馮 麗，郝海清，王 凱

(1.長(zhǎng)治職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 長(zhǎng)治 046000； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤礦開采過程中的瓦斯爆炸沖擊波沿巷道傳播時(shí)會(huì)破壞通風(fēng)設(shè)施及裝置，導(dǎo)致風(fēng)流紊亂、通風(fēng)系統(tǒng)失效。為了防止主要通風(fēng)機(jī)破壞，許多國(guó)家對(duì)防爆蓋的泄壓保護(hù)做了相關(guān)規(guī)定，加拿大《煤礦職業(yè)健康與安全規(guī)程》(SOR/90-97)規(guī)定：“主通風(fēng)機(jī)房應(yīng)配置泄壓門或其他易于被爆炸沖開的泄爆裝置”[1]；南非、澳大利亞新南威爾士州規(guī)定應(yīng)采取有效措施保護(hù)主通風(fēng)機(jī)免遭爆炸損毀，但是均缺乏具體的煤礦風(fēng)井防爆蓋設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[2-4]。2007年12月6日新窯煤礦發(fā)生瓦斯爆炸事故造成105人死亡；2009年2月22日屯蘭煤礦發(fā)生瓦斯爆炸事故造成78人死亡，同年11月21日新興煤礦事故遇難人數(shù)達(dá)到108人。當(dāng)?shù)V井發(fā)生瓦斯爆炸事故后，如何快速恢復(fù)通風(fēng)系統(tǒng)是減少人員傷亡、降低次生災(zāi)害、提高應(yīng)急救援效率的主要途徑。但目前多數(shù)礦井防爆蓋存在易漏風(fēng)、泄壓復(fù)位困難的問題。因此，亟需研發(fā)耐爆炸壓力強(qiáng)度大、自動(dòng)泄壓復(fù)位效果好的新型防爆蓋來提高礦井防災(zāi)抗災(zāi)能力，最大限度減少瓦斯爆炸的損失。

1 防爆蓋應(yīng)用難題及故障分析

防爆蓋作為井下爆炸時(shí)自動(dòng)打開泄壓，防止沖擊波毀壞主通風(fēng)機(jī)的安全設(shè)備，在主通風(fēng)機(jī)停運(yùn)時(shí)打開，在自然風(fēng)壓作用下排出井下硐室及主要回風(fēng)道瓦斯，可降低瓦斯積聚引起的次生災(zāi)害。當(dāng)井下發(fā)生嚴(yán)重的瓦斯爆炸時(shí)，沖擊波超壓促使風(fēng)井防爆蓋打開，如果不能及時(shí)復(fù)位則會(huì)引起主風(fēng)機(jī)風(fēng)流短路，無法將風(fēng)流排出而導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)癱瘓，井下風(fēng)流紊亂、瓦斯積聚極易引發(fā)二次爆炸，從而造成重大人員傷亡[5]。目前防爆蓋應(yīng)用現(xiàn)狀與結(jié)構(gòu)問題主要表現(xiàn)在：防爆蓋的液封效果不佳導(dǎo)致液體蒸發(fā)及漏液?jiǎn)栴}，防爆蓋漏風(fēng)使得常態(tài)通風(fēng)系統(tǒng)的效率降低，增加主通風(fēng)機(jī)電耗；防爆蓋開啟阻力太大或冬季結(jié)冰等原因，在發(fā)生瓦斯爆炸時(shí)無法順利開啟泄壓致使通風(fēng)機(jī)損壞，導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)失效；發(fā)生瓦斯爆炸時(shí)沖擊波將防爆蓋炸飛拋出，或者爆炸導(dǎo)致變形嚴(yán)重而無法關(guān)閉，致使主通風(fēng)機(jī)風(fēng)流短路，導(dǎo)致次生災(zāi)害發(fā)生和事故擴(kuò)大；礦井災(zāi)變后為了將煙流排出而反風(fēng)時(shí)，防爆蓋無法快速關(guān)閉或者關(guān)閉后無法鎖扣密封致使風(fēng)流短路，或反風(fēng)漏風(fēng)嚴(yán)重，導(dǎo)致次生災(zāi)害并影響井下應(yīng)急救援工作的開展[6-7]。

針對(duì)礦井防爆蓋的應(yīng)用困難，兗礦集團(tuán)與山東科技大學(xué)聯(lián)合攻關(guān)，對(duì)風(fēng)井防爆蓋快速?gòu)?fù)位及鎖扣技術(shù)進(jìn)行研究，增加防爆蓋安全系數(shù)，提高了防爆蓋的災(zāi)變應(yīng)對(duì)能力；無錫飛逸電力設(shè)備制造公司與潞安環(huán)能公司聯(lián)合攻關(guān)，合作開發(fā)了ZFFBM型自復(fù)式立風(fēng)井防爆蓋，在五陽(yáng)煤礦南峰回風(fēng)井安裝使用，反風(fēng)演習(xí)中取得良好的應(yīng)用效果；煤炭科學(xué)研究總院與山西創(chuàng)奇實(shí)業(yè)有限公司聯(lián)合研發(fā)的KFM系列自動(dòng)復(fù)位式立風(fēng)井防爆蓋具有自動(dòng)開啟關(guān)閉、泄壓、抗沖擊等特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)演習(xí)驗(yàn)證了常態(tài)下預(yù)期功能[8]。澳大利亞研制了TTUniK型自復(fù)位防爆蓋，河南理工大學(xué)與西山煤電公司聯(lián)合研制了立井備用防爆蓋快速?gòu)?fù)位技術(shù)及裝備并在屯蘭煤礦應(yīng)用[9-10]。但現(xiàn)有研發(fā)的防爆蓋在井下爆炸中無法完全克服嚴(yán)重變形而不能及時(shí)泄壓、復(fù)位等問題，鮮少有對(duì)不同結(jié)構(gòu)防爆蓋抗沖擊強(qiáng)度動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律研究，缺乏對(duì)新設(shè)計(jì)防爆蓋預(yù)期性能的理論分析。研究瓦斯爆炸沖擊載荷條件下風(fēng)井防爆蓋力學(xué)動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制及其承壓分布規(guī)律，對(duì)新型防爆蓋結(jié)構(gòu)及可靠性設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義[11-12]。

2 新型防爆蓋設(shè)計(jì)及工作原理

針對(duì)目前防爆蓋的應(yīng)用缺陷，從兩個(gè)方向上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)：一是增加固定滑槽圓頂式結(jié)構(gòu)和同步配重裝置，使得防爆蓋承壓上移由四周泄壓，在同步配重裝置干預(yù)下順利復(fù)位；二是蝶式鉸鏈開合式結(jié)構(gòu)設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)與動(dòng)力裝置，在承壓條件下向兩側(cè)張開而保障沖擊波正向泄壓，運(yùn)用動(dòng)力裝置復(fù)位。

2.1 圓頂式滑槽泄壓復(fù)位防爆蓋

圓頂式滑槽泄壓復(fù)位防爆蓋主要包括配重系統(tǒng)、防爆蓋、密封與墻體、緩沖擋板、蓋體移動(dòng)滑輪、協(xié)同同步配重架、四角配置改向輪、聯(lián)動(dòng)鋼絲繩等組件，圓頂式滑槽泄壓復(fù)位防爆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 圓頂式滑槽泄壓復(fù)位防爆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圓頂式滑槽泄壓復(fù)位防爆蓋系統(tǒng)的改進(jìn)方法與工作原理：防爆蓋由各扇形板焊接連接組成錐形結(jié)構(gòu)，扇板之間不再需要橡膠密封件，避免了橡膠件老化失效的問題；防爆蓋日常開啟過程采用緩沖裝置進(jìn)行限位，避免防爆蓋對(duì)配重支架造成撞擊而損傷部件，同時(shí)也減小了鋼絲繩的沖擊張力；防爆蓋再?gòu)?fù)位過程用回柱絞車，連續(xù)拉動(dòng)鋼絲繩將防爆蓋緩緩放下，避免墻體對(duì)防爆蓋的沖擊；設(shè)置回柱絞車鋼絲繩改向架，保障配重塊同步沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，消除了配重塊回位過程的誤差；防爆蓋泄壓過程中沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，消除因鋼絲繩拉動(dòng)引起的擺動(dòng)，避免防爆蓋打開過程的扭轉(zhuǎn)位移，為其準(zhǔn)確復(fù)位提供導(dǎo)向作用；在墻體凹槽中設(shè)置引流板與溢流閥，避免冷凝水進(jìn)入油槽而破壞密封效果。

新設(shè)計(jì)的圓頂式自動(dòng)泄壓防爆門開啟及復(fù)位沖擊振動(dòng)小，開啟過程中導(dǎo)輪在滑槽滾動(dòng)，通過緩沖擋板減小沖擊，同時(shí)消除了鋼絲繩拉動(dòng)過程中防爆蓋可能的擺動(dòng)；復(fù)位過程中通過導(dǎo)軌采用回柱絞車?yán)瓌?dòng)鋼絲繩可有效控制沖擊與防爆蓋扭轉(zhuǎn)位移。防爆蓋監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置了原位開關(guān)按鈕與報(bào)警器，風(fēng)機(jī)監(jiān)控室軟件啟閉防爆門，同時(shí)對(duì)防爆門狀態(tài)進(jìn)行視頻監(jiān)控。正常情況下，原位開啟按鈕不起作用，當(dāng)壓力傳感器監(jiān)測(cè)井下爆炸或負(fù)壓消失時(shí)，防爆門依靠配重體的作用自動(dòng)打開并應(yīng)急報(bào)警，通過預(yù)設(shè)回柱絞車進(jìn)行回位。防爆門的密封設(shè)計(jì)保證密封后的漏風(fēng)量不超過15%，并設(shè)計(jì)了反風(fēng)鎖扣裝置。

2.2 蝶式鉸鏈側(cè)門型自動(dòng)泄壓防爆蓋

蝶式鉸鏈側(cè)門型自動(dòng)泄壓防爆蓋變換了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其質(zhì)量?jī)H為原始機(jī)械式防爆蓋的一半，通過電控裝置使其由機(jī)械化變?yōu)樽詣?dòng)化。由框架主體、分體式門板、重錘支撐架、滑輪、重錘、重錘緩沖架、重錘隔板、門架橫梁、門板液壓緩沖器、控制裝置等部件組成，控制裝置主要為電機(jī)載動(dòng)的電動(dòng)推桿，包括控制器、傳感器、驅(qū)動(dòng)、通訊單元等。蝶式鉸鏈側(cè)門型自動(dòng)泄壓防爆蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

蝶式鉸鏈側(cè)門型自動(dòng)泄壓防爆蓋采用錐角為30°的截錐形圓錐殼體結(jié)構(gòu)，頂蓋、圓筒形立壁、外密封圈焊接為一體，作為井口末端的防爆泄壓裝置。截錐形采用模塊化設(shè)計(jì)，頂蓋框架結(jié)構(gòu)由角鋼焊接而成，4塊蓋板之間采用角鋼搭焊并夾以膠墊緊固，使密封材料在蓋板良好結(jié)合，保證礦井常態(tài)通風(fēng)時(shí)不漏風(fēng)。配重裝置有支架、重錘、滑輪罩，重錘行程按蓋板的開啟高度確定。防爆蓋反風(fēng)裝置的橫梁為槽鋼，常態(tài)時(shí)防爆蓋自由擱置在風(fēng)井鎖口盤上，礦井反風(fēng)時(shí)搬動(dòng)鎖口盤預(yù)埋螺栓上的反風(fēng)壓板壓緊防爆蓋，實(shí)現(xiàn)反風(fēng)時(shí)鎖扣。在井下突然停風(fēng)或發(fā)生爆炸時(shí)，蓋板在重錘作用下自動(dòng)打開，控制裝置通過傳感器確定蓋板及狀態(tài)，井下停風(fēng)時(shí)(負(fù)壓消失)等待指令，確定爆炸超壓后延時(shí)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿，將泄壓蓋板關(guān)閉。為了降低蓋板泄壓打開時(shí)的沖擊作用，蓋板打開方向上設(shè)置有液壓緩沖器，有效保護(hù)蓋板的正常復(fù)位。

圖2 蝶式鉸鏈側(cè)門型自動(dòng)泄壓防爆蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

蝶式鉸鏈側(cè)門型自動(dòng)泄壓防爆蓋與圓頂式滑槽泄壓復(fù)位防爆蓋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理方面具有顯著的區(qū)別，但都是分析現(xiàn)有防爆蓋缺陷，在密封、鎖扣、泄壓、復(fù)位方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。常態(tài)演習(xí)演練基本都能達(dá)到預(yù)期功能，在性能方面對(duì)比原有防爆蓋均有顯著提高，災(zāi)變條件下對(duì)沖擊波的承載能力和泄壓效果還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 新型防爆蓋的爆炸動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

鑒于實(shí)體爆炸實(shí)驗(yàn)的困難，通過建立井筒及防爆蓋的爆炸模型，利用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行大量相似模擬，量化分析兩種立井防爆蓋的爆炸動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程。

3.1 物理模型分析與構(gòu)建

根據(jù)礦井實(shí)際情況和數(shù)值模擬的需要，將立井井筒進(jìn)行簡(jiǎn)化并對(duì)湍動(dòng)流場(chǎng)作出假設(shè)：本研究主要考察爆炸沖擊波在立井中對(duì)防爆蓋的動(dòng)力響應(yīng)，作用時(shí)間短，故不考慮圍巖熱輻射的熱力學(xué)作用；不考慮密度差產(chǎn)生的重力和浮力效應(yīng)；巷道四周壁面簡(jiǎn)化為一定粗糙度的平面邊界；空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)紊流。為了驗(yàn)證不同結(jié)構(gòu)自動(dòng)泄壓防爆蓋的應(yīng)用效果，建立不同結(jié)構(gòu)防爆蓋的瓦斯爆炸泄壓模型，對(duì)泄壓過程中瓦斯爆炸沖擊波壓力場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，得出不同結(jié)構(gòu)防爆蓋瓦斯爆炸的泄壓效果。

不同結(jié)構(gòu)防爆蓋的物理結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，依據(jù)某礦的回風(fēng)立井尺寸與主通風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)，設(shè)置井筒直徑為5 m，風(fēng)道高為2 m；風(fēng)機(jī)位于風(fēng)道出口處，且設(shè)置風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度為0.7 m。立井上部為長(zhǎng)20 m、寬10 m的計(jì)算區(qū)域。圓頂式滑槽泄壓復(fù)位防爆蓋物理模型如圖3(a)，蓋體設(shè)置為沿豎直方向運(yùn)動(dòng)的剛體，運(yùn)動(dòng)高度限制為3 m；蝶式鉸鏈側(cè)門型自動(dòng)泄壓防爆蓋物理模型如圖3(b)，門板初始狀態(tài)設(shè)置與地面呈30°錐角，且可繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體，轉(zhuǎn)動(dòng)角度限制在與地面呈90°，分別在主通風(fēng)機(jī)處、蓋體處、主通風(fēng)機(jī)葉片處設(shè)置沖擊波動(dòng)壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、監(jiān)測(cè)點(diǎn)3，分別監(jiān)測(cè)防爆蓋在沖擊波作用下開啟過程中的動(dòng)壓變化。

數(shù)值模擬研究不同結(jié)構(gòu)防爆蓋開啟速度、開啟高度、角度以及沖擊波動(dòng)壓變化規(guī)律。計(jì)算過程中爆炸沖擊氣流為非穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)，湍流模型采用準(zhǔn)k-ε湍流方程，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，網(wǎng)格處理采用滑移網(wǎng)格和網(wǎng)格重構(gòu)對(duì)防爆蓋及周圍網(wǎng)格進(jìn)行控制，蓋體運(yùn)動(dòng)方式采用被動(dòng)運(yùn)動(dòng)中的六自由度，網(wǎng)格間距設(shè)置0.2 m，蓋體附近采用網(wǎng)格加密處理，該模型計(jì)算區(qū)域共劃分網(wǎng)格54 366個(gè)，網(wǎng)格大小滿足計(jì)算精度的要求，不同結(jié)構(gòu)防爆蓋模型網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。壁面邊界條件(wall)，將巷道壁面以無滑移固體壁面處理，不同結(jié)構(gòu)的防爆蓋初始速度均為0。根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，當(dāng)葉片長(zhǎng)度為0.7 m時(shí)，可將防爆門爆炸載荷確定為300 kPa，故在井筒下部入口處施加300 kPa的壓力;主要通風(fēng)機(jī)處采用exhaust-fun邊界，根據(jù)主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，設(shè)置壓力降為3 kPa，將計(jì)算區(qū)域的上、左和右邊設(shè)置為壓力出口，迭代時(shí)間步長(zhǎng)為5×10-4s。k-ε模型是基于湍動(dòng)能k和湍動(dòng)耗散率ε的半經(jīng)驗(yàn)公式。湍動(dòng)能k方程和湍動(dòng)耗散率ε方程的輸運(yùn)特征為：

圖3 不同結(jié)構(gòu)防爆蓋的物理結(jié)構(gòu)模型

(1)

(2)

式中：ρ為流體密度；k為單位質(zhì)量流體湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)耗散率；GK表示由平均速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM是由于在可壓縮湍流中、脈動(dòng)擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；C1ε、C2ε、C3ε是常量，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09；σk和σε是湍流動(dòng)能k方程和湍動(dòng)耗散率ε方程的湍流Prandtl數(shù)；SK和Sε是用戶定義；μ為分子擴(kuò)散所造成的的動(dòng)力黏性；μi為湍流黏度，通常取常量。常量取值如下：σk=1.3；σε=1.0。

圖4 不同結(jié)構(gòu)防爆蓋模型網(wǎng)格劃分情況

3.2 模擬結(jié)果分析

防爆蓋在沖擊波作用下的開啟時(shí)間對(duì)主通風(fēng)機(jī)處的泄壓效果有很大影響，數(shù)值模擬過程中分別監(jiān)測(cè)不同結(jié)構(gòu)防爆蓋的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)高度和角度隨時(shí)間變化。數(shù)值模擬結(jié)果表明：蝶式鉸鏈側(cè)門型防爆蓋在300 kPa沖擊波作用下，0.046 s即可由初始狀態(tài)轉(zhuǎn)至最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度90°，而圓頂式滑槽型防爆蓋達(dá)到最大開啟高度3 m 所需時(shí)間為0.08 s，之后分別保持最大角度和最大位移高度泄壓。不同結(jié)構(gòu)防爆蓋開啟高度、角度對(duì)比如圖5(a)所示。

蝶式鉸鏈側(cè)門型防爆蓋與圓頂式滑槽型防爆蓋在瓦斯爆炸沖擊波作用下的最大開啟速度相差不大，但蝶式鉸鏈側(cè)門型防爆蓋開啟時(shí)間更短。不同結(jié)構(gòu)防爆蓋開啟速度對(duì)比如圖5(b)，圓頂式滑槽型防爆蓋在沖擊波作用下逐漸增加，0.08 s達(dá)到最大值66.54 m/s，由于設(shè)置運(yùn)動(dòng)高度為3 m，故當(dāng)0.08 s運(yùn)動(dòng)至最大高度后，速度降至0；而蝶式鉸鏈側(cè)門型防爆蓋在沖擊波作用下，達(dá)到開啟壓力后，雙門板繞固定軸迅速轉(zhuǎn)動(dòng)，在0.036 s時(shí)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到最大值65.65 m/s，隨后速度逐漸減小，0.046 s左右降至61.57 m/s，此時(shí)達(dá)到最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度90°，由于轉(zhuǎn)動(dòng)限制，速度降至0。相比圓頂式滑槽型防爆蓋，蝶式鉸鏈側(cè)門型防爆蓋開啟時(shí)間更短，能夠更快達(dá)到最大泄壓面積，爆炸沖擊波下蝶式鉸鏈側(cè)門型防爆蓋的門板更容易達(dá)到開啟壓力，這是因?yàn)殡S著開啟程度的增加，沖擊波對(duì)防爆蓋的作用面積減小，導(dǎo)致蝶式鉸鏈側(cè)門型防爆蓋的加速度逐漸減小；而在圓頂式滑槽型防爆蓋開啟過程中沖擊波對(duì)圓頂式滑槽型防爆蓋的作用面積不變，立井內(nèi)的壓力釋放比較慢，所以圓頂式滑槽型防爆蓋的加速度幾乎不變。因此相比圓頂式滑槽型防爆蓋，蝶式鉸鏈側(cè)門型防爆蓋在較短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到最大泄壓角度，更有利于泄壓。

圖5 不同結(jié)構(gòu)防爆蓋開啟速度、高度、角度對(duì)比

3.3 不同結(jié)構(gòu)防爆蓋的動(dòng)壓場(chǎng)分布對(duì)比分析

回風(fēng)立井防爆蓋作用主要是為了保護(hù)主要通風(fēng)機(jī)不受沖擊波超壓的破壞，所以分別監(jiān)測(cè)300 kPa爆炸沖擊壓力作用下，不同結(jié)構(gòu)防爆蓋開啟過程中主通風(fēng)機(jī)、回風(fēng)立井井口、主通風(fēng)機(jī)葉片處的動(dòng)壓。在沖擊波作用下隨著兩種不同結(jié)構(gòu)防爆蓋開啟高度和開啟角度的增加，主要通風(fēng)機(jī)處和風(fēng)機(jī)葉片處的動(dòng)壓呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律。當(dāng)瓦斯沖擊波剛到達(dá)回風(fēng)立井時(shí)，立井防爆蓋處于關(guān)閉狀態(tài)，瓦斯爆炸沖擊波優(yōu)先傳播至主通風(fēng)機(jī)處，使得主要通風(fēng)機(jī)處的動(dòng)壓逐漸增加，由于風(fēng)機(jī)葉片處的斷面比較小，此處的沖擊波動(dòng)壓變化較大，故在瓦斯爆炸過程中，最易受到破壞的為通風(fēng)機(jī)葉片。當(dāng)回風(fēng)立井井口防爆蓋處的壓力達(dá)到開啟壓力后，防爆蓋逐漸開啟，主要通風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)葉片處的壓力增加斜率逐漸變小。

不同結(jié)構(gòu)防爆蓋開啟過程中主通風(fēng)機(jī)、立井口、風(fēng)機(jī)葉片處動(dòng)壓隨時(shí)間變化如圖6所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圓頂式滑槽型防爆蓋結(jié)構(gòu)的物理模型在蓋體開啟過程中，主通風(fēng)機(jī)處的動(dòng)壓逐漸增加，當(dāng)0.08 s蓋體達(dá)到最大位移高度后，主通風(fēng)機(jī)處的動(dòng)壓達(dá)到最大值15.4 kPa，風(fēng)機(jī)葉片處的最大動(dòng)壓為103.26 kPa，立井井口處的動(dòng)壓達(dá)31.86 kPa，沖擊波動(dòng)壓大部分由回風(fēng)立井泄出；此后，主通風(fēng)機(jī)處的動(dòng)壓逐漸降低并保持在7.18 kPa，風(fēng)機(jī)葉片處的動(dòng)壓逐漸降低并保持至53.56 kPa；回風(fēng)立井井口的動(dòng)壓仍增加，0.09 s時(shí)增加至最大值49.51 kPa，之后降低并保持在34.58 kPa。

而蝶式鉸鏈側(cè)門型防爆蓋結(jié)構(gòu)的物理模型在蓋體開啟過程中，主通風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)葉片處的動(dòng)壓同樣是先增加至最大值，之后降至某一固定值不變。在瓦斯爆炸沖擊波的作用下蝶式蓋體逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)打開，主要通風(fēng)機(jī)處和風(fēng)機(jī)葉片處的動(dòng)壓逐漸增加，主通風(fēng)機(jī)處0.08 s時(shí)達(dá)到最大值9.45 kPa，風(fēng)機(jī)葉片處0.08 s達(dá)到最大值68.74 kPa；回風(fēng)立井處的動(dòng)壓在蓋體開啟過程中持續(xù)增加，直至0.22 s增加至最大值并保持在142 kPa。由此可見，在瓦斯爆炸防爆蓋泄壓過程中，相比蓋式防爆蓋結(jié)構(gòu)的模型，蝶式鉸鏈側(cè)門型防爆蓋的開啟時(shí)間更短，開啟加速度更大，主要通風(fēng)機(jī)處和風(fēng)機(jī)葉片處的最大動(dòng)壓更小，回風(fēng)立井井口處釋放的最大動(dòng)壓更大，說明蝶式鉸鏈側(cè)門型防爆蓋結(jié)構(gòu)的物理模型在瓦斯爆炸過程中泄壓效果更好。

在整個(gè)防爆蓋對(duì)瓦斯爆炸沖擊波泄壓過程中，最易受到破壞的為風(fēng)機(jī)葉片。由文獻(xiàn)[9]可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度為0.7 m時(shí)，計(jì)算得到的葉片破壞動(dòng)壓為104.2 kPa，圓頂式滑槽型防爆蓋風(fēng)機(jī)葉片處的最大動(dòng)壓為103.26 kPa，而蝶式鉸鏈側(cè)門型防爆蓋風(fēng)機(jī)葉片處的最大動(dòng)壓為68.74 kPa。因此，圓頂式滑槽型防爆蓋結(jié)構(gòu)的模型在泄壓過程中有可能破壞風(fēng)機(jī)葉片，導(dǎo)致主要通風(fēng)機(jī)癱瘓，有可能破壞井下的通風(fēng)系統(tǒng)引發(fā)更大的次生災(zāi)害。綜上所述，瓦斯爆炸過程中，相比圓頂式滑槽型防爆蓋，蝶式鉸鏈側(cè)門型防爆蓋的泄壓效果更佳。

圖6 不同結(jié)構(gòu)防爆蓋開啟過程中主通風(fēng)機(jī)、立井口、風(fēng)機(jī)葉片處動(dòng)壓隨時(shí)間變化圖

4 結(jié)論

通過分析防爆蓋結(jié)構(gòu)對(duì)泄壓復(fù)位的影響，構(gòu)建相似物理模型開展數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

1) 通過對(duì)目前立井防爆蓋自動(dòng)泄壓的應(yīng)用缺陷和故障分析，設(shè)計(jì)了圓頂式和蝶式兩種不同結(jié)構(gòu)的新型防爆蓋，兩種防爆蓋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、泄壓工作原理以及復(fù)位方式方面各有特點(diǎn)。

2) 利用Fluent軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)的防爆蓋從爆炸動(dòng)力學(xué)及其超壓響應(yīng)方面進(jìn)行量化分析，獲得不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)井防爆蓋開啟速度、開啟高度和角度等參數(shù)。結(jié)果顯示，圓頂式滑槽型防爆蓋達(dá)到最大運(yùn)動(dòng)高度3 m需要0.08 s，而蝶式鉸鏈側(cè)門型防爆蓋開啟到最大角度90°僅需0.046 s，相比圓頂式滑槽型防爆蓋，蝶式鉸鏈側(cè)門型防爆蓋的物理結(jié)構(gòu)能在更短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大泄壓角度，可以快速泄壓。

3) 在300 kPa的瓦斯爆炸壓力條件下，圓頂式滑槽型防爆蓋在風(fēng)機(jī)處的最大動(dòng)壓為15.4 kPa，立井井口處的最大動(dòng)壓為31.86 kPa，風(fēng)機(jī)葉片處的最大動(dòng)壓為103.26 kPa；而蝶式鉸鏈側(cè)門型防爆蓋在風(fēng)機(jī)處的僅9.45 kPa，立井井口處的泄壓達(dá)到142 kPa，風(fēng)機(jī)葉片處的動(dòng)壓為68.74 kPa。對(duì)比不同結(jié)構(gòu)防爆蓋的主通風(fēng)機(jī)處、立井井口處、風(fēng)機(jī)葉片處的動(dòng)壓衰減效果可知，相比圓頂式滑槽型防爆蓋，蝶式鉸鏈側(cè)門型防爆蓋的泄壓效果更佳，能夠更好起到保護(hù)風(fēng)機(jī)的效果。