突出冲击波对防突风门的破坏失效研究.pdf

Vo e.16 No .8 Au g . 2020 第16卷第8期 2020年8月 中国安全生产科学技术 Jo u r n a t o f Sa f et e Sc ien c c a n d Tec hn o /v y d o i* 10. 11731/j. is s n . 1673-193x . 2020. 08. 018 突出冲击波对防突风门的破坏失效研究 徐畀泽“2 ，李希建V 1 贵州大学矿业学院，贵州贵阳550025 ； 2贵州大学瓦斯灾害防治与煤层气开发研究所，贵州 贵阳550025 ； 3贵州大学 复杂地质矿山开采安全技术工程中心，贵州 贵阳550025 摘 要 为了分析煤与瓦斯突出事故中防突风门的安全性，同时降低成本寻求对现有防突风门材料和结构的替代方案，研究不同 厚度的Q460钢制防突风门在突出冲击波载荷下的破坏情况0基于能量法得到不同厚度的风门最大挠度数学模型，再根据煤炭 行业规定中的对应数据和安全要求，运用LS - DYNA软件对冲击载荷下的风门破坏进行数值模拟，得到Q460钢制防突风门的静 力学特征并与能量法结果进行比对“结果表明长宽分别为1-75 m和1.8叫厚度为25 mm和30 mm的风门在0.6 MPa的冲击 波超压作用下能满足安全要求，能量法计算结果与数值模拟误差在9以内,基于安全设计余量可以接受;提出挠厚比概念,当 挠厚比小于0.84时，风门不会被破坏，在使用Q460钢设计防突风门时，应尽量确保该值小于0.840 关键词 煤与瓦斯突出；冲击波；防突风门；最大挠度；数值模拟 中图分类号 X936 文献标志码 A 文章编号 1673 - 193X 2020 -08 -0113 -06 Researc h o n damage failurr o f o utburss prrv entio n air do o r under o utturss sho c k wav e XU Bize123 , LI Xijia n123 1. Co l l eee o f Min in g, Gu izho u Un iv er sit a, Gu iyyn g Gu izho u 550025 , Chin a ； 2. Ga e Disa st er Pr ev en t io n a n d Co n t r o O a n d Co a t Bed Met ha n e Dev el o p men t In st it u t e, Gu izho u Un iv er sit a, Gu iya n g Gu izho u 550025 , Chin a ； 3. Min in g Sa f et a Tec hn o l o a y En g in eer in g Cen t ee o f Co mp l ee Geel o a y Min e, Gu izho u Un iv er sit a, Gu iya n g Gu izho u 550025 , Chin a Abst r a c t In o r d er t e a n a l yee t he sa f et y o f o u t bu r st p r ev en t io n a ie d o o r in t he c o a l a n d g a s o u t bu r st a c c id en t, a n d r ed u d t he c o st a n d seek t he a l t er n a t iv e sel u t io n s t e t he ex ist in g ma t er ia a s a n d st r u c t u r es o f o u t bu r st p r ev en t io n a ir d o o r a t t he sa me t ime, t he d a ma g e o f o u t bu r st p r ev en t io n a ir d o o r ma d e o f Q460 st ed w it h d Sf er en t t hic k n esses u n d er t he l o a d o f o u t bu r st sho c k w a v e w a s st u d ied . Ba sed o n t he en er o y met ho d, a ma t hema t ic yt mo d el f o r t he ma x imu m d ef l ec t io n o f o u t bu r st p r ev en t io n a ir d o o r w it h d if f er en t t hic k n esses w a s o bt a in ed, a n d c c mbin ed w it h t he c yr r esp o n d in g d a t a a n d sa f et y r eq u ir emen t s st ip u l a t ed by t he c ya t in d u st o, t he LS - DYNA so f t w a r e w a s u sed t e n u mer ic ylty simu l a t e t he f a il u r e o f o u t bu r st p r ev en t io n a ir d o o r u n d er t he imp a c t l o a d , t hen t he st a t ic c ha r a c t er ist ic s o f o u t bu r st p r ev en t io n a ir d o o r ma d e o f Q460 st e d w er e o bt a in ed a n d c c mp a r ed w o t h t h7 e7su et s o et h77n 7eg y m7t ho d . Th7 e7su et s sho w 7d t ha t t h7o u t bu est p e7e7n t o o n a o ed o o ew o t h t h7en g t h o e1 .75 m, t h7 w id t h o f 1.8 m a n d t he t hic k n ess o f 25 mm a n d 30 mm r esp ec t iv et y cou/ sa t isf y t he sa f et y r eq u ir emen t s u n d er t he a c t io n o f 0.6 MPa sho c k w a e eo ee 6p 6esu 6e, a n d t he e 6o 66a n g e bet w een t he6esu et so een e6g ymet ho d a n d t hen u me6o c a eso mu ea t o o n w a s w it hin 9 , w hic h w a s a c c c p t a b/ ba sed o n t he sa f et y d esisn ma r g in . The c o n c o p t o f d ef l ec t io n -t hic k n ess r a t io w a s p r o p o sed . When t he d ef l ec t io n -t hic k n ess r a t io w a s l ess t ha n 0. 84 , t he o u t bu r st p r ev en t io n a ir d o o r w o u l d n o t be d a ma g ed . When t he Q460 st e ee w a su sed t o d eso g n t he o u t bu 6st p 6e een t o o n a o d o o 6, t ho se a eu esho u ed bee ess t ha n 0.84 a sea 6a sp o sso bee. Key w o r d s c o a l a n d g a s o u t bu r st 胡维 嘉16 利用计算流体力学软件对冲击气流在巷道内运移 规律及对掘进机和防突风门的冲击动力效应进行了数 值模拟,总结了冲击两相流对防突风门的冲击力计算公 式。但总的来说，国内外学者对突出冲击波对风门的破 坏失效机制研究较少,理论与实验成果不多。本文基于 能量法给出风门最大挠度的计算模型,结合LS- DYNA 进行数值模拟,研究风门最大挠度和风门破坏与否之间 的相互关系。 煤与瓦斯突出动力的形成及传播规律分析 当发生煤与瓦斯突出事故时,高度或超高度的未完 全膨胀的煤一瓦斯两相流一出孔洞就会进入急速膨胀 的状态。不断膨胀的突出流体则会压缩巷道里原有的 空气,紧靠着煤与瓦斯突出分界面的气体首先受压,然 后这层受压的气体又压缩下一层相邻的气体,使下一层 气体压力升高,层层压缩最终在煤-瓦斯两相流的前 端，产生突跃的强压缩波即冲击波。由于冲击波的厚度 极小，可以忽略煤一瓦斯两相流与巷道等物体的热交换 和摩擦,把冲击波视为没有厚度的流动参数的突跃面, 以理想气体膨胀来研究煤与瓦斯突出后的冲击波 问题17-18 二 对于一维冲击波,其冲击波传播示意如图1所示。 突出前,井下巷道空气流速相对突出气流的初压为0 ,定 义为冲击波的传播速度,m/s。波前相对于波阵面而 言，质点朝向波阵面流动的区域,速度、压力和密度以参 数0，0，“表征；波后即相对于波阵面而言,质点穿过 波阵面到达的那一边的区域,并以1 , , “1表征。以波 阵面为控制体,根据质量守恒、动量守恒和能量守恒等 定律，可以得到关系式1 〜3 P1 D- u J “ 一 1 P1 P1 D-u 1 2 P 0 P D-U02 2 1 -1-D-u 12 1 匕 1 3 0 丁 D -u0 2 0 匕 式中为冲击波波面的传播速度,m/s ;p0 ,p1分别 为波前和波后气体的密度,Ug /m3 ; u0 , u 1分别为波前和 波后气流的流速,m/s；0 ,分别为波前和波后的气体 压强,Pa； 0 , 1分别为波前和波后的气体内能,J；，0，，1 分别为波前和波后的控制体气体体积,m3。 状态方程可写作式4 式中为气体内能,0；为气体压强,Pa；，为控制 体气体体积,m3 ；为气体压缩系数。 图1冲击波传播示意 Fig . 1 Sc hema t ic d ia g r a m o f sho c k w a v e p r o p a g a t io n 由p 1 /，,整理式1可得D 0, 1 0 ,进而 10 可推出式5 1 -u 0匕、 联立式5 、式2得式6 u 1 - u 0 槡-，0 -，1 6 将式6、式5和式4代入式3得式7 匕-0，0 1 1 V 1 0，0 -，1 7 1 2基于能量法的冲击动力下防突风门的最大 挠度 由于冲击波波速远大于巷道内未受到扰动的空气 的流速,所以在考虑整个冲击波在巷道内的传播时可以 忽略不计。建立突出冲击波平面坐标系,以突出点为坐 标原点，冲击波阵面运动方向为.轴正方向,考虑强冲 击,结合式5和式7可得式8 第8期中国安全生产科学技术・・115・ 8 1“ 式中/为当地声速，m/s。 当发生煤与瓦斯突出后,原先巷道中的空气被冲击 波裹挟到了波阵面的附近,之前“距离内的空气都被压 缩在了厚度为△△“的薄层内,如图1所示17 -则薄层内 的气体质量为式9 M 1p1 Ax 1p0“L 9 式中M为薄层内的气体质量,k g； 1为巷道截面 积,m2 ； “ “x为薄层厚度,m； “l为被压缩气体在未压缩状 态下的长度,m。 冲击波阵面包裹的气体动能为式10 2a TM 1 T1XP0 [ 1 ] 10 式中2为冲击波包裹气体的动能,Jo 建立如图2所示的平板受力坐标系,板厚为4,长宽 尺寸为25和26,板上均匀施加了突出冲击载荷。假设 材料为理想钢塑性材料,在装置整体受到约束的情况 下,平板出现变形。矩形板沿“,方向的挠曲线函数可 分别表示为式11 7 7[1 -T] 式中2 5 ,2 6分别为平板的长度和宽度,mm； 7为平 板在8方向上的最大挠度,mm；7“ ,7分别为“和方向 的位移,mm 图2平板受力坐标 Fig . 2 Fo r c c c o o r d in a t e c ha r t o f p l a t e 对应的应变方程为式12 丄d 72 “ 2 d“ 2 7 20 2 X 6 丄也2 2 d 2 7 2 4 a 12 式中 ,分别为x和方向的应变；d7为对平板 挠度的微分。 为材料屈服极限,由此可得平板的塑性形变能为 式13 Ed sd9 2 272 晕2ahdx 0 6 9 13 Ca 2 2 a2 6 8 h 2 2 270 丁2bhd 厂厂 -70 0 a 3 a 式中为材料屈服极限,Pa； 9为平板变形区域的 体积,m3 ； h为平板厚度,mm。 不考虑其他能量损耗,假设冲击波动能全部转换成 平板的塑性形变能,即Eg Ed，可以得到关于平板中心 最大挠度70的函数为式14 3冲击波作用下的风门破坏的计算和模拟 3.1不同风门参数的设置 煤与瓦斯突出矿井反向风门设置技术条件19 中,要求反向风门设置地点与工作面的最近距离不得小 于70 m,门体采用坚实的木质结构且厚度不得小于50 mm,风门长宽分别为1.75,1.8 m。由于木材的材料属 性各向异性,无法准确地在理论分析中求得突出发生 时，木质风门的变形以及内部应力分布情况。同时木材 品质细微的不同,都可能导致实际情况中无法达到安全 要求，而且高品质的木材价格也并不比高品级钢低。因 此考虑安全和成本两方面,研究能否使用全钢制的钢板 来替代木质的防突风门,既能满足安全要求、降低成本, 又能准确通过理论分析得到准确的安全参数,确保同样 规格的风门有相同的力学性能。Q460钢作为一种性能 优秀的低合金结构钢,在满足相同力学性能的同时,对 比普通碳素钢可以节约大约25的材料。选取10,20 , 25 ,30 mm的Q460钢,基于理论分析、数值模拟分析讨 论相同工况下的风门变形破坏,给出最合适的钢制风门 设置厚度。 3.2 基于能量法和数值模拟的不同厚度风门破坏 情况 根据煤与瓦斯突出矿井反向风门设置技术条 件19 ,冲击波速度取500 m/s,空气声速为340 m/s,作 为理论计算依据。风门尺寸长宽分别取1.75,1.8 m； ・・116・中国安全生产科学技术第16卷 20 l空气密度为1.2k g /m3 ,风门距突出点距离取70 m, Q460钢的屈服极限为460 MPa。代入式（14）,得到4种 不同厚度的风门最大挠度,结果列入表1。数值模拟的 尺寸参数和能量法相同,网格单元全部按照2 mm进行 划分,简化处理将风门看做四边固支的平板。同时基于 煤与瓦斯突出矿井反向风门设置技术条件（19］中的算 例,取冲击波波速为500 m/s,垂直入射,安全系数取 1.2 ,则得到风门等效静载荷大小为0.6 MPa。冲击波是 典型的非周期性载荷，作用时间短,可以将冲击波载荷 转化成三角波来简化分析，因此可以施加1个0.6 MPa, 历时300 ms的三角冲击载荷,均匀作用在风门上。结 合LS - DYNA进行数值模拟,得到不同厚度风门中心点 的位移时间历程曲线,如图3所示；对应的应力云图和 位移云图,如图4〜5所示，将对应的各中心点最大位移 也列入表1，与能量法进行对比。 表1 2种方法计算的不同尺寸风门的最大挠度及误差 Ta bl e 1 The ma x imu m d ef l ec t io n a n d c a l c u l a t io n er r o r s o f a ir d o o r w it h d if f er r n t sizes o f t w o met t o d s 计算方法 最大挠度/mm 10 mm 钢板 20 mm 钢板 25 mm 钢板 30 mm 钢板 能量法 42.426.222.117.7 数值模拟 40.224.021 .016.2 误差/ 5859 3.3结果分析 从图4和图5中可以看到,10 mm和20 mm的风门 10 mm 20 mm 25 mm 30 mm 图3不同厚度防突风门中心点的位移时间历程 Fig . 3 Disp l a c emen t t ime hist o r y c u r v es a t c c n t er o f o u t t u r ss p r r v en t io n a ir d o o r w it h d if f er r n t t hic k n esses 的最大应力分别为476.6 MPa和465.8 MPa,均超过了 Q460钢的屈服极限460 MPa,钢板进入了塑性变形状 态,风门被破坏;而25 ,30 mm风门的最大应力则分别为 444.1,328.6 MPa,小于Q460钢的屈服极限,满足强度 要求。根据图3显示,10,20 mm风门中心点对应的最 大挠度也达到了 40.2,24 mm,由于进入了塑性变形状 态,风门变形后无法复原;而25 ,30 mm的风门中心点对 应的最大挠度为21,16. 2 mm,变形后也可以复原。 对表1进行分析,能量法和数值模拟的误差在5〜 9之间,这是因为冲击波动能除了转换成风门的形变 能,还有部分能量转换成了风门的内能等。而能量法 中,为了简化分析导致形变能较实际更大,挠度也就更 大。但是基于安全的理念,相当于给了风门更大的安全 设计余量,是可以接受的。引入挠厚比的概念,即挠 应力/MPa 4.766x12 4.289X102 I 3.813x12 3.336x l 02 2.859x l 02 B 2.383x l 02 B 1.906x l 02 I 1.430 x l 02 I 9.531X101 4.766X101 应力/MPa 4.441 xl O2 3.997x102 H 3.553x12 ■ 3.109x12 ■ 2.665x l 02 I 2.221X102 I 1.776x l 02 B 1.332X102 H 8.882X101 4.441X101 应力/MPa 4.658X102 4.193x l 02 3.727x12 3.261X102 2.795x l 02 2.329X102 1.863x l 02 1.398x12 9.317X101 4.358x101 0 应力/MPa 3.286x12 2.957x102 . 2.629x12 ■ 2.300 x12 1.971X102 A 1.643X“. 1.314x l 02 H 9.857x101 . 6.571X101 3.286X101 图4不同厚度防突风门的应力云图 Fig . 4 St r ess n ep ho g r a m o f o u t iu r st p r r v en t io n a ir d o o r w it h d if f er r n t t hic k n esses 第8期中国安全生产科学技术・・117・ 位移/c m 4.024x 10 3.621x10 3.219x10 2.816x 10 2.414x 10 2.012x 10 1.609x10 1.207x10 ;25 mm和 30 mm的风门最大应力均小于460 MPa, ,引入挠厚比概 念, ,小于0.84的风门可以满足安全要求。。在1.75 mm 1.8 m尺寸下的风门设计应尽量确保挠厚比小于0.84。 。 3 ） ）研究重点在突出冲击波对风门的结构破坏上， ，而 突出后巷道内除了冲击波还有粉煤流以及煤矸石冲击 等， ，在未来需要同时考虑这些因素的共同破坏作用, ,进 步深入研究。 。 参考文献 1 ZHOU A T,FAN L P,WANG K,e t a l . 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