【摘 要】
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近年来,我国煤炭行业在开采过程中,煤与瓦斯突出事故频繁发生,极度影响了煤炭的安全生产工作。突出事故发生时,反向风门一旦破坏失效,就无法阻挡瓦斯逆流和喷出的煤粉流,给人员安全和设备带来极大威胁。因此,研究、分析反向风门受到煤粉-瓦斯流冲击后的受力状态,找到反向风门的薄弱部位,并结合影响反向风门强度的相关因素,对反向风门进行安全设计和强度优化,从而提高反向风门的抗灾能力。本文结合理论分析、试验研究和数
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近年来,我国煤炭行业在开采过程中,煤与瓦斯突出事故频繁发生,极度影响了煤炭的安全生产工作。突出事故发生时,反向风门一旦破坏失效,就无法阻挡瓦斯逆流和喷出的煤粉流,给人员安全和设备带来极大威胁。因此,研究、分析反向风门受到煤粉-瓦斯流冲击后的受力状态,找到反向风门的薄弱部位,并结合影响反向风门强度的相关因素,对反向风门进行安全设计和强度优化,从而提高反向风门的抗灾能力。本文结合理论分析、试验研究和数值模拟等方式,分析煤与瓦斯两相流形成的冲击波作用在反向风门上的受力情况和形变情况。主要研究成果如下:(1)分析突出煤与瓦斯两相流初始能量来源,建立突出后煤粉-瓦斯两相流体的一维定常模型,阐述了煤与瓦斯两相流冲击波形成和传播过程。在冲击波传播过程中,煤粉的运动状态变化与其所受到的作用力有关。基于冲击波破坏效应的三个准则可知,冲击波对物体的破坏效应主要受作用在物体上超压、冲量的影响。结合冲击波对反向风门的破坏作用参数来计算冲击波对反向风门的破坏作用,说明了突出产生的冲击波对反向风门造成的破损状态不仅与冲击波的作用情况有关,还受反向风门的形状、自身强度、材质等因素影响。(2)基于煤与瓦斯突出试验装置,开展1 MPa和0.74 MPa2种突出压力,钢制和木制结构2种反向风门材质条件下的煤与瓦斯突出试验。试验结果表明:突出发生后,煤粉在巷道中堆积的状态多呈现出分层流、栓流状态。煤体内的瓦斯膨胀能、突出强度随着瓦斯压力的增大而增大,小粒径煤粉多分布在巷道后部,大粒径煤粉多分布在巷道前端。在同一突出压力下,反向风门下方位置受到的作用力最大,风门底部最易遭到损伤破坏;钢制结构的反向风门产生的微应变小于木制结构风门,钢制结构的反向风门抗载荷能力优于木制结构反向风门。(3)采用有限元软件ANSYS Workbench模拟不同突出压力下,反向风门结构在突出煤与瓦斯两相流冲击波作用下的受力状态。模拟结果表明:当反向风门四边固定时,风门产生的应力最大值主要集中在风门四边的中间部分和风门中心区域。风门发生形变最大的区域分布在风门中央位置,越靠近风门中间的位置发生的形变就越大,风门这些易破坏的区域会随着冲击载荷的增大,变形的越厉害。同时,木制结构风门发生的变形程度要大于钢制结构风门。(4)结合宏源煤矿“2·13”较大煤与瓦斯突出事故相关资料,通过理论计算出冲击波传播至反向风门处的超压值及作用在反向风门上的最大应力值,判断出风门被破坏,与案例现场情况相符。基于对反向风门结构进行抗冲击力和强度分析,对反向风门结构进行优化,提高反向风门结构的强度,并提出增强反向风门安全性能的措施。通过试验和模拟分析煤与瓦斯两相流产生的冲击波对反向风门的破坏效果,确定风门结构易破坏特征点,探究影响反向风门结构强度的因素,为反向风门结构的强度设计和位置布置提供技术参考,达到提高反向风门抗灾能力的目的。
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