煤礦巷道抗爆快速式氣囊式密閉研究

研發(fā)起止時(shí)間：2018.06～2019.05

完成單位：大同煤礦集團(tuán)有限公司、中國礦業(yè)大學(xué)（北京）、晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司

成果水平：國際領(lǐng)先

1 項(xiàng)目背景

該項(xiàng)目于2021年4月通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的科技成果鑒定，研究成果為國際領(lǐng)先水平。

煤礦井下火災(zāi)不僅燒毀設(shè)備和資源，造成作業(yè)場所人員傷亡，而且還會誘發(fā)瓦斯爆炸。救災(zāi)措施的有效性以及救災(zāi)行動的快速性是火災(zāi)救災(zāi)成功的關(guān)鍵。煤礦巷道密閉技術(shù)是控制火勢發(fā)展、窒息滅火的有效手段，為煤礦火災(zāi)救災(zāi)實(shí)踐廣泛采用。其原理是將火區(qū)隔離，阻斷供風(fēng)使火源缺氧而減弱甚至熄滅。但是，密閉施工會造成風(fēng)流減少，而封閉區(qū)域內(nèi)瓦斯持續(xù)涌出，加上火區(qū)內(nèi)存在的火源，從而大幅增加瓦斯爆炸的危險(xiǎn)，嚴(yán)重地威脅巷道密閉施工人員的生命安全。傳統(tǒng)的巷道密閉結(jié)構(gòu)以砂石、混凝土充填構(gòu)筑為主，由于需要準(zhǔn)備大量材料，人工壘砌墻體，不僅施工耗時(shí)，且需要大量人員在現(xiàn)場施工，效率低下。近年來研發(fā)的高分子快速充填技術(shù)和成形的無機(jī)、快速凝固材料充填成墻技術(shù)存在工程量大、施工時(shí)間長的缺點(diǎn)?，F(xiàn)有的傘式、氣囊式密閉不具備抗爆性能，無法抵抗密閉空間內(nèi)瓦斯爆炸的沖擊，進(jìn)而無法真正保障密閉礦井的安全。

煤礦巷道快速密閉技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)災(zāi)害發(fā)生后能夠方便、迅速的操作，確保對受災(zāi)區(qū)域的快速密閉和控制。以此為出發(fā)點(diǎn)，選取有效的研究手段，進(jìn)行中尺度的物理模擬實(shí)驗(yàn)，掌握柔性氣囊對沖擊波壓力的響應(yīng)特征，以及柔性氣囊的物理參數(shù)對抗爆緩沖性能的影響規(guī)律，獲得柔性氣囊消波吸能效果最佳時(shí)的參數(shù)條件，為煤礦巷道氣囊式快速密閉技術(shù)方案的提出提供理論依據(jù)和技術(shù)參考，研究為煤礦火災(zāi)應(yīng)急救援技術(shù)發(fā)展提供新的思路。

2 研究內(nèi)容

2.1 礦井瓦斯爆炸沖擊波衰減規(guī)律研究

瓦斯爆炸沖擊波包括超壓和動壓（沖擊氣流），它們會隨著爆炸在井巷中的傳播而呈現(xiàn)規(guī)律性地衰減。對爆炸沖擊波的相關(guān)表征參數(shù)進(jìn)行分析，得到相關(guān)參數(shù)的基本方程，為爆炸沖擊波的超壓衰減規(guī)律的分析奠定基礎(chǔ)。

礦井巷道中瓦斯爆炸爆炸時(shí)，沖擊波只是沿著巷道的方向傳播。因而在巷道中的爆炸沖擊波超壓，比同樣距離的無限空間爆炸時(shí)沖擊波要大得多。影響空氣沖擊波峰值超壓的因素主要有：瓦斯爆炸的總能量，空氣的初始狀態(tài)，巷道的斷面積，巷道的粗糙程度，距離爆源的距離。研究以大尺寸試驗(yàn)巷道中進(jìn)行的瓦斯爆炸試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立試驗(yàn)巷道中爆炸沖擊波超壓的衰減模型，將模型預(yù)測值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，通過模型模擬研究掌握實(shí)驗(yàn)巷道中沖擊波超壓的衰減規(guī)律。

2.2 礦井瓦斯爆炸氣體產(chǎn)物及狀態(tài)分析

當(dāng)?shù)V井發(fā)生瓦斯爆炸后，受災(zāi)區(qū)域內(nèi)除了產(chǎn)生CO2和H2O外，還會生成CO、H2、NO（該氣體極不穩(wěn)定，與空氣中O2接觸即生成NO2）等其它氣體。通過總結(jié)前人實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行CH4爆炸過程模擬可知，如果高濃度CH4發(fā)生爆炸，必定會產(chǎn)生相當(dāng)量的H2。且H2產(chǎn)生量隨著瓦斯爆炸濃度的提高而逐漸增加。瓦斯爆炸溫度峰值的大小與瓦斯?jié)舛扔嘘P(guān)，瓦斯?jié)舛冉咏罴驯舛葧r(shí)（理論上瓦斯最佳爆炸濃度為9.5%），爆炸溫度峰值最高。

2.3 氣囊密閉抗爆緩沖效果實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)利用空氣壓縮機(jī)向激波管高壓區(qū)內(nèi)充入空氣，當(dāng)封閉空間的內(nèi)部壓力大于膜片的極限壓力時(shí)，膜片破裂，以此獲得平面沖擊波。通過在中尺度激波管末端布置柔性氣囊和墻體模型，進(jìn)行氣囊的抗爆緩沖實(shí)驗(yàn)。

圖1 中尺度激波管道

試驗(yàn)研究了柔性氣囊長徑比對氣囊抗爆緩沖規(guī)律的影響規(guī)律，氣囊長徑比對柔性氣囊的抗爆緩沖效果具有顯著的影響，長徑比越大，柔性氣囊的長度越長，所能容納的氣體量越多，與巷道壁的接觸面積越大，經(jīng)壓縮變形后的摩擦阻力越大，氣囊結(jié)構(gòu)越牢固，沖擊波能量耗散得越多。距爆源點(diǎn)距離對柔性氣囊的抗爆緩沖效果影響不大，不同距離爆源點(diǎn)的沖擊波能量耗散變化趨勢基本一致，沖擊波最大超壓的衰減率差距不大。

氣囊緩沖的基本原理是依靠氣囊在壓縮載荷下的變形吸收沖擊能量，緩沖特性主要取決于氣囊的變形特性，即氣囊的剛度。當(dāng)氣囊的結(jié)構(gòu)確定后，氣囊剛度的大小完全由囊內(nèi)氣體的壓力亦稱初始內(nèi)壓決定。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同氣囊的剛度-初始內(nèi)壓曲線上都存在一極值點(diǎn)，此時(shí)氣囊的剛度最小，柔韌度最大，緩沖性能最佳，經(jīng)計(jì)算選取的氣囊材質(zhì)增強(qiáng)涂覆布的最佳充氣壓力為10.9 kPa～12 kPa。

2.4 氣囊緩沖系統(tǒng)數(shù)值研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過離散元方法進(jìn)行充氣氣囊的模型建立、沖擊載荷仿真以及優(yōu)化性設(shè)計(jì)。利用模型進(jìn)行仿真性實(shí)驗(yàn)，觀察氣囊沖擊過程，沖擊過程中模型表現(xiàn)出復(fù)雜的能量耗散過程。由有離散元仿真得到?jīng)_擊載荷過程中的最大氣囊氣壓，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)的設(shè)計(jì)變量以及優(yōu)化變量。根據(jù)氣囊緩沖系統(tǒng)的特點(diǎn)，優(yōu)化變量選取沖擊載荷過程中的氣囊最大壓力以及氣囊高度、寬度。優(yōu)化后長徑比為2：1 的氣囊緩沖效果更好，使優(yōu)化后的氣囊可以達(dá)到更好的緩沖效果。

圖2 充氣氣囊離散元模型

2.5 井下大尺寸抗爆多囊快速密閉氣囊研發(fā)及應(yīng)用

研發(fā)一種抗爆多囊快速密閉氣囊及其使用方法，該密閉氣囊通過采用獨(dú)立多囊設(shè)計(jì)等，可起到較好的防爆效果，增加密閉氣囊的容錯率。大尺寸抗爆氣囊由6個長寬高分別為3 m×2 m×1.5 m的單體組成，使得該氣囊密閉具有重量輕，易攜帶和運(yùn)輸，好操作等優(yōu)點(diǎn)。由3 名操作救護(hù)隊(duì)員安設(shè)，可在5 分鐘內(nèi)架設(shè)完成。整體尺寸為3 m×4 m×3 m，分別代表沿巷道長3 m，巷道橫截面4 m，巷道高3 m。每個單體有三個氣囊腔室，內(nèi)部由單項(xiàng)連同閥相連。大尺寸氣囊材料采用高強(qiáng)度增強(qiáng)涂覆布，經(jīng)縫紉、粘合制成。其面料強(qiáng)度高，經(jīng)向、緯向扯斷強(qiáng)度≥5 000 N/5 cm，撕裂強(qiáng)度≥800 N。材料阻燃、耐磨、耐老化、柔軟、可任意折疊、涂層不脫落、耐高低溫(－20℃～280℃)，厚度小于或等于

圖3 氣囊單體設(shè)計(jì)示意圖

為了測試大尺寸氣囊的安裝時(shí)效以及漏氣率等參數(shù)，對氣囊進(jìn)行反復(fù)組裝并充放氣。分別進(jìn)行了半邊測試和全尺寸測試，半邊測試可以直觀的看到氣囊之間的鏈接方式。全尺寸測試，可以清晰的看到整體的形狀，以及充氣過程中的變化形態(tài)。

圖4 全尺寸氣囊充氣過程及中部連接實(shí)物圖

3 主要研究成果

（1）通過對氣囊材質(zhì)的力學(xué)（拉伸、撕裂強(qiáng)度）和高溫阻燃性能測定，優(yōu)選了增強(qiáng)涂覆布作為抗爆氣囊基本縫制材料，并在氣囊迎爆面增加P4U 智能材料層提高氣囊的抗爆緩沖性能。

（2）創(chuàng)新性提出了多囊式抗爆快速氣囊結(jié)構(gòu)，提高了氣囊安全和緩沖性能，增加密閉氣囊的容錯率。基于物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，優(yōu)化了氣囊結(jié)構(gòu)、尺寸、充氣壓力等參數(shù)，優(yōu)化后的抗爆氣囊對沖擊波的緩沖效果高達(dá)46%。

（3）首次研發(fā)了礦用多囊型抗爆式快速緩沖氣囊密閉裝置，該氣囊實(shí)現(xiàn)了快速充放氣，最快充氣時(shí)間僅為15 min，且具備便攜搭設(shè)、耐磨防靜電、抗撕裂效果強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，克服了大氣囊沉重不便運(yùn)輸?shù)膯栴}。

4 應(yīng)用效果

本項(xiàng)目研發(fā)了礦用多囊型抗爆式快速緩沖氣囊密閉裝置及操作方法?？贡嗄铱焖倜荛]氣囊是由多個氣囊單體組成，由于氣囊單體增加，極大提高了安全性能和緩沖性能，增加密閉氣囊的容錯率。氣囊單體之間采用單向閥連接，減少了充氣管道路數(shù)，組裝簡單、操作便捷、維護(hù)方便。氣囊整體具有密閉穩(wěn)定、耐磨防靜電、防爆、靈活輕便等特點(diǎn)，將傳統(tǒng)大氣囊分割成多個氣囊單體，有效克服了大氣囊沉重不便運(yùn)輸?shù)膯栴}，能夠快速的運(yùn)輸至所需地點(diǎn)，極大提高了救援的效率。該技術(shù)還可在地面用于救護(hù)隊(duì)員日常救援訓(xùn)練，提高救護(hù)隊(duì)的災(zāi)害救援能力。