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        煤礦巷道抗爆快速式氣囊式密閉研究

        2021-05-21 07:33:14趙君
        同煤科技 2021年2期

        研發(fā)起止時間:2018.06~2019.05

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

        成果水平:國際領(lǐng)先

        1 項目背景

        該項目于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)實踐廣泛采用。其原理是將火區(qū)隔離,阻斷供風使火源缺氧而減弱甚至熄滅。但是,密閉施工會造成風流減少,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,嚴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,由于需要準備大量材料,人工壘砌墻體,不僅施工耗時,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、快速凝固材料充填成墻技術(shù)存在工程量大、施工時間長的缺點。現(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,選取有效的研究手段,進行中尺度的物理模擬實驗,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,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。研究以大尺寸試驗巷道中進行的瓦斯爆炸試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),建立試驗巷道中爆炸沖擊波超壓的衰減模型,將模型預(yù)測值與試驗數(shù)據(jù)對比,通過模型模擬研究掌握實驗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?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)前人實驗和進行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(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驗研究

        實驗利用空氣壓縮機向激波管高壓區(qū)內(nèi)充入空氣,當封閉空間的內(nèi)部壓力大于膜片的極限壓力時,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,進行氣囊的抗爆緩沖實驗。

        圖1 中尺度激波管道

        試驗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。實驗發(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,此時氣囊的剛度最小,柔韌度最大,緩沖性能最佳,經(jīng)計算選取的氣囊材質(zhì)增強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

        通過離散元方法進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。利用模型進行仿真性實驗,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)計任務(wù)的設(shè)計變量以及優(yōu)化變量。根據(jù)氣囊緩沖系統(tǒng)的特點,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立多囊設(shè)計等,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,易攜帶和運輸,好操作等優(yōu)點。由3 名操作救護隊員安設(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)部由單項連同閥相連。大尺寸氣囊材料采用高強度增強涂覆布,經(jīng)縫紉、粘合制成。其面料強度高,經(jīng)向、緯向扯斷強度≥5 000 N/5 cm,撕裂強度≥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)計示意圖

        為了測試大尺寸氣囊的安裝時效以及漏氣率等參數(shù),對氣囊進行反復(fù)組裝并充放氣。分別進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物圖

        3 主要研究成果

        (1)通過對氣囊材質(zhì)的力學(拉伸、撕裂強度)和高溫阻燃性能測定,優(yōu)選了增強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?;谖锢韺嶒灪蛿?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,該氣囊實現(xiàn)了快速充放氣,最快充氣時間僅為15 min,且具備便攜搭設(shè)、耐磨防靜電、抗撕裂效果強等優(yōu)點,克服了大氣囊沉重不便運輸?shù)膯栴}。

        4 應(yīng)用效果

        本項目研發(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,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輸?shù)膯栴},能夠快速的運輸至所需地點,極大提高了救援的效率。該技術(shù)還可在地面用于救護隊員日常救援訓(xùn)練,提高救護隊的災(zāi)害救援能力。

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