆門快速復位控制系統是對原有的立風井防爆門創新改造的在裝備、理論以及技術等方面全新的防爆門復位裝置，設有備用防爆門的復位裝置。在礦井發生災變使原有防爆門遭受破壞的情況下，該裝置可迅速將立風井封閉，并且能夠及時自動復位、打開，從而保證在礦井發生爆炸后通風安全不受影響。

[1] 周開楓.立風井防爆門結構形式探討[J].煤炭工程，1986（6）：22-24.

[2] 張寶權.關于煤礦現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.設置防爆門的合理參數[J]煤礦安全，1989（7）：12-14.

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