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煤矿井下救生舱及硐室防护结构动力学研究

方海峰  
【摘要】:为了增加煤矿灾后井下遇险人员的生存机会,提高矿难救援工作的效率,有效降低我国煤矿百万吨死亡率,论文对煤矿井下紧急避险设施(救生舱及避难硐室)的优化布局进行研究,并对其防护结构在煤矿瓦斯煤尘爆炸冲击作用下的动力响应及动力屈曲问题进行理论分析,得到了对提高加筋板壳结构的抗爆炸冲击能力具有借鉴意义的结论。 首先,分析煤矿瓦斯煤尘爆炸传播过程的物理机制,利用FLUENT软件对矿井发生瓦斯煤尘爆炸时紧急避险设施防护结构所受的载荷进行了仿真计算,研究了紧急避险设施与巷道夹角及紧急避险设施距爆炸点距离等因素对其受载情况的影响,进一步得到了瓦斯煤尘爆炸中防护结构压力载荷的修正简化方程。结果表明:煤矿井下瓦斯煤尘爆炸冲击波超压与传播距离的平方根成反比,与瓦斯及煤尘聚集量的平方根成正比,所以在具有瓦斯煤尘爆炸危险性的煤矿中,离瓦斯易爆点较近的紧急避险设施应具有较高的抗爆炸冲击的能力,以防止爆炸冲击波的破坏;紧急避险设施的布置方向对防护结构的压力载荷具有较大影响,在地质条件及巷道布置方案允许的情况下,紧急避险设施均宜优先采用与巷道成45°夹角的布置方式,可移动式救生舱应尽可能避免布置在巷道侧面。 然后,由于井下避难硐室的防护密闭门大多采用加筋矩形板形式,所以针对瓦斯煤尘爆炸载荷作用下加筋矩形板,建立离散加筋矩形板模型,对其动力响应问题进行了理论研究,并对具有初始缺陷的加筋矩形板在爆炸冲击载荷作用下的非线性动力屈曲问题进行了探讨,通过计算详细分析了加筋矩形板动力响应及动力屈曲的影响参数,发现增加壳体厚度,增大材料体积比l等有利于提高加筋矩形板的抗爆性能,但是当材料体积比l0.1时,提升效果变得不再明显;而在其他参数不变的情况下,初始缺陷越大,加筋矩形板的临界屈曲载荷越低。利用ANSYS软件建立加筋矩形板的优化模型,对面板厚度和加强筋尺寸进行优化,发现纵向和横向加强筋的密度相当且加强筋的高宽比为2.5:1时的布筋方式较为合理,较等体积光板的屈曲临界载荷最大提高了约50%。 其次,针对瓦斯煤尘爆炸载荷作用下的加筋圆柱壳,首先基于正交各向异性壳理论在弹线性范围内对其在轴压下的屈曲问题进行了理论研究,采用Donnell扁壳方程导出轴向压力作用下加筋圆柱壳屈曲的基本方程,得到了屈曲临界载荷的解析解。然后基于离散加筋板壳模型,在考虑大挠度的情况下,对具有两端简支约束的加筋圆柱壳在轴向和径向冲击载荷联合作用下的动态响应进行了理论研究,并对具有初始缺陷的加筋圆柱壳在瓦斯爆炸载荷作用下的非线性动力屈曲问题进行了探讨。通过计算详细分析了加筋圆柱壳动力响应及动力屈曲的影响参数,如初始缺陷、加强筋、加载时间及面板厚度等因素对结构动态屈曲的影响。并利用ANSYS软件以在保持径向冲击压力不变情况下的加筋圆柱壳轴压屈曲承载压力为优化目标建立优化模型,为得到较为合理优化的加筋圆柱壳布筋方式提出了有益建议。 论文最后以内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗纳林庙煤矿为例,对煤矿井下紧急避险设施建设方案进行了探讨。根据矿井的实际情况,对避险设施的布局进行了详细规划设计,并以此为依据设计了满足其抗爆要求的避难硐室防护密闭门及可移动式救生舱壳体,最后分别通过软件仿真和模拟巷道爆炸试验对其抗爆性和安全保护性能进行了验证。


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