可封閉火區(qū)的泄爆門結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能研究

李 昂，彭 瑞，司俊鴻，周西華

（1.華北科技學院 應急技術(shù)與管理學院，北京 101601；2.河北省礦井災害防治重點實驗室，河北 廊坊 065201；3.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000；4.遼寧工程技術(shù)大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

目前煤礦采用的阻隔爆裝置多為巖粉棚，但裝置啟動靈敏度高，前置沖擊波使裝置啟動后開始大量噴灑巖粉，導致無法有效抑制滯后沖擊波[1-2]。單一功能的泄爆門只能泄爆，無封閉功能，泄爆后火區(qū)進入新風有二次爆炸和次生災害的風險[3-4]。另外，工人不能短時間內(nèi)砌筑防爆墻并封閉火區(qū)，易處在爆炸危險環(huán)境中，無法逃離[5]。因此有必要研發(fā)新的泄爆裝置來解決技術(shù)缺點。王晨臣等[6]通過不同開啟方式研究泄爆門的泄爆特性，得出壓力比開啟方式要優(yōu)于馬赫數(shù)；裴蓓等[7]和余明高等[8]研發(fā)了CO2-超細水霧的泄爆裝置，氣液耦合的抑爆效果要好于其他單一抑爆劑，不再出現(xiàn)促爆現(xiàn)象；魏春榮等[9]和張慶豐等[10]設(shè)計了一種泄壓式自動多次緩沖復位防爆門，可實現(xiàn)風機停止泄爆門開啟，風機運行泄爆門復位的功能；孫建華等[11]和舒彥民等[12]研發(fā)了通過PLC 控制系統(tǒng)使泄爆門能夠自動隔爆并阻斷風流，解決了目前風門無泄爆系統(tǒng)和缺少安全逃生通道等問題；張如明[13]針對目前的隔爆水棚的弊端，設(shè)計了一種新型泡沫陶瓷隔爆棚，研究發(fā)現(xiàn)該隔爆棚能有效抑制爆炸沖擊波的傳播，可控制在人員和井下設(shè)備安全范圍內(nèi)；榮佳等[14]針對隔爆水袋和巖粉棚的問題，自制了純機械式阻燃隔爆裝置，實驗證明了該裝置的有效性。上述研究主要針對阻隔爆裝置的泄爆或封閉火區(qū)單一功能進行驗證，或通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)泄爆和阻斷風流功能，并沒有不借助驅(qū)動或人工就可同時實現(xiàn)泄爆和封閉的裝置。為此，設(shè)計了1 種可快速封閉的泄爆門，針對其結(jié)構(gòu)、泄爆機理及有益增效進行論述，并運用FLUENT 軟件在不同工況條件下進行瓦斯爆炸模擬，通過監(jiān)測爆炸壓力、火焰溫度和火焰速度分析其變化規(guī)律，驗證泄爆門的泄爆效果。

1 泄爆門

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計了1 種當封閉火區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸時，能夠避免爆炸沖擊波及沖擊波攜帶煤塊直接擊中工作人員的泄爆門，并對泄爆門門框、門扇設(shè)置安全性較高的保護結(jié)構(gòu)。泄爆門結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 泄爆門結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of explosion venting door

泄爆門包括門框和設(shè)置于門框中的門扇，門扇左側(cè)與門框之間通過合頁連接，門扇外表面開設(shè)若干組泄爆孔，每組泄爆孔由若干個通孔組成，通孔呈長方形結(jié)構(gòu)均勻排布，通孔的左側(cè)開口呈圓柱形結(jié)構(gòu)設(shè)置。每組泄爆孔前方設(shè)有罩住通孔的泄爆小門，泄爆小門正對于通孔處均向外凸出形成圓錐形結(jié)構(gòu)的密封部，密封部一端插入通孔將通孔密封。泄爆小門上端焊接活動鉸鏈固定于門扇上，同時設(shè)有“廠”型結(jié)構(gòu)的擋板，且擋板一端焊接固定于門扇上。

門框內(nèi)部的上下端面形成向內(nèi)凹陷的定位缺口，門扇的上下端面形成一向外凸出的定位部，且定位部一端均插入定位缺口中，該設(shè)置增加了門扇與門框之間的接觸面積，從而能更好的增加阻擋效果。門框表面的左側(cè)焊接安裝若干組第1 連接耳和第2連接耳，同時每組連接耳用磷化圖層鋼絲繩相連接，通過鋼絲繩能有效的拉住門扇，避免門扇在沖擊波作用下脫離門框，增加了安全性。門框右側(cè)焊接固定“L”型結(jié)構(gòu)的固定板，門扇右側(cè)安裝嵌入式軸承，軸承的內(nèi)環(huán)中焊接固定軸桿，軸桿一端焊接固定橫桿，橫桿右側(cè)至上而下的插入固定板中，且橫桿的表面上焊接固定手柄，通過橫桿增加了門扇與門框之間的連接牢固性。門框的外壁面上焊接固定安裝若干定位桿，且定位桿插入巷道的頂板和底板內(nèi)部，并與巷道之間澆筑固定，該設(shè)置增加了門框與礦井之間的連接牢固性。擋板傾斜一端的內(nèi)側(cè)面粘連固定橡膠層，在泄爆小門撞擊擋板后，通過橡膠層能有效降低沖擊力，有效的起到緩沖作用。

1.2 泄爆機制和泄爆材質(zhì)受力分析

將泄爆門安裝在礦井易發(fā)生自然發(fā)火區(qū)域，非災變時期可將泄爆門打開平行于墻壁放置，可供工人通行或充當風門開關(guān)使用。一旦工作面或采空區(qū)自然發(fā)火，工作人員可通過手柄轉(zhuǎn)動橫桿，使橫桿插入固定板上增加兩者之間的連接穩(wěn)定性，將泄爆門關(guān)閉使其封閉火區(qū)，并迅速逃離危險區(qū)域。當封閉火區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸，爆炸產(chǎn)生的沖擊波能直接從通孔中排出，排出的沖擊波能有效將泄爆小門向上開啟，開啟程度直至泄爆小門與擋板傾斜面上的橡膠層相抵，通過橡膠層增加了緩沖效果，且擋板能使泄爆小門呈傾斜狀打開，使沖擊波能沿著傾斜方向傳播到地面，更加有效的二次衰減沖擊波能量，避免正面波擊到正在逃離的工作人員。另外通過通孔能有效的將煤塊和矸石擋住，避免了礦石從泄爆小門中飛出擊打工人，泄爆完成后，泄爆小門在其自身重力作用下恢復原位，密封部再次插入通孔中，由于封閉區(qū)域瞬間泄壓導致該區(qū)域壓強低于大氣壓，在壓差的作用下將通孔密封，形成密閉狀態(tài)，阻斷風流避免二次爆炸和次生災害的發(fā)生。

泄爆門主要由門框和門扇組成，門框通過鋼筋混凝土澆筑的方式固定在巷道上，根據(jù)GB 50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[15]，混凝土保護層厚度不小于40 mm。門扇選用Q460 高強鋼板進行加工焊制而成，整個泄爆門扇尺寸為3.5 m×2.5 m，厚度為10 mm，根據(jù)JGJ/T 483—2020 高強鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準[16]，Q460 鋼屈服強度為460 MPa，由于煤礦瓦斯爆炸產(chǎn)生的壓力最大可達2 MPa，運用力學計算軟件，通過設(shè)置2 MPa 的沖擊壓力來模擬瓦斯爆炸沖擊波對鋼板的受力情況，模擬結(jié)果得出鋼板受到的最大沖擊力為24 MPa，遠遠小于鋼材Q460 的極限強度，說明該型號鋼材制成泄爆門完全可以抵擋爆炸沖擊波，防止門板變形導致漏氣。

1.3 有益增效

1）泄爆小門在擋板和橡膠層的作用下使其傾斜打開，在泄爆小門作用下使大部分沖擊波能夠延傾斜方向向地面?zhèn)鞑?，起到二次衰減和限制沖擊波傳播作用。

2）泄爆門在泄爆小門和泄爆孔凸出的圓錐形結(jié)構(gòu)作用下，既可以防止火區(qū)蔓延，又能快速封閉火區(qū)，形成密閉空間，同時泄爆孔在通孔的作用下有效阻擋礦石，增加了封閉性和安全性。

3）門扇、門框和泄爆小門其表面噴涂環(huán)氧富鋅底漆和氟碳漆，使其增加耐酸堿性、耐高溫性和抗沖擊強度，而通過磷化圖層鋼絲繩和定位桿增加了門框和門扇的穩(wěn)固性，磷化圖層可以提高制繩鋼絲表面的耐磨損、耐腐蝕能力，有效抑制微動疲勞的發(fā)生，防止損壞。

4）把整體的泄爆門分成4 個泄爆小門，采用外開方式開啟，不借助任何泄爆驅(qū)動裝置，消除了驅(qū)動裝置的不安全危險性，同時可拆裝重復使用，降低了更換成本，提高了使用功效。

2 泄爆門泄爆特性

2.1 物理模型

煤礦井下矩形水平巷道物理模型如圖2。

圖2 物理模型Fig.2 Physical model

模型可模擬回采和掘進工作面自然發(fā)火導致瓦斯爆炸后，泄爆門泄爆過程，模型尺寸為長度x=50 m，寬度y=3 m，高度z=4 m，由于物理模型可把混凝土澆筑部分簡略，泄爆門的尺寸為巷道截面尺寸，在模型x=24 m 處設(shè)置泄爆門，泄爆門的左側(cè)為封閉區(qū)域，泄爆門體上設(shè)置4 個面積為1.5 m×1.2 m 的泄爆小門，當泄爆小門設(shè)置可開啟狀態(tài)時該工況為泄爆門，當泄爆小門設(shè)置封鎖狀態(tài)時該工況為防爆墻。

選擇適用于非定常問題的PISO 算法、k-epsilon湍流模型和EDC 燃燒模型[17-20]。初始時刻，環(huán)境壓力為0.101 MPa，環(huán)境溫度為300 K；在0≤x≤8 m 范圍內(nèi)，甲烷體積分數(shù)為9.5%，氧氣體積分數(shù)為19.1%，氮氣體積分數(shù)為71.4%，二氧化碳體積分數(shù)為0%，在坐標（4，2，1.5）處設(shè)定1 個半徑為0.6 m、溫度為1 750 K 的著火點；在8≤x≤50 m 范圍內(nèi)，甲烷體積分數(shù)為0%，氧氣體積分數(shù)為21%，氮氣體積分數(shù)為79%，二氧化碳體積分數(shù)為0%。

2.2 模擬結(jié)果

當煤礦采空區(qū)或采掘工作面發(fā)生自然發(fā)火時，因環(huán)境因素積聚瓦斯可能會導致瓦斯爆炸和次生災害的發(fā)生，為了避免火勢蔓延和災變發(fā)生，應及時封閉火區(qū)，目前封閉技術(shù)主要是砌筑防爆墻和泄爆門，則在瓦斯體積分數(shù)為9.5%情況下設(shè)置了防爆墻S0和泄爆門S12 種工況；根據(jù)瓦斯爆炸3 要素，在體積分數(shù)為5%～15%范圍內(nèi)瓦斯均可以發(fā)生爆炸，則選取9.5%、11.5%、7.5%、5.5%不同體積分數(shù)瓦斯在泄爆門作用下對瓦斯爆炸進行數(shù)值模擬，其為S1、S2、S3、S4工況。運用FLUENT 對5 種工況進行模擬[21]，在泄爆門（防爆墻）前選取截面對壓力、速度和溫度進行監(jiān)控，分析泄爆門的泄爆能力及其對瓦斯爆炸傳播規(guī)律的影響，當監(jiān)測壓力為負壓時刻即為泄爆小門關(guān)閉時刻。

2.2.1 防爆墻和泄爆門瓦斯爆炸特性參數(shù)對比

體積分數(shù)9.5%的瓦斯爆炸沖擊波壓力下，2 種工況下瓦斯爆炸特性參數(shù)變化曲線如圖3。

圖3 2 種工況下瓦斯爆炸特性參數(shù)變化曲線Fig.3 Change curves of gas explosion characteristic parameters under two working conditions

由圖3（a）可知，在0～20 ms 范圍內(nèi)，監(jiān)測處壓力均為0 MPa；在21 ms 時刻沖擊波開始快速傳播，36 ms 時刻2 種工況均出現(xiàn)最大壓力峰值分別為1.10、0.77 MPa；37 ms 之后，在S0工況下，沖擊波能量受損，返回的前置沖擊波與滯后沖擊波重疊使測點壓力升高，出現(xiàn)不間斷的震蕩，300 ms 之后封閉區(qū)域內(nèi)壓力穩(wěn)定維持在0.29 MPa，由于壓力長時間存在，爆炸載荷誘發(fā)的地應力瞬態(tài)卸荷對圍巖造成損傷，同時高壓環(huán)境對設(shè)備造成損壞。然而S1工況在37 ms 之后只出現(xiàn)1 次震蕩便開始快速衰減，320 ms 時刻達到負壓狀態(tài)，當封閉區(qū)域處于負壓時，沖擊波已經(jīng)全部傳播出去且泄爆門處于封閉狀態(tài)。

由圖3（b）可知，在0～20 ms 范圍內(nèi)，監(jiān)測速度為0 m/s；在29 ms 時刻2 種工況均出現(xiàn)最大速度峰值分別為263、308 m/s；30 ms 之后火焰波在2 種工況下，能量和速度大幅度衰減；在S0工況下，40 ms時刻速度降到14.55 m/s；41 ms 之后速度開始大幅度震蕩，每次出現(xiàn)小峰值后出現(xiàn)大峰值；在500 ms之后速度為0 m/s，說明沖擊波能量全部消耗完畢。而S1工況在58 ms 時刻速度逐漸減小降低到39.24 m/s；在258 ms 時刻速度開始均勻下降，直到速度趨于0 m/s 達到泄爆門封閉狀態(tài)，與S0工況不同的是并沒有在小峰值后出現(xiàn)大峰值的情況，而是峰值大量衰減，說明開啟泄爆小門后火焰波傳播到封閉區(qū)域外，只有少部分火焰波反彈出現(xiàn)震蕩，在泄爆門的作用下能更快的讓封閉區(qū)域達到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.2 泄爆門對瓦斯爆炸壓力的影響

不同瓦斯體積分數(shù)下瓦斯爆炸特性參數(shù)變化曲線如圖4。

由圖4（a）可知，S1～S4工況在36 ms 時刻壓力瞬間增加到最大分別為0.77、0.65、0.57、0.73 MPa，壓力均會在108、178 ms 突然升高產(chǎn)生波動，直到200 ms 時壓力開始均勻下降，320 ms 時刻變?yōu)樨搲哼_到泄爆門封閉狀態(tài)。沖擊波傳播過程中，相同時刻不同工況產(chǎn)生的壓力不同，隨著瓦斯體積分數(shù)的增大，壓力峰值和壓力的變化規(guī)律呈二次函數(shù)關(guān)系，先增大后減少。這是由于S2、S3工況瓦斯含量不足，產(chǎn)生的能量要低于S1、S4工況，而S4工況處在瓦斯過量氧氣缺乏的環(huán)境，導致瓦斯活性降低，產(chǎn)生的能量略低于S1工況。由此可知，在整個瓦斯爆炸過程中，泄爆門的泄爆能力與瓦斯體積分數(shù)無關(guān)，無論瓦斯體積分數(shù)如何變化均以相同時間封閉火區(qū)。

圖4 不同瓦斯體積分數(shù)下瓦斯爆炸特性參數(shù)變化曲線Fig.4 Change curves of gas explosion characteristic parameters under different gas volume fractions

由圖4（b）可知，S1～S4工況在29 ms 時刻火焰?zhèn)鞑ニ俣人查g達到最大分別為308、282、257、294 m/s，同時瞬間開啟泄爆門，在98、170、240 ms 時刻出現(xiàn)震蕩，在260 ms 時速度開始均勻下降，320 ms 時刻速度趨于0 m/s，火焰沖擊波的動能已經(jīng)無法開啟泄爆窗，此時泄爆門已經(jīng)起到密閉作用?；鹧娌▊鞑ミ^程中，相同時刻不同工況火焰?zhèn)鞑ニ俣炔煌?，隨著瓦斯體積分數(shù)的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃蠛鬁p小，其產(chǎn)生原因與壓力同理；在整個爆炸過程中，無論瓦斯體積分數(shù)如何變化，在泄爆門的作用下火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?guī)律和封閉時間均相同。

由圖4（c）可知，在0～20 ms 范圍內(nèi)火焰初始溫度300 K，S1～S4工況在36 ms 時刻溫度瞬間升高出現(xiàn)第1 個峰值，分別為694、664、624、680 K，在70 ms 時刻溫度降低出現(xiàn)第1 個谷值，分別為435、408、384、420 K，在1 次震蕩結(jié)束后260 ms 時刻溫度增長到最大，開始達到穩(wěn)定并緩慢下降。不同工況下火焰溫度變化趨勢與爆炸壓力、火焰速度相同，9.5%瓦斯體積分數(shù)的火焰變化曲線整體處于高位，但是火焰溫度并沒有因泄爆門的存在而快速降低，只是隨時間的推移，由于巷道壁面散熱和能量的消失而緩慢衰減，證明泄爆門不具有抑制火焰功能，因此該泄爆門中還需對抑制火焰功能進一步研究。

3 結(jié) 語

1）S0～S5工況在整個爆炸過程中，36 ms 時最大壓力為1.10、0.77、0.65、0.57、0.73 MPa，29 ms 時刻出現(xiàn)最大火焰速度為263、308、282、257、294 m/s。

2）通過S0、S1工況爆炸特性對比發(fā)現(xiàn)，防爆墻產(chǎn)生的爆炸壓力峰值最大，壓力衰減后一直維持在0.29 MPa，高壓環(huán)境下對巷道內(nèi)圍巖和設(shè)備造成持續(xù)損壞，而泄爆門能夠快速泄壓，使火區(qū)達到無新風封閉狀態(tài)，減少二次爆炸和次生災害的發(fā)生，說明所設(shè)計泄爆門具有泄爆特性和封閉火區(qū)作用。

3）在S1～S4工況條件下，爆炸壓力、火焰溫度和火焰速度曲線變化規(guī)律均相同，呈二次函數(shù)關(guān)系變化，隨著瓦斯體積分數(shù)的增大，瓦斯爆炸特性參數(shù)先增大后減小。泄爆門的泄爆能力與瓦斯體積分數(shù)無關(guān)，無論瓦斯體積分數(shù)如何變化均以相同時間泄壓和封閉火區(qū)。

4）該泄爆門不具有抑制爆炸火焰功能，既能泄壓又能快速降溫的泄爆裝置還需進一步研究。