突出冲击波对风筒防逆流装置的破坏失效研究

为分析煤与瓦斯突出事故中风筒防逆流装置的安全性,研究了现有防逆流装置在10MPa煤层瓦斯压力规模的突出冲击波超压作用下的动力学特征,并且基于研究结果和安全设计理念给出改进方案。结合流体动力学,得到了巷道不同位置的冲击波超压数学模型,并运用LS-DYNA软件对冲击载荷下的风筒防逆流装置结构破坏进行数值模拟,得到不同结构和材料的风筒防逆流装置的动力学特征。研究表明:风筒截面积远小于巷道截面积,由于传播路径截面积的缩小,从巷道进入风筒的冲击波超压会突然增大至巷道中的五倍。现有的防逆流装置在10MPa煤层瓦斯压力规模的冲击波超压作用下最大应力值达到664MPa,远大于Q235钢的屈服极限235MPa,无法满足安全要求;结构改进后的25mm和30mm厚度防逆流装置,在最恶劣工况下最大应力均小于材料的屈服极限,最大变形远小于自身厚度,可以满足安全要求。

突出冲击波对风门和风筒防逆流装置的破坏研究

为了防止煤与瓦斯突出后发生瓦斯逆流,结合流体动力学研究突出冲击波对防突风门和风筒防逆流装置的破坏失效机制。基于理论推导,得到了煤与瓦斯突出条件下的冲击波传播模型,给出作用在风门和风筒防逆流装置处的反射超压。利用突出能量传播模拟系统,模拟井下发生突出事故后冲击波在巷道中的传播,并将试验结果与理论计算和数值模拟结果进行对比。在此基础上利用Fluent对4种不同突出条件下冲击波在巷道内的传播进行模拟研究,并且将风门和风筒防逆流装置处的超压随时间变化数据输入LS-DYNA进行数值模拟。研究结果表明:实际的冲击波衰减比数值模拟和理论计算更加快,试验和模拟误差不大且总的变化规律是一致的,利用数值模拟手段研究冲击波传播规律是可行的;风筒防逆流装置处的冲击波超压峰值大于风门位置的超压峰值,且冲击波超压在第1个波峰出现后震荡下降;由于风筒中反射出的冲击波叠加,风门位置的超压峰值是在第2个波峰出现,突出压力和突出孔径越大,相应的冲击波超压峰值就越大。研究成果对防突风门和防逆流装置设计具有指导意义。