煤矿风井防爆门是用于井下发生灾变时，快速打开完成泄压，保护主通风机、保证井下正常通风的安全设施。目前，国内外学者针对防爆门系统的改进和优化开展了大量研究[1,2,3]。魏春荣等[4]设计了可在瓦斯爆炸发生时有效增强抗冲击变形和复位能力的新型立风井防爆盖，并针对防爆门自身材料过重及冬季寒冷条件使用问题提出相应解决方案。睢小肉[5]分析防爆门起落方式，引入变质量罐概念，有效解决了主通风机升起及复位时间过长带来的安全隐患，提高了矿井通风能力和救灾能力。MENG, LI等[6,7]分别采用不同方式设计出了重量相较更轻、且不会降低防爆和抗冲击性能的新型防爆门。刘佳佳等[8]结合实际煤矿条件，通过Fluent软件构建三维数学物理模型，对风机和防爆门处不同瓦斯积聚量和不同爆炸距离进行研究。KIM, YUN等[9,10]从瓦斯爆炸冲击对不同类型的防爆门或不同大小的爆炸冲击对防爆门的影响等角度研究了防爆门的抗冲击性能。LI, YE等[11,12]通过ANSYS/ LS-DYNA软件分别研究了新型材料防爆门在热压冲击波作用下的抗震性能和不同厚度防爆门单元体的位移规律，为防爆门的材料选择和结构改进提供指导。王梦东等[13]在主防爆门基础上设计了完全独立的备用防爆门系统，可在井下发生二次爆炸甚至多次爆炸情况下自动打开、复位，保证了矿井灾变时期的正常通风。郭旭[14]通过Fluent模拟软件对备用防爆门的抗冲击和变形进行了模拟试验，验证其可在井下发生瓦斯爆炸且主防爆门遭受破坏的情况下自动打开、复位，从而保证矿井发生瓦斯爆炸后的通风安全。张凌云等[15]研究和设计了与主防爆门独立设置的立风井应急救援防爆门，在主防爆门被强大的爆炸气流冲离井口时，应急救援防爆门可快速封堵回风井口，恢复井下通风系统，最大限度降低煤矿爆炸带来的人员伤亡和经济损失。

井下发生瓦斯或煤尘爆炸事故时，防爆门因受爆炸超压冲击而瞬间开启，起到泄放压力、保护主通风机、保障井下正常通风的作用。但目前矿区使用的防爆门大多相对陈旧，当井下发生瓦斯或煤尘爆炸后，防爆门由于受气流冲击而被冲离井口或严重变形，使防爆门开启后无法关闭，致使井下气流与地面空气发生风流短路，造成瓦斯爆炸，大量的高温、有毒有害气体不能及时从井下排出，从而引起大量井下人员因窒息而死亡。另外，由于井下救援工作的需要，往往需要对矿井进行反风，而此时由于防爆门不能及时关闭，同样造成风流短路，致使不能在规定时间内改变风流方向，从而影响井下救援工作，增大井下伤亡。同时，直接对老旧防爆门进行结构优化或调整存在成本高、耗时长、影响生产等问题。基于上述防爆门存在的问题，从本质安全角度考虑，本文设计了一种可远程自动/手动开启，当井下发生灾变时能快速复位，通风机反风前能紧锁的独立于主防爆门系统外的备用防爆门系统，并以计算流体力学(CFD)为主要研究工具，对备用防爆门系统进行快速泄压性能验证和强度校核。

1、防爆门结构设计

设计了3种备用防爆门系统可行方案。方案一：在现有防爆门基础上改进结构；方案二：不改变现有防爆门的结构，另增加一套独立的备用防爆门；方案三：在增加备用防爆门的基础上增加活动门。综合考虑防爆门现场的使用情况和灾变时瓦斯或煤尘爆炸的规律，通常情况下，当发生瓦斯或煤尘爆炸时，第一次的威力是最大的，现有防爆门可能遭受巨大损坏，此后发生二次或多次爆炸时，气流对防爆门的冲击力会逐渐减小，因此，发生第一次爆炸时摧毁的是现有防爆门，之后备用防爆门即可产生作用。当发生二次或多次爆炸时，备用防爆门上的活动门能实现自动打开与复位，保证矿井在灾变时期的正常通风，因此，通过对比分析，充分考虑矿井灾变时期的各个因素，以及充分利用现有防爆门、降低成本、提高灵活性等因素，最终选择第三种设计方案。

根据设计方案三，设计的备用防爆门系统主要功能有3种：密封紧锁；快速复位；二次泄压。其中密封紧锁功能由预先浇筑于混凝土基础中的预埋槽钢件通过橡胶条密封，减少漏风；快速复位功能由电动推杆配合防爆门自身重力势能实现，结构简单、稳定；二次泄压则由防爆门上的泄压窗体进行泄压并依靠重力复位，实现多次泄压目的。图1为备用防爆门系统示意图，由于备用防爆门系统由很多组装件装配而成，整体结构体积大，吨位重，既有混凝土施工工程，又有钢结构制作工程，必须将各工程分成若干子系统，特别是钢结构制作，必须按照各子系统进行功能分配成模块单元，以便设计、制造、运输和现场安装。因此，整个备用防爆门系统可分为8部分，分别为电控部分、混凝土基础部分、铰接横梁、门扇、密封锁紧、框架、泄压窗体、远程监控。备用防爆门系统总长11 985 mm, 占地面积约为125 m2,总重约为12 t(含配重体总重，支架总重，窗体总重),配重架高度为(地面上支架高度)7662 mm, 前端支架高度为6000 mm。泄压窗体的总质量为566.2 kg。其原理为：通过电动推杆动作，门框依靠铰链转动，在重力作用下，快速下落与墙体槽钢密封，并由另外的电动推杆锁紧。在冲击波作用下，防爆门窗体绕铰链转动开启，爆炸冲击波及有毒气体排向大气，冲击波强度减弱，防爆门泄压窗体在重力作用下复位，自动关闭防爆门。

图1 备用防爆门系统   

窗体在瓦斯或煤尘爆炸冲击下的运动过程可以简化为如图2所示，窗体的高和宽分别为a、b,设窗体上所受压力均匀分布，单位面积上的压力为p。

图2 备用防爆门窗体运动过程   

在窗体上取长度为dr、宽度为b的矩形，其距窗体顶端的距离为r,则矩形面积ds及其所受到的压力df如下式：

ds=bdr (1)

df=pds=pbdr (2)

取窗体运动方向为正方向，则矩形所受力矩为：

dM=rdf=pbrdr (3)

分别对力矩M和距离r求积分，得到窗体受到的总力矩M总为：

M总

根据转动定理及窗体绕轴的转动惯量如下式：

式中，θ为开启角度；t为达到开启角度所需的时间。

泄压窗体材料参数见表1,m为泄压窗体的总质量，为566.2 kg, 可得到窗体的角加速度α与其所受总力矩M总之间的关系式：

表1 泄压窗体材料参数

窗体在受到高压冲击前处于闭合状态，其初始角速度ω为零，则窗体在高压冲击下达到不同开合角度所需的时间可由下式求得：

由于重力矩的影响远小于压力矩的作用，因此可忽略不计，则其向心力F为：

式中，A1为窗体转轴处纵截面矩形面积，m2。

门框转轴处的剪应力τ为：

式中，A2为窗体转轴处横截面圆的面积，m2。

窗体开启到不同角度的时间可经由式(7)至式(11)计算得到，计算结果见表2。

表2 窗体开启时间

2、数值模型

为分析备用防爆门系统在爆炸冲击作用下的抗冲击能力，以防爆门结构设计为基础，使用Fluent软件进行数值模拟。备用防爆门物理模型根据实际设计尺寸建立，分为地上部分(备用防爆门)和地下部分(回风斜井)。如图3所示，备用防爆门长7.5 m, 宽5.7 m。回风斜井长78.3 m, 宽4.8 m, 断面积为15.4 m2。

图3 物理模型   

网格划分直接影响后续数值计算分析结果的精确性。考虑到窗体在高压气流作用下会产生变形和运动，而窗体的变形和运动又反过来影响高压气流的运动，从而改变气流的压力和流速，属于典型的双向流固耦合问题，因此需要针对流体部分和固体部分分别进行网格划分。以备用防爆门和回风斜井区域为流体域进行网格划分，并对旋转销轴处进行网格加密，划分结果如图4所示。以窗体为固体域进行网格划分，划分结果如图5所示。网格划分完成后进行设置，使流体域和固体域耦合，从而使得数值分析的结果更符合实际。

Fluent软件提供两种求解器：压力基和密度基。压力基求解器适合于大多数单向流，而密度基求解器适用于密度、动量、能量、组分间强烈耦合的情况。同时，隐式方法一般优于显式方法，因为显式对时间步有严格限制。基于此，本文选用基于密度的耦合隐式求解器。

图4 流体域网格划分   

图5 固体域网格划分   

Fluent提供的湍流模型RNG k-ε模型是由重整化群理论的统计方法推导出来的，形式上类似于标准k-ε模型，但有所改进：RNG k-ε模型在ε方程中增加了一个附加项，提高了高速流动的准确性；RNG k-ε模型考虑了涡流对湍流的影响，提高了漩涡流动的精度；标准k-ε模型是高雷诺数模型，而RNG k-ε模型通过对近壁区域的适当处理，可借助RNG微分公式理论从分析中获得有效的黏度，进而考虑低雷诺数的影响。基于此，本文在进行数值模拟时选用RNG k-ε模型。

在边界条件设置上可以将整个模型分为高压区和低压区两部分，如图6所示，高压区设置1.5 MPa的高压气流，低压区设置为大气压力。对窗体所在流体区域做动网格处理，对固体部分的设置主要为窗体质量、重力以及旋转，设定流固耦合计算的时间步长为0.01 ms, 最大迭代步数为30步，最大模拟时长为100 ms。

图6 边界条件设置  

3、结果与讨论

3.1 快速泄压

爆炸冲击波到达备用防爆门的初始压力较小，由于气流受阻，在备用防爆门内侧积聚，使得压力升高。图7为爆炸冲击波作用下不同时刻备用防爆门和回风斜井区的压力场。可以看出，0时刻备用防爆门的状态与初始边界条件保持一致，即高压区位置压力值为1.5 MPa, 低压区位置压力值为大气压力；5 ms时刻，高压区压力值有所减小，低压区备用防爆门内侧压力值增加到0.4 MPa左右，外侧压力值仍保持大气压力，备用防爆门窗体在积聚压力作用下开启，进行快速泄压。随着快速泄压过程的进行，备用防爆门内外侧压力发生变化。通过调整体积渲染图的图例上限可以看出，11 ms时刻，出现内侧压力值小于外侧压力值的情况；12 ms时刻，备用防爆门外侧压力值为常压，表明快速泄压完成；30 ms时刻，备用防爆门内外侧和回风斜井区的压力值恢复到大气压力。数值模拟结果表明，快速泄压完成时间为12 ms, 此时泄压窗体的开启角度为15°,如图8所示，与前文计算得到的泄压窗体开启到15°的时间基本一致，表明设计符合要求。

图7 不同时刻备用防爆门和回风斜井区压力场  

图8 窗体泄压时间与角度   

图9显示了不同时刻备用防爆门窗体下方的压力变化。由图9可以看出，0时刻和5 ms时刻所表现的压力状态一致，11 ms时刻，备用防爆门窗体内外压力分布不均匀，形成一个围绕窗体为半椭圆的区域，该区域压力值大于其他区域。另外，距离窗体位置越远，压力值越大。

图9 不同时刻备用防爆门窗体下方压力分布  

为研究备用防爆门快速泄压过程中具体的压力分布情况，在备用防爆门内外各取一个平面，绘制两平面上不同位置各时刻的压力分布曲线，如图10所示。可以看出，0时刻内外侧压力值均基本稳定在大气压力，即101 325 Pa; 5 ms时刻，内侧压力达到0.18 MPa, 外侧压力仍为大气压力；11 ms时刻，内侧压力达到0.315 MPa, 外侧压力值略大于大气压力；12 ms时刻，内侧压力小于外侧压力，约为0.8 MPa, 整体内外侧压力变化规律与前文得出的结果吻合。

图10 不同时刻备用防爆门内、外侧压力分布曲线  

综上可知，备用防爆门窗体的快速泄压过程包含以下阶段：首先高压区压力向窗体处扩散，导致高压区压力值下降，而靠近窗体处压力值上升，高压气流并不会在抵达窗体时即将门扇冲开，而是有一个明显的超压过程，此后积聚的高压气流将窗体冲开一个微小缝隙，泄压过程开始，高压气流经窗体缝隙向外扩散，同时继续冲击窗体使窗体开启，快速泄压过程完成后，窗体在惯性作用下继续开启，开启角度达到最大后在重力作用下复位。

通过Fluent软件可以得到备用防爆门快速泄压过程的速度流线图，如图11所示。由图11可以看出，在整个快速泄压过程中，靠近窗体边缘位置的速度相对较大，靠近窗体中间位置的速度相对较小，速度最大值为564.971 m/s, 如图11中标记所示，速度最大值出现在窗体的两个销轴处，而非窗体边缘，其压力云图如图12所示。两销轴处的压力值比窗体左右边缘和底边边缘的压力值小，这是因为窗体开启时会在左右边缘和底边边缘处出现泄压缝隙，而在两销轴处不会出现泄压缝隙，只会存在随窗体开启而产生的极微小的结构缝隙，因而两销轴处虽然速度大，但是泄压面积极小，而左右边缘和底边边缘处虽然速度小，但是泄压面积大，因此会出现销轴处的压力值小于左右边缘和底边边缘处的压力值，即速度快的位置泄压反而不是最快的。

图11 速度流线图   

图12 压力云图  

通过Fluent数值模拟，验证了本文设计的新型备用防爆门系统在使用过程中可以实现快速泄压，当井下发生瓦斯或煤尘爆炸时，主防爆门损毁后，备用防爆门系统具备保护通风机和保障井下正常通风的能力。

3.2 强度校核

为了校核泄压过程中泄压窗体的强度，利用式(9)至式(11)计算窗体转轴处的拉应力，并参考表1,窗体及窗体转轴处所使用的主要材料为Q235A碳素钢，其屈服强度为235 MPa, 抗拉强度为370～500 MPa, 计算得到的窗体转轴处的最大剪应力为171 MPa, 最大拉应力为269 MPa, 均在允许范围之内，说明窗体在泄压过程中可以承受二次爆炸的压力冲击而不被破坏。

4、结论

(1) 在主防爆门的基础上新增一个与之相互独立的备用防爆门。当主防爆门在一次爆炸中损坏后，备用防爆门迅速启用闭合泄压通路。在备用防爆门上设计了泄压窗体，可对二次爆炸进行快速泄压，保护通风机，保障井下正常通风，减少人员伤亡和财产损失。

(2) 使用Fluent软件对备用防爆门的快速泄压过程进行双向流固耦合数值模拟研究，获得了不同时刻备用防爆门泄压压力场的变化规律，验证了备用防爆门的快速泄压性能。

(3) 通过剪应力和拉应力计算，验证了在最大超压为0.8 MPa的冲击载荷作用下窗体可以正常工作而不被破坏，从而验证了备用防爆门系统的安全可靠性。

参考文献:

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[2]宋维宾,孙玉宁.煤矿立风井防爆门发展现状分析[J].中国安全生产科学技术,2015,11(6):108-114.

[3]印卿.立风井防爆门现状与发展[J].矿山机械,2014,42(5):9-12.

[4]魏春荣,张倍瑞,姜天文,等.矿井防爆门抗冲击及复位问题探讨[J].煤矿机械,2016,37(12):69-71.

[5]雎小肉.煤矿立风井防爆门自动复位技术的研究与实践[J].煤矿现代化,2017(5):110-111+114.

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[13]王梦东.煤矿立风井备用防爆门及复位技术研究与应用[J].煤炭科学技术,2014,40(10):84-86.

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[15]张凌云,牛海萍,赵永芳.立井应急救援防爆门的研究设计[J].内蒙古煤炭经济,2018(6):13-14+29.

基金资助:国家重点研发计划项目(2018YFC0808103);

文章来源:王文乾,王亮,刘松林等.新型备用防爆门动态泄压过程数值模拟研究[J].矿业研究与开发,2024,44(01):168-175.