突出沖擊波對風(fēng)筒防逆流裝置的破壞失效研究

胡 貝，李希建，徐畀澤，蔡俊杰，代芳瑞

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心，貴州 貴陽 550025；3.貴州大學(xué) 瓦斯災(zāi)害防治與煤層氣開發(fā)研究所，貴州 貴陽 550025)

煤炭作為不可再生資源，在世界能源結(jié)構(gòu)中仍占很大比重[1]。但隨著煤礦的深度開采，我國煤與瓦斯突出事故日漸頻發(fā)且嚴(yán)重程度也隨之增大[2]。在煤與突出瞬間會迸發(fā)大量高濃度、高能量瓦斯流，迅速向回風(fēng)和進(jìn)風(fēng)方向流動，造成瓦斯逆流，而風(fēng)門和風(fēng)筒易受高壓氣體沖擊的影響[3-5]。根據(jù)《煤與瓦斯突出反向防突風(fēng)門設(shè)置技術(shù)條件》，通過每一道風(fēng)門墻體的風(fēng)筒都必須安設(shè)逆止閥等防逆流裝置，鐵風(fēng)筒鐵板厚板3～5mm[6]。為有效阻擋瓦斯逆流，保證安全生產(chǎn)，須在風(fēng)筒內(nèi)部安設(shè)堅固可靠的防逆流裝置。

目前，諸多學(xué)者已在對防逆流裝置方面做了不少研究，但很少著眼于風(fēng)筒防逆流裝置的破壞失效機制。宋洪陽[7]基于云蓋山煤礦帶式輸送機過風(fēng)門防逆風(fēng)裝置存在問題，改進(jìn)了帶式輸送機過風(fēng)門防逆風(fēng)裝置。劉三鈞[8]利用杠桿原理，自主研發(fā)新型防突風(fēng)門聯(lián)動式防逆風(fēng)窗裝置，以阻擋風(fēng)向逆流。單智勇[9]根據(jù)煤與瓦斯突出的特征，結(jié)合熱力學(xué)和材料力學(xué)理論，繼而對防逆風(fēng)裝置進(jìn)行受力分析。劉春等[10]利用FLUENT軟件建立流體力學(xué)分析模型，研究了壓入式通風(fēng)下超大斷面隧道瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)速的變化規(guī)律以及風(fēng)筒位置對隧道沿程風(fēng)流流場及瓦斯?jié)舛鹊挠绊懬闆r。李峰等[11]研究了瓦斯爆炸沖擊載荷作用下的矩形風(fēng)窗破壞機理，并基于LS-DYNA數(shù)值模擬軟件，模擬了矩形風(fēng)窗在沖擊載荷作用下的破壞機理，研究成果提升了矩形風(fēng)窗在災(zāi)變條件下的有效性。綜上所述，在突出沖擊波對防逆流裝置的破壞機制上研究成果較少。因此，本文基于理論推導(dǎo)給出作用在風(fēng)筒防逆流裝置上的沖擊波超壓大小，并結(jié)合LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬，研究風(fēng)筒防逆流裝置在沖擊波作用下的破壞失效。

1 突出沖擊波在巷道中的傳播規(guī)律分析

在采掘過程中，因受到外界的開采干擾，打破了煤層內(nèi)的原始應(yīng)力場，使瓦斯應(yīng)力處于一種不平衡的狀態(tài)，從而引發(fā)賦存于煤層內(nèi)部的能量失控，造成煤與瓦斯突出現(xiàn)象的發(fā)生[12，13]。當(dāng)采掘工作面發(fā)生煤與瓦斯突出事故時，突出產(chǎn)生的高濃度瓦斯在防突風(fēng)門的阻礙下無法逆流到新鮮風(fēng)流中，縮小了煤與瓦斯突出事故的影響范圍[14]。為防止煤與瓦斯突出破壞防突風(fēng)門，除了要增強防突風(fēng)門承受沖擊載荷的能力，合理布置風(fēng)門構(gòu)筑位置、門墻方位和風(fēng)門數(shù)量，也需要完善過風(fēng)門的防逆風(fēng)裝置[15]。風(fēng)筒防逆流裝置作為防逆流裝置的一種，安裝在風(fēng)筒中部，起到保證正常通風(fēng)，防止瓦斯逆流的作用。根據(jù)風(fēng)筒吊掛原則[16]，風(fēng)筒最低安設(shè)在距離巷道面1.8m處，且多將其布置在風(fēng)門左側(cè)上方位置，則風(fēng)筒防逆流裝置具體位置和結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

目前風(fēng)筒防逆流裝置主要由焊接于筒壁的結(jié)構(gòu)加強桿和兩片止逆隔板組成。止逆隔板兩端固定于中軸鋼桿上，正常通風(fēng)時裝置與水平面近乎垂直，在重力作用下止逆隔板會下落，確保正常通風(fēng)情況下隔板打開，新鮮風(fēng)流得以通過；當(dāng)發(fā)生煤與瓦斯突出時，突出動力會從巷道中反向沖出，將止逆隔板拍在加強桿上，從而達(dá)到阻擋瓦斯逆流的功能。

沖擊波在傳播過程中主要在兩個階段會對風(fēng)筒防逆流裝置造成破壞。第一個階段是突出沖擊波形成后沿著巷道傳播至風(fēng)門處；第二階段是當(dāng)沖擊波從巷道進(jìn)入風(fēng)筒中，類似管徑驟縮，以致壓力增大并在遇到風(fēng)筒防逆流裝置后產(chǎn)生反射超壓，作用在防逆流裝置的隔板上。

由于沖擊波的厚度極小，可將其簡化為一條線，忽略煤—瓦斯兩相流與巷道等物體的熱交換和摩擦，只考慮沖擊波前后狀態(tài)參數(shù)變化，以理想氣體膨脹來研究煤與瓦斯突出后的沖擊波問題[17]。

對于一維沖擊波，若沖擊波陣面的速度為D，則沖擊波傳播過程如圖3所示。波前即質(zhì)點朝向波陣面流動的區(qū)域，以參數(shù)u0、P0、ρ0表示速度、壓力和密度[18-20]。對應(yīng)地，波后即質(zhì)點穿過波陣面到達(dá)的那一邊的區(qū)域，各參數(shù)以u1、P1、ρ1表征。由于沖擊波波速遠(yuǎn)大于巷道內(nèi)未受到擾動的空氣的流速，所以忽略巷道內(nèi)的原始?xì)饬魉俣?。以突出點為原點，沖擊波運動方向為X軸正向建立突出沖擊波平面坐標(biāo)系，根據(jù)質(zhì)量、動量和能量守恒等，可以得到如下關(guān)系式可得：

式中，C0為當(dāng)?shù)芈曀?；γ為氣體壓縮系數(shù)。

如圖4所示，煤與瓦斯突出過程中，原始巷道中的空氣被沖擊波沖到波陣面附近，被壓縮空氣的質(zhì)量近似于厚度為Δx的沖擊波區(qū)域內(nèi)氣體質(zhì)量[21]。則薄層內(nèi)的氣體質(zhì)量：

M=S1ρ1x=S1ρ0x

(2)

式中，M為薄層內(nèi)氣體質(zhì)量；S1為巷道截面積；x為沖擊波傳播距離；ρ1為薄層內(nèi)氣體密度。

薄層內(nèi)的氣流速度等于波后氣體的流速u1，內(nèi)部壓強Px是波后氣體壓強的α倍，在薄層中建立沖量方程得：

又狀態(tài)方程可寫作：

式中，e為沖擊波內(nèi)能，J；P為氣體壓強，Pa；V為氣體體積，m3。

不考慮其他能量損失時，沖擊波陣面包裹的氣體的動能和內(nèi)能之和等于瓦斯膨脹對巷道內(nèi)的空氣介質(zhì)做功，得：

式(5)可以改寫成關(guān)于D的函數(shù)：

再將D值代入式(1)就可以得到巷道中任意位置的超壓ΔP(P1與P0的壓力差)。

2 作用在風(fēng)筒防逆流裝置上的沖擊波沖壓

突出沖擊波在經(jīng)過一段時間的傳播后，會從巷道進(jìn)入風(fēng)筒，然后作用在止逆隔板上；風(fēng)筒相對于巷道截面積大大減小，相當(dāng)于一個徑縮過程。為了方便分析，可以對巷道實際情況作如下簡化，如圖5所示。假設(shè)沖擊波單位時間內(nèi)從巷道內(nèi)的AB傳播至風(fēng)筒內(nèi)的EF面，兩個面之間的距離極小，AB面面積為S1，EF面面積為S2。巷道內(nèi)的參數(shù)為u2、P2、ρ2；AB面與EF面之間控制體的參數(shù)為u3、P3、ρ3；風(fēng)筒內(nèi)原始?xì)怏w的參數(shù)為u0、P0、ρ0。沖擊波從巷道進(jìn)入風(fēng)筒向傳播，即為風(fēng)筒內(nèi)氣體質(zhì)點從EF面進(jìn)入控制體ABEF，之后再從AB面流出。

為了簡化沖擊波傳播的推導(dǎo)，結(jié)合實際情況和理論分析對數(shù)學(xué)模型作如下簡化分析：①假設(shè)沖擊波與巷道壁面以及風(fēng)筒壁面之間沒有能量交換，傳播過程為絕熱過程；②忽略沖擊波從巷道進(jìn)入風(fēng)筒時的反射和繞射，整個ABEF控制體內(nèi)的參數(shù)都為u3、P3、ρ3。

控制體ABEF在單位時間內(nèi)受到的合外力為：

P0S0+P3S1-P2S1-P3S0

(7)

ABEF單位時間內(nèi)的動量變化為：

ρ1(D-u1)2S1-ρ0(D-u0))2S0

(8)

根據(jù)動量定理，單位時間作用在控制體上的力等于控制體流體的動量變化，可得：

P0S0+P3S1-P2S1-P3S0=

ρ1(D-u1)2S1-ρ0(D-u0)2S0

(9)

由式(9)可得沖擊波進(jìn)入風(fēng)筒后的超壓為：

通過式(1)求得風(fēng)筒與巷道交界處的超壓P2，再結(jié)合式(10)就可以得到風(fēng)筒內(nèi)的沖擊波超壓P3。

由于風(fēng)門安裝在進(jìn)風(fēng)流中，所以實際作用在風(fēng)門上的壓力ΔPa會有所衰減，即：

式中，K為衰減系數(shù)，當(dāng)入射壓與反向風(fēng)門夾角呈90°時，取1.6。反射超壓為：

式中，ΔPm表示反射超壓。

3 沖擊波對風(fēng)筒防逆流裝置作用的數(shù)值模擬分析

3.1 有限元分析模型的設(shè)置

井下巷道的凈面積多為24～27m2，近似為一個矩形，簡化分析可選取井下巷道截面尺寸為5m×5m。綜合安全設(shè)計的理念，突出口到風(fēng)筒的距離設(shè)置為70m。風(fēng)筒尺寸根據(jù)實際情況，選取內(nèi)徑為60mm。ρ0為20℃的空氣密度，為1.2kg/m3；當(dāng)?shù)匾羲貱0為340m/s；氣體壓縮系數(shù)γ取0.93；

唐巨鵬等通過理論分析和數(shù)值模擬得到了煤與瓦斯瓦斯突出能的擬合經(jīng)驗公式[22]：

W=0.6659P0.9966

(13)

遼寧省煤炭所通過實地測試我國12個地區(qū)的煤層瓦斯壓力，得出了P≤0.1H的結(jié)論，其中H為距地表垂深，m；P為瓦斯壓力，kg/cm2，可轉(zhuǎn)換成105Pa[23]。目前我國大部分煤礦開采深度在1000m下，可以推出煤層瓦斯壓力最大為10MPa，代入式(13)可以得到最大煤與瓦斯突出能為6607kJ。將上述參數(shù)代入式(6)，可以得到?jīng)_擊波波面速度為407m/s，代入式(1)求得風(fēng)筒入口處的超壓P2為0.062MPa。將P2代入式(10)，得到風(fēng)筒內(nèi)的沖擊波超壓P3為0.293MPa，代入式(11)和(12)能夠得到作用在止逆隔板上的沖擊波超壓為0.642MPa。

在沖擊波的作用下，止逆隔板會被拍在加強桿上，可以簡化看成是一個圓板被擠壓在十字加強桿上。加強桿為焊接于風(fēng)筒壁上，模型設(shè)置為兩端固定。礦用風(fēng)筒的半徑為300mm，止逆隔板多為厚度10mm的Q235鋼制薄片，加強桿件的材料相同，截面為20mm×20mm。

沖擊波是典型的非周期性載荷，作用時間短，可以將沖擊波載荷轉(zhuǎn)化成三角波來簡化分析，因此可以施加一個0.642MPa，歷時300ms的三角沖擊載荷，均勻垂直作用在止逆隔板上。所有結(jié)構(gòu)均采用實體單元劃分網(wǎng)格，單元大小為2mm，結(jié)合LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的應(yīng)力云圖如圖6所示。從圖6中可以看到，10mm的防逆流裝置的最大應(yīng)力為664.4MPa，應(yīng)力最大的區(qū)域集中在加強桿件的兩端和中心位置，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了Q235鋼的屈服極限235MPa，進(jìn)入了塑性變形狀態(tài)，顯然當(dāng)前的防逆流裝置無法滿足抵抗突出沖擊波的安全要求。

基于上述分析，嘗試使用Q460高強度鋼材，并且增加止逆隔板的厚度和加強桿件的數(shù)量，研究能夠滿足安全要求的風(fēng)筒防逆流裝置。在現(xiàn)有的防逆流裝置結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，上下各增加一根加強桿件，材料也設(shè)計為Q460鋼，分別選取20mm、25mm和30mm厚度的Q460鋼板作為止逆隔板的材料，結(jié)合LS-DYNA進(jìn)行分析。得到不同厚度的改進(jìn)防逆流裝置在突出沖擊波作用下的應(yīng)力、位移云圖，如圖7和圖8所示。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

從圖7中可以看到，20mm的風(fēng)筒防逆流裝置的最大應(yīng)力為461.7MPa，超過了Q460鋼的屈服極限，鋼板處于塑性變形狀態(tài)，裝置被破壞；而25mm和30mm的風(fēng)筒防逆流裝置的最大應(yīng)力則分別為446.6MPa和340.8MPa，小于Q460鋼的屈服極限，滿足強度要求。根據(jù)圖8顯示，20mm防逆流裝置中心點對應(yīng)的最大撓度也達(dá)到了10.54mm，接近止逆隔板厚度的一半，由于進(jìn)入了塑性變形狀態(tài)，也無法在受力變形后復(fù)原，顯然無法滿足安全要求。而25mm和30mm的防逆流裝置的中心點對應(yīng)的最大撓度分別為0.76mm和0.54mm，遠(yuǎn)小于止逆隔板自身厚度，未超過材料屈服極限，所以變形后還可以復(fù)原，滿足安全要求。

4 結(jié) 論

1)風(fēng)筒截面積遠(yuǎn)小于巷道截面積，由于傳播路徑截面積的縮小，從巷道進(jìn)入風(fēng)筒的沖擊波超壓會突然增大至巷道中的5倍。

2)現(xiàn)有風(fēng)筒防逆流裝置在10MPa煤層瓦斯壓力級別突出沖擊波作用下，最大應(yīng)力值為664MPa，遠(yuǎn)高于Q235鋼屈服極限，達(dá)不到安全要求。

3)在現(xiàn)有裝置基礎(chǔ)上，上下各增加兩根加強桿，使用Q460鋼設(shè)計的20mm厚度止逆隔板的防逆流裝置，在10MPa煤層瓦斯壓力級別的突出沖擊波作用下最大應(yīng)力值超過了材料屈服極限460MPa，不滿足安全要求。而25mm和30mm防逆流裝置最大應(yīng)力值均小于460MPa，且最大變形遠(yuǎn)小于自身厚度，滿足安全需求，故設(shè)計改進(jìn)合理。

4)研究重點只考慮了突出沖擊波對風(fēng)筒防逆流的結(jié)構(gòu)破壞，而突出后巷道內(nèi)除了沖擊波還有粉煤流以及煤矸石沖擊等，在未來需要同時考慮這些因素的共同破壞作用，繼續(xù)深入研究。