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自复式防爆门研究报告

70
2020年4月19日
文档仅供参考

自复式防爆门研制
研 究 报 告

山西潞安环保能源开发股份有限公司
无锡飞逸电力设备制造有限公司

目 录
第一章 概述 3
1.1 立项背景 3
1.1.1 防爆的功能 3
1.1.2相关规程规范 4
1.2现有防爆门介绍、存在的主要问题 5
1.2.1现有防爆门概述 5
1.2.2现防爆门设计准则 8
1.2.3存在的主要问题 9
1.3项目实施的步骤 12
第二章 瓦斯爆炸分析 14
2.1瓦斯爆炸的基本概念 14
2.1.1爆燃与爆轰 14
2.1.2火焰峰面 16
2.1.3激波 17
2.2瓦斯爆炸的现象和特点 18
2.2.1瓦斯爆炸现象 18
2.2.2瓦斯爆炸的特点 20
2.3瓦斯爆炸的特征参数 22
2.3.1瓦斯爆炸的爆源特征 22
2.3.2瓦斯爆炸的爆炸特征 23
2.4小结 24
第三章 自复式防爆门结构设计 25
3.1 设计依据、要求及目标 25
3.1.1 设计依据 25
3.1.2设计要求 25
3.1.3设计目标及研究内容 26
3.2方案拟定 26
3.2.1设计理念 26
3.2.2结构原理 26

3.2.3结构组成 28
3.3防爆门基本主体设施的设计 30
3.3.1防爆门的原始数据参数 30
3.3.2防爆盖的受力分析 31
3.3.3配重的计算 32
3.3.4反风自动锁紧装置的设计 37
3.3.5 .防爆门门板在正常工作时的强度计算 40
3.3.6防爆门的密封问题 41
3.3.7防爆门的检修时开启问题 43
3.3.8防爆门的横梁及侧板 43
3.4新型防爆门的技术特点 45
3.5小结 45
第四章 自复式防爆门爆炸有限元模拟 47
4.1 防爆门有限元模拟方案 47
4.2 防爆门有限元模型 49
4.2.1防爆门的三维结构说明 49

4.2.2单元类型的选择及网格的划分 50
4.2.3边界条件的施加 51
4.2.4约束条件 52
4.3 防爆门爆炸模拟结果分析 52
4.3.1 机械运动分析 52
4.3.2 应力应变分析 56
4.4 总结 62
第五章 结论 63
5.1 取得的主要成果 63
5.2 国内外同类技术对比 63
5.3 主要创新点 63
5.4 推广应用前景 64

第一章 概述
1.1 立项背景
1.1.1 防爆的功能
防爆门是安装在装有主要通风机的排风井口上的特殊密封井盖。安装在立井上称为防爆盖，安装在斜井上称为防爆门。在采用负压式通风的矿井中，防爆门自由搁置在风井井口上部的锁口盘上，位置正对井口，覆盖风井全断面，其示意图详见图1.1-1，其安装位置示意图详见图1.1-2。
1.在正常通风时，保持气密性，用来隔离井下气流与地面大气，防止风流短路，保证通风系统正常。
2.当井下一旦发生瓦斯或煤尘爆炸事故时，防爆门被爆炸的气流冲击波打开，从而爆炸气流直接排放到地面大气，降低矿井中气流的压力，起到卸压作用，防止主要通风机因爆炸气流冲击而造成损坏。
3.当井下进风巷道发生火灾或存在有毒气体时，为了防止火焰及有毒气体进入采区危害矿工生命，必须及时进行反风灭火，这就需要及时将防爆门压紧，采用正压方式对井下强制实施反风。
4.当主要通风机停止运行时，能够打开防爆门，以利用自然风压通风，最大限度地为井下提供新鲜空气，保证井下人员的需要。
5.对于少部分煤矿地面采用单风道通风机系统，由于没有备用风道供每三年一次的通风机性能测试使用，矿井需要停产，打开防爆门作为性能测试临时进风口，待测试结束后重新封闭。

图1.1-1 当前煤矿常见防爆门示意图

图1.1-2 防爆门安装位置示意图
1.1.2相关规程规范
防爆门是通风设施的重要组成部分，对于矿井安全非常重要，因此，《煤矿安全规程》中除要求每年至少进行一次反风演习之外，对于包括防爆门在内的反风设施也要求每季度必须检查一次，以确保反风设施的安全可靠。
《煤矿安全规程》第一百二十一条规定：“装有主要通风机的出风井口应安装防爆门，防爆门每6个月检查维修1次。”
相关条文解释：主要通风机的出风井口安装防爆门。防爆门的作用是井下发生瓦斯煤尘爆炸时产生的高压气流（冲击波）冲开防爆门得以卸压，避免其冲向主要通风机，从而保证主要通风机装置不被损坏并保持正常运行；高压气流过后防爆门自动关闭。同时，为井下遇险人员的撤退和抢险救灾提供了有利条件。
《煤矿安全规程》第一百二十四条规定：“主要通风机停止运行期间，对由1台主要通风机担负全矿通风的矿井，必须打开井口防爆门和有关风门，利用自然风压通风。”
1.2现有防爆门介绍、存在的主要问题
1.2.1现有防爆门概述
当前煤矿常见的立井防爆门总图见图1.2-1～2。
该防爆门基础图见图1.2-3～4。

图1.2-1 当前煤矿常见的立井防爆门总图1

图1.2-2 当前煤矿常见的立井防爆门总图2

图1.2-3当前煤矿常见防爆门基础图1

图1.2-4当前煤矿常见防爆门基础图2

本立风井防爆门为防爆盖、反风装置、重锤装置等部件组成。
1.防爆盖采用锥形结构，分四个部分联接而成，每部分由钢板，角钢组焊成型。
2.返风装置为压板式。
3.重锤装置由重锤架、滑轮、配重组成。
4.密封方式采用钢板组焊外圈板固定δ15橡胶板密封。
1.2.2现防爆门设计准则
1.防爆盖重量、形状设计
防爆盖重要要求达到：反风时，在取掉防爆盖配重时，风压不能吹开防爆盖。顶部设计为拱形，防止积存雨水和杂物。
2.防爆盖配重要求及设计
为保证井下冲击波能够首先冲开防爆盖释放能量，必须为防爆盖设置配重。因此,在防爆盖四角均匀设置配重，与防爆盖经过钢丝绳连接，不但保证了冲击波能够冲开防爆盖，而且有效防止冲击波将防爆盖抛出。配重重量由防爆盖自身重量与风机负压产生重量之和。
为保证配重便于悬挂或更换，将配重制成10kg、20kg、50kg及100kg标准重量，即法码形状，经过吊钩互相连接，容易适时调整配重。
3.密封槽要求
密封槽深度必须高于主要通风机最大静压毫米水柱高度。密封槽可用水或防冻液进行封闭并定期清理槽内杂物。
1.2.3存在的主要问题
当前防爆门的结构和现状存在着漏风、开启关闭困难、密封液管理困难，不同程度存在不能满足《煤矿安全规程》和防爆门的设计要求，因此需加以改进。
1.从防爆门使用现状上来说，很长时间以来，各煤矿普遍缺乏对防爆门重要性的认识，对矿井防爆门设计、加工、制造、安装等方面存在误区，从而使通风系统存在重大隐患。主要表现为：
（1）设计单位多数套用九十年代图册设计，对大断面及其它非标井筒套用相近尺寸图纸进行非标设计。
（2）施工单位采用没有任何设计标识，没有任何设计人员签字的无效图纸施工。
（3）加工、制造单位审图不严，存在制造错误；
（4）安装单位搞不懂施工对象的使用功能，擅自修改安装工艺和施工步骤；
（5）质量检验、施工检查验收形同虚设。
以上问题在煤矿建设工程中多有发生，只不过未造成事故而未能引起人们的重视。加之一些煤矿缺乏此方面的教训，对此类问题缺乏较深认识。
2. 就图1.3-1～4所示的防爆门结构上来说，当前存在的主要突出问题是：
（1）防爆门无法复位或者复位困难：这种经过拆卸和安装重锤数量、调整重锤组和防爆门门体重量关系的操作方法，从理论上能够实现。
可是，在现场实际操作中却存在着以下诸多无法逾越的障碍：
①当防爆门升起到设计高度，风井上井口敞开，矿井利用自然风压进行通风，人员在风井口上方或附近的高处作业，存在安全隐患。
②重锤组距地面高度一般在2. 0m以上，人员在高处作业，存在隐患。
③每块重锤块重量一般约50kg，而且必须对称地从两组或四组重锤组件中同时取下，否则必将造成防爆门门体倾斜，存在操作困难和用人多的问题。
（2）锁扣防爆门耗时多、占用人员多
原防爆门反风锁扣装置由位于防爆门外边缘的八个压块和预埋螺栓组成。当风机正常运转时，反风锁紧装置的八个压块应处于不扣压门体的位置且固紧不自由转动。仅在反风时，扣压门体并锁紧。
在矿井反风时，需靠人工将八个压块提起旋转90度，一端压在门体上，另一端压在预埋在井壁的厚板上，再将预埋螺栓拧紧。在人员准备不足或天气恶劣等情况下，锁扣防爆门操作耗时多。据测算：在没有有效人员准备的情况下，锁扣操作时间达3分钟以上，因此延误反风时间，有时在10分钟内不能完成反风操作，不能满足相关规程要求的10分钟内实现反风的要求。
（3）防爆门不能平稳、同步升降
在实际运行中，由于受外界风力、钢丝绳摩擦力、防爆门加工质量等因素影响，防爆门升起和降落不能保证平稳和同步，容易发生卡阻和歪斜。
（4）当前矿区使用的防爆门存在着不同程度的漏风现象，在井口防爆门附近就能听到“咝咝”的漏风声音。个别矿井为防止防爆门漏风，甚至将防爆门用水泥封死，从而使防爆门不能起到作用，危及通风机和通风系统的安全。
（5） 密封液。当前防爆门的密封液多采用水密封，水分容易蒸发一旦密封水的高低压差小于通风负压,水就会突然被吸光,形成严重漏风。不停补水，会造成水浪费，另外通风机司机经常看密封水的情况，影响通风机的巡回检查和设备运行情况的观察。冬季，在北方由于水容易结冰，要选择不能燃烧的冷冻液，潞安地区的十年一遇的最低气温在-18℃，冷冻液的选择和使用比较困难。
（5）个别矿井防爆门在通风机停止运行开启后，风机再启动不能自动关闭，需要人工关闭，速度慢，影响通风系统正常运行。
（6）多风井煤矿的一个风井服务区发生爆炸事故，防爆门开启卸压后无法自动复位，该风井安装的防爆门（盖）受爆炸冲击波致防爆门（盖）打开，虽然该风井风机未停止运转，但因井筒内外的负压因防爆门（盖）的开启消失，由于其它风井的作用该风井变成进风井，该风井服务的区域爆炸产生的有毒有害气体，随着其它风井引起的紊乱风流，向其它风井服务的区域扩散，从而导致其它风井的服务区域受到爆炸事故的危害。

1.3项目实施的步骤
1.防爆门方案设计
防爆门的方案设计，主要依据《煤矿安全规程》、GB 50215- 《煤炭工业设计规范》和煤炭、机械行业其它相关规程规范。首先，专家、设计人员要总结以往防爆门设计，到国、内外新型防爆门应用单位调研，方案设计需要解决的关键问题是：
①新型防爆门设计理念。
②新型防爆门结构原理。
③防爆门设计计算方法。
④防爆门失效形式及分析等。
经过研讨最终确定防爆门设计方案。
2.防爆门试验样品的加工图纸设计
由设计人员利用确定的设计方案绘制防爆门试验样品的加工图纸，达到能够进行电脑分析的程度。
3.电脑模拟试验
由河南理工大学负责防爆门进行设计计算并对试验样品进行有限元分析，电脑爆炸模拟试验，校验样品的可靠性，完善设计，最终形成试验样品加工图纸成品。
4.物模试验
试制按一定比例缩小的模型进行试验。
5.试验样品制造
由无锡飞逸电力设备制造有限公司依据加工图纸制造试验样品。
6.现场试验（待定）
措施①：由煤矿全面负责现场试验的准备及实施工作，包括试验申请核准，挖掘试验巷道，准备试验材料，组织试验人力、物力。
措施②：委托重庆煤科院进行。
7.形成系列设计成品
根据试验结果，形成系列设计，申报创造专利，进行专家鉴定或煤炭安全标志的取证工作（待定）。
7.推广
产品在现场试运行一段时间并确认运行状态良好后，向全国其它煤矿用户推广产品。

第二章 瓦斯爆炸分析
2.1瓦斯爆炸的基本概念
瓦斯爆炸是一个复杂多变的过程，对这一过程的研究涉及到反应流体力学、爆轰理论、非平衡热力学和燃烧学等多个学科，取得的研究成果也是多方面。
2.1.1爆燃与爆轰
处于爆炸限内的瓦斯混合气体被引爆火源点火后会发生强烈的爆炸，这一现象实际上能够分为两类，一类称为爆燃（deflagration），一类称为爆轰（detonation）。
1.爆燃
如图2.1-1所示为一个典型的掘进工作面发生瓦斯爆炸的情况。当巷道中的瓦斯－空气混合气体被点火源在巷道封闭端点燃后，形成的燃烧波向右加速运动。由于燃烧放出大量的热使气体膨胀，从而在燃烧波的前方形成以音速传播的压力波，压力波的追赶和叠加形成激波，即所谓的冲击波。这种由前导冲击波和带有化学反应的燃烧波构成的可燃气体爆炸就是爆燃。爆燃是混合可燃气体自身燃烧传播的过程。

图2.1-1 掘进工作面发生瓦斯爆炸示意图

2.爆轰
如果上述独头掘进工作面积聚的瓦斯量足够多，则爆燃会自动加速，从而使前驱冲击波的超压越来越大，最后导致冲击波的超压对可燃气体造成的高温就能够点燃瓦斯，形成爆轰。爆轰一般伴随着强烈的冲击波和剧烈的燃烧反应，会对矿井巷道系统产生巨大的破坏。
3.爆燃向爆轰转变问题
在瓦斯爆炸过程中，爆燃向爆轰转变（deflagrtion to detonation transition）是一个非常重要的问题。一般情况下，爆炸总是以爆燃开始，当爆燃充分发展或有其它因素影响时，爆燃发展成为爆轰。另外，使用强烈的点燃源也能够直接激发可燃气体的爆轰。爆燃和爆轰是两种有着本质区别的不同的物理现象。
爆燃向爆轰的转变能够由两种机制产生：一是由于前导冲击波的超压很大，使得该薄层内混合可燃气体的温度超过其自燃温度，从而引起燃烧，形成爆轰波；另一种情况是燃烧波充分发展，不断加速，而此时前导冲击波尚未增大到足以点燃可燃气体的程度，燃烧波追赶上前驱冲击波，从而形成爆轰。
2.1.2火焰峰面
当瓦斯-空气混合气体中瓦斯浓度处于燃烧界限范围内时，一遇火源则开始燃烧，使可燃混合气体局部着火，形成一薄层火焰。火源加热邻近混合气体层产生游离基，游离基作为活化中心使附近混合气体层发生化学反应，发生反应的气层又形成新的火源和活化中心源，使邻近层混合气体发生化学反应，如此层层蔓延。
正发生剧烈反应的反应带称为燃烧波。在燃烧波传播的混合气体层内出现了强烈的自身加速反应。反应带放出的热量迅速逆风向预热邻近混合气体层，使化学反应在极薄的带内完成。这种进行完全化学反应的薄层称为火焰峰面，如图2.1-2所示。可燃混合气体火焰峰面的厚度一般不超过1mm，因此，常把火焰峰面当作未燃混合气体与燃烧生成物之间的界面。火焰峰面在混合气体中的蔓延速度是气体燃烧过程最重要的特征，它决定了燃烧过程的强度和燃烧的蔓延速度。

图2.1-2 火焰锋面示意图
2.1.3激波

图2.1-3 激波产生过程示意图
激波是可压缩气体流动中的一个间断面，其特点是在激波两侧气流的状态参数产生突变，并伴随有机械能的损失。利用活塞在直管中加速运动的模型能够很好地说明瓦斯爆炸时激波的产生和叠加过程。如图2.1.3所示，管道中有一个活塞向右作加速运动，管道中气体的原始压力为P1，活塞在很短的时间内增速到V，将其前方气体的压力提高到P2。我们将P2－P1的值分为无数个小扰动的叠加，每个小扰动都以当地声速的压缩波向右传播。由于后面产生的压缩波是在前面生成压缩波的扰动区域内传播，该区域内由于前方压力波的压缩作用，大气的温度较原始状态升高，因此，当地声速也就高于未扰动区域的声速。这样，后产生的压缩波总是不断追赶前面的压缩波，并在重合的位置产生压力叠加，从而使得原本平缓变化的波阵面变得越来越陡，最终形成一道激波。激波使气流的参数在很窄的区域内发生急剧变化，从而造成流场内参数突变的一个间断面。
2.2瓦斯爆炸的现象和特点
2.2.1瓦斯爆炸现象
发生在煤矿井下的瓦斯爆炸属于可燃气体爆燃现象。处于爆炸界限内的瓦斯－空气混合气体首先在点火源处被引燃，形成厚度仅有0.01～0.1mm的火焰锋面。该火焰锋面向未燃的混合气体中传播，瓦斯燃烧产生的热使火焰锋面前方的气体受到压缩，产生一个超前于火焰锋面的压力波，该压力波以当地音速向前传播，行进在火焰锋面前，称为前驱冲击波。压力波作用于未燃气体使其温度升高，从而使火焰的燃烧速度进一步增大，这样就产生压力更高的压力波，从而获得更高的火焰传播速度。层层产生的压力波相互追赶并叠加，形成具有强烈破坏作用的冲击波，这就形成了瓦斯爆炸。
烷烃类气体爆炸燃烧过程的化学动力学的研究表明，瓦斯爆炸过程从时间上能够分成两个阶段：点燃阶段和传播阶段。瓦斯爆炸的破坏效应体现在传播阶段。
1.点火阶段
瓦斯爆炸的点火阶段，是外界火源诱发的支链型链式反应过程。反应速度以指数函数形式递增，燃烧迅速从火源附近扩张到整个巷道断面，形成爆炸波的初始条件。试验和理论均表明，点火阶段在瓦斯爆炸过程中所占时间极其短暂，瓦斯爆炸事故的时间主要体现在传播阶段。
2.传播阶段
瓦斯爆炸的传播阶段从空间上能够分为在含瓦斯气体和一般空气两个区域中传播。
首先，在含瓦斯气体区域，点火阶段形成的高温﹑高压气体迅速向远离火源方向冲击，高温高压气体与前方气体之间在压力﹑温度﹑速度等物理参数上存在突变，表现出明显的波动效应。两种气体的接触面为前驱冲击波的波阵面，紧随前驱冲击波后面的是燃烧波阵面，火焰波阵面实际上是在已受扰动的气体中传播，而燃烧波后面的气体则与火焰区有显著差异。因此，这一阶段的爆炸冲击波结构是前驱冲击波波阵面和燃烧波阵面的双波三区结构见图2.2-1。由于燃烧波不断补充能量，前驱冲击波的压力、波速是处于递增状态。因为前驱冲击波的压缩效应，波后气体与波前气体存在密度差，根据波动理论，在前驱冲击波传播的同时，存在气体的膨胀波以当地声速沿其反方向传播。在前驱冲击波的作用下，巷道中的瓦斯气体也以一定速度移动，即瓦斯燃烧是在移动的瓦斯气体中进行的，这使得燃烧区域长度远大于静止状态的瓦斯区域长度。

图2.2-1 瓦斯爆炸结构示意图
其次，在一般空气区域瓦斯气体燃烧完毕，燃烧波消失，冲击波在传播过程中，由于摩擦和巷道壁面吸热等因素，其压力沿传播方向不断衰减，最终下降至正常大气压力。在这一阶段，气体冲击波的冲量（Is）和波阵面的超压（△P）是决定其破坏程度的关键因素。
2.2.2瓦斯爆炸的特点
瓦斯爆炸产生大量CO2和水蒸气，并放出大量的热。一般空气中氧含量为20.9%。经实验和理论计算，甲烷的化学当量浓度为9.5%时爆炸最为激烈，即完全反应。井下空气中氧含量一般为20%左右，则甲烷化学当量浓度为9.1%左右。
瓦斯爆炸有爆燃和爆轰两种形式。爆燃属于带压力波的燃烧，是一种不稳定状态，其燃烧速度为每秒几十米到百多米，瓦斯爆炸多数情况处于这种状态。经计算甲烷在定容绝热条件下的爆燃温度可达2340K，超压0.86MPa，实测温度为2230K，超压为0.745MPa。如果条件具备，瓦斯能从爆燃转变为爆轰，此时前沿冲击波和紧跟其后的化学反应区以同一高速（即爆轰速度）传播，其超压和温度达到最大。当甲烷浓度为9.5%时，超压1.719MPa，温度2781K，爆轰速度1804m/s。
受井下开采环境和生产管理等条件影响，井下瓦斯爆炸具有以下独有特点：
1.煤矿井下的瓦斯爆炸的成分主要为甲烷（CH4），其次还含有重烃CnHm、H2、CO2、CO、NO2、SO2、H2S等。
2.瓦斯爆炸发生地点的瓦斯－空气混合气体的流动状态比较复杂，大多数事故发生时风流处于紊流区域。根据对煤矿瓦斯爆炸事故的统计，90％以上的事故都发生在采煤工作面和煤巷掘进工作面，这些是瓦斯涌出量最大的地点，也最容易发生瓦斯积聚。采煤工作面的通风处于全负压作用下，相对比较稳定，但由于风量不足、串联通风等造成的瓦斯积聚、回风隅角局部瓦斯积聚仍会形成爆炸性的瓦斯－空气混合气体。此时，混合气体一般处于紊流状态。
3.煤矿井下影响瓦斯爆炸过程的因素很多，主要有煤尘的存在、巷道支护及巷道中障碍物的作用、巷道分叉、巷道转弯等。这些因素对爆炸过程的影响是复杂的，其中有些起到加速燃烧、增强爆炸的作用，而另一些则起到降低燃烧速度、减弱冲击波强度的作用。因此，煤矿井下瓦斯爆炸过程是一个众多因素综合作用的过程，十分复杂。
综上所述，煤矿井下的瓦斯爆炸现象是有限体积的瓦斯－空气混合可燃气体在半封闭的管道系统中的爆燃或爆轰现象，该过程受井下诸多环境因素的影响。
2.3瓦斯爆炸的特征参数
衡量瓦斯爆炸的特征参数主要有爆源特征参数和爆炸特征参数两方面。
2.3.1瓦斯爆炸的爆源特征
1.爆炸源的能量
瓦斯爆炸的能量来源于瓦斯与氧的燃烧反应，每lkg瓦斯完全燃烧放出的热量是55MJ，而普通炸药的爆炸热为5MJ/kg，也就是说同样质量的瓦斯含有爆炸燃烧热是炸药的10倍。瓦斯爆炸要依靠空气中氧气的参与才能完成，因此，爆炸实际释放的能量要受到瓦斯、空气混合是否均匀、空气的湿度、周围环境状况等多种因素的影响，一般不能完全释放出来。对于密闭的容器，能量基本可全部释放；
对于井下巷道系统，释放率一般可达50％～70％。
2.爆炸源能量释放速率
燃烧速度是可燃气体燃烧锋面向未燃区域扩展的速度，能够衡量爆炸能量释放的速率。瓦斯空气混合气体的层流燃烧速度约为0.5m/s，发生在井下的爆炸绝大多数属于爆燃，据已有的实验测定结果，燃烧速度不超过150m/s。
3.爆源的特征尺寸
积聚瓦斯空间的体积在爆炸发生时会急速膨胀，设初始温度为27℃，爆炸后温度升高了 ℃，则理论上能够大致估算如下：

则
即爆炸时体积膨胀了7.7倍。实验巷道的测试数据（以火焰锋面到达的位置为依据）一般小于理论计算的值，且受到巷道横断面积、环境条件等多种因素的影响，一般能够达到3～5倍。爆炸产生的冲击波在巷道中的传播距离要远远大于爆源的尺寸。
2.3.2瓦斯爆炸的爆炸特征
1.爆炸产生冲击波的压力
煤矿井下瓦斯爆炸产生两类压力，即静压和冲击动压。静压在所有方向上的作用力相等，这是由于高温气体膨胀和沿巷道流动产生的，并推动冲击波面的前进。动压是冲击波作用使波面经过的局部区域空气高速流动产生的，具有方向性。静压主要破坏联络巷道的密闭或风门，动压则摧毁巷道中的障碍物并在巷道转弯等处造成强烈的破坏。
爆炸产生的最大静压是实验室中使用封闭球体测定的定容爆炸压力，l0.1％的瓦斯空气混合气体测定得到的定容爆炸压力大约为0.7l～0.8lMPa。1952年舒尔茨-容霍夫（Schultze-Rhonhof）在美国一个废弃矿井进行了两次瓦斯浓度9.5％、积聚区域300m的大型爆炸实验，爆炸测得峰值压力1.0lMPa，火焰传播速度接近l000m/s。其它实验矿井进行的9.5％瓦斯浓度、容积为36m3和58m3的实验，分别获得了0.23MPa和0.36MPa的压力，火焰传播的最大距离约为初始距离的5倍。在重庆煤科分院实验巷道进行的爆炸实验，瓦斯浓度8.6％，体积50m3，测得的最大压力约为65.86kPa；浓度9.5％，体积100m3，测得的最大压力0.18MPa；浓度9.5％，体积200m3的瓦斯测得的最大压力为0.46MPa。
爆炸产生的动压可用来计算，其中为爆炸波的速度。
2.爆炸压力的上升速率
爆炸压力的上升速率也是反映爆炸强度的重要指标，它是压力差除以时间差的商。可燃气体体积的不同是造成压力上升速度差异的首要因素。另外，混合气体的湍流度对压力的上升速度也有巨大的影响。压力上升的速度越快，则燃烧反应速度越快，产生的冲击波压力也就越高。一般使用KG值来衡量可燃气体的燃烧压力上升速率：

瓦斯爆炸的KG值为55。
2.4小结
经过以上叙述，对瓦斯爆炸有了一个比较全面的了解，为后面方案的确定提供了依据，特别是对防爆门的电脑模拟提供了参考依据。

第三章 自复式防爆门结构设计
3.1 设计依据、要求及目标
3.1.1 设计依据
防爆门的方案设计，主要依据《煤矿安全规程》、GB 50215- 《煤炭工业设计规范》和煤炭、机械行业其它相关规程、规范。
总结以往防爆门的设计经验，并到国、内外新型防爆门应用单位调研，汲取百家所长，并有所创新，经过研讨最终确定防爆门的设计方案。
3.1.2设计要求
1.瓦斯爆炸后，防爆门能及时复位，确保井下通风系统正常工作。
2.反风时，防爆门应在最短的时间内锁紧，以满足10min内实现巷道内反风的要求。
3.防爆门的结构必须有足够的强度，并有防抛出的设施。
4.防爆门应靠主要通风机的负压保持关闭状态，并为防爆门安装平衡重物或采取其它措施，以便于防爆门容易开启。
5.防爆门应布置在出风井同一轴线上，其断面积不应小于出风井的断面积。
6. 防爆门应严密不漏风。如果采用液体作密封时，冬季要选择不能燃烧的冷冻液。
3.1.3设计目标及研究内容
1.针对煤矿巷道瓦斯或煤尘爆炸的工况，对防爆门的主体设施进行设计，保证其强度和基本功能。
2.研究防爆门的自动复位装置，使其在瓦斯爆炸后能够自动复位，以保证井下通风系统的正常工作。
3.研究防爆门的锁紧装置，以实现风井的快速反风，满足相关规范的要求。
3.2方案拟定
3.2.1设计理念
从根本上解决瓦斯爆炸后防爆门的开启及复位问题，排除通风系统附属设施的安全隐患，确保煤矿的安全生产，体现以人为本、和谐社会的理念。
3.2.2结构原理
把出风口圆形水槽做成方形，把现有的防爆门（盖）改成铰链开合式结构，转轴在侧面，中间闭合。在出风井口安装一圈型钢，门框的结构为正方形，门框上安装防爆门，防爆门为板式结构，左右各一扇，铰链固定在门框上，门板和门框之间采用板式柔性橡胶条进行密封，密封材料分别在左右门板上形成“口”字密封环，当合上防爆门时，矿井负压使门板紧贴在门框上，从而形成密封，防止漏风的产生。克服了液体密封的液体挥发和冬季冻结的问题，季节对密封影响小，也不需要补充液体。
配重装置采用和现有结构相似，反风装置由电动推杆，电机的旋转运动变成推杆的直线运动，电动推杆机体内设有保护装置，当推杆运动到行程开关设定的极限位置或超过其额定推(拉)力时，电动推杆自动停机，达到过载保护目的，使装置不致因过载而损坏。该装置能够经过电缆对防爆门进行远程控制，当需要反风时，开动电动推杆，顶住防爆门，实现锁紧，平时工作时，关闭电动推杆机，推杆缩回，实现防爆门的防爆功能。使煤矿防爆门（盖）在爆炸冲击波的作用下开启后，实现自动复位。
其结构原理如下图所示。

图3.2-1 防爆门正常工作状态

图3.2-2 反风时防爆盖工作状态

图3.2-3 发生瓦斯爆炸时防爆盖打开状态

3.2.3结构组成
自动复位防爆门结构由基本主体设施和自动复位设施两大部分组成。
其中，基本主体设施包括：防爆门底部框架、配重装置、密封装置等；自动复位设施包括：电动推杆和限位装置等。
防爆门底部有一圈槽钢焊接而成，形成一个方形门框，门框和改造后的方形井筒口预埋的钢板焊接而成，门框的侧面为一三角形挡板，门框的中央焊有一根方钢，方钢两侧焊有平板，解决了左右两块门框组装时中央结合处合缝和密封的问题，同时，由于每根槽钢的型号相同，相互之间连接是焊接，加工工艺简单，门框上与门板相结合的面的平面度容易保证。
门板为正方形，左右各一扇，材料为1Cr13不锈钢钢板及角钢组成，相互之间焊接组成门板，纵横方向各设计有加强筋板，使门板有足够的抵抗压力变形的能力；同样，因结构简单方便，门板表面的平面度容易保证，见图所示。
防爆门的自动复位装置采用安装在固定支座上的电动推杆，电动、电液系列推杆适用于往复推、拉直线（或往复旋转一定角度）运动，可用于上升，下降或夹紧工作物的场所，也可用于远距离及高空危险地区，并可和计算机联网进行集中（程序）控制。电机经过1对齿轮减速后,带动螺杆在螺母中作旋转和推拉的复合运动，把电机的旋转运动变成螺杆的直线运动，将电机的正反转转换为推杆的推拉动作进而完成风门的启闭。
电机正反转时带动电机齿轮上的蜗杆相应也作正反转运动，而蜗杆又带动蜗轮转动，迫使蜗轮内的小丝杆作轴向往复运动，丝杆移动到一定位置时，经过调节螺钉推动限位杠杆压下微动行程开关切断电源,指挥电机停止运转，实现限位功能。要调节电动推杆的行程，可由以下步骤实现：大范围调节行程可经过将1个拨杆拨出，使限位杠杆外张，由于限位螺杆的行程增大使电机运转时间加长从而实现电动推杆的行程增大。与此类似，将拨杆压入便可使电动推杆的行程减小。小范围调节行程则由调整行程调节螺钉的位置实现。电动推杆机体内设有保护装置，当推杆运动到行程开关设定的极限位置或超过其额定推(拉)力时，电动推杆自动停机，达到过载保护目的，使装置不致因过载而损坏。
防爆电动推杆的特点
(1) 结构紧凑。防爆电动推杆本身集动力与减速于一身，其整体结构紧凑，体积小(比如行程1 m，推力10000 N的防爆电动推杆外形尺寸仅为1758×310×455 mm)。
(2) 经济性好。防爆电动推杆造价低，节电效果好，与其它气动、液动等执行机构相比，其造价能够节省数到数十倍，并可省去许多复杂管路。由于电动推杆只须在数秒内耗用电能，功率消耗与气动、液压机构相比，只有其几十分之一,同时可节省压风机、油泵等辅助设备，考虑到电动推杆含有过载、限位等保护作用，还可节省这方面的资金，且1套电动推杆及其它配件、材料的总投资还不到7000元，初期投资及运行费用都较低，因此电动推杆有很好的经济性。
(3) 控制简单。防爆电动推杆能够很容易实现就地控制和远程控制。
3.3防爆门基本主体设施的设计
3.3.1防爆门的原始数据参数
五阳煤矿西风井原有防爆盖周长为1710cm，直径：5370mm，拉线柱高275cm。在实际工作时，防爆盖所受负压为280mm水柱。1mm水柱等于9.8Pa。则为2744Pa。
通风机参数：静压2648Pa，流量5400m^3/min,转速590r/min，电机功率480kw，型号为2K60-4N.28。
西风井井筒的参数：西风井直径4m，风流量6000m^3/min。
实际设计防爆门最大为5586mm

3.3.2防爆盖的受力分析
主风机停止运转后，防爆门单个门体开始启动时受力有4个，如图3.3-4所示：

图3.3-4 防爆门开启时受力分析图
-防爆门的自重；-井盖上下两侧的压力差； 两个配重经过滑轮对防爆门的拉力，为保持井盖的受力均衡，两个配重应相等。；为与水平面的夹角。根据设计要求，确定防爆门在密闭位置时的角度。
防爆门开启向上运动过程是一个变速运动的过程，在开启时，依靠拉力获得一定加速度a，在向上运动过程中压差力（设为F）随着井盖上下两侧的静压变化而变化，拉力在垂直方向分力（设为F’）随拉力与水平面的夹角的变化而变化。
因受力变化的影响，防爆门的运动过程可分为两个阶段：第一阶段，在平衡点以下是加速度先增大后减少的运动；平衡点以上是加速度变化的减速运动。
在计算中，只对平衡点以下进行研究，在误差允许的范围内对其进行简化计算，平衡点以下运动按初始加速度为a的均匀加速运动计算，其中的角度随着井盖的打开而增大。
3.3.3配重的计算
1.约束条件
根据有关规定及以上分析，主扇停止运转后，依靠配重自动打开防爆门应满足如下约束条件：
…（1）
…（2）
…（3）
（4）
式中：
—单个配重产生的拉力，N；
—开启时防爆门上下压力差，N；
—开启时拉力与水平方向的夹角；
—单扇防爆门的自重，N；
—单扇防爆门的质量，kg；
—单扇防爆门的角加速度，m/s2；
I—防爆门的转动惯量，kg m2
—配重作用点与防爆门板的距离 mm
—防爆门板的边长 mm
—主扇停止到防爆门开启的时间，min；
—防爆门开启到所用时间，min；
—防爆门必须开启的最小角度，°；
—主扇停止到防爆门打开至的最长时间，min；
—防爆门配置钢丝绳拉力与水平方向夹角
—防爆门板和水平方向角度
约束条件说明：
（1）是保证防爆门开启时有一定的转动加速度，以便在规定的时间内将防爆门开启角度达到位置；
（2）、（3）是保证主扇停止后井盖门的打开时间小于规定时间；
（4）是保证主扇正常运转时井盖门处于气密位置；
（5）是保证防爆门打开时的平衡点高于应打开的最小角度。
2.基础数据测算
（1）防爆门的自重G
防爆门门板为钢铁构造的组合体，该数据能够查设计资料得知，也能够根据材料用量进行计算。本次所设计的防爆门结构如下图所示，其材料采用1Cr13，重量为：2640KG。

图3.3-5 防爆门门板结构图
（2）压差力、、、
压差的大小与防爆门上下侧的压力差与防爆井盖的受力水平面积成正比即：
式中
— 压力差，N；
—防爆门内外侧静压差，Pa；
—防爆门的受力水平面积，m2。
井盖内外静压差经过实测获得，因风机正常运转时，静压差P是相对稳定不变的；而主扇停止后，P迅速变化，其测定方法是靠近井盖下部，在风井壁上打一个小孔安装皮托管测定（也能够在风井安全出口的两道风门内外侧测定），测定时间应选择冬季温差较大的时间进行（此时压差大，可保证设计可靠），根据实测，选择压差最大的一组数据作为设计的依据。
P的取值时间早晚是关系井盖能否及时被打开的关键，过早则计算配重过大，会造成关闭井盖困难，过晚则失去意义，也是安全生产所不允许的。
多次观察，主风机停止后人工操作打开井盖需5min，风门自动打开的时间必须在5min内才有实际意义，因此t=5min，由于主风机停止运转后，井盖内外压力差迅速下降。在3min以后变化较小，P的取值时间为3min最为合适。
经过测定主扇正常运转时, 防爆门内外压力差P=280mm水柱=2744Pa。
防爆门为矩形，其边长分别为5966mm及4160mm
则S=5.966×4.16=24.818m2
因此F0=PS=681021N
（3）、
根据设计，取值可知, =750
根据设计和提到时的位置，=700。
3.配重计算
将实测数据代入以上各式，计算求得F的取值范围。
N
滑轮两边的钢丝绳与配重拉杆相差为5kg（拉杆端重），因此每个配重的选择范围是（滑轮的摩擦力忽略不计）：

N
由于单扇防爆门分别由两个重锤装置组成，对于单个重锤装置，也即F1及F2的取值分别为：
N
N
N
重锤采用铸铁铸造，每个重物重量44.6KG/件，则对于单个重锤装置需要挂11件。
防爆门开启到完全打开，是一个加速度，对缓冲装置冲击很大，因此在重锤装置上做一个缓冲板使重锤落下时候，能减少部分重锤重量，使得缓冲装置承受的力不是太大，其结构图见图3.3-6

图3.3-6 防爆门重锤装置
钢丝绳与防爆门门体等关键部位的连接对防爆门的可靠性和易用性有着重要影响，其具体连接方式如图3.3-7所示。它由钢丝绳夹30，索具套环31构成，经过销轴与联接耳连接。连接耳焊接在防爆门门板上。升降钢丝绳与门体，都采用该钢丝绳卡套。

7-钢丝绳；30-钢丝绳夹；31-索具套环
图3.3-7 钢丝绳卡套的结构
3.3.4反风自动锁紧装置的设计
1. 反风自动锁紧装置
防爆门反风锁紧装置由电动推杆、压杆、导辊、压辊、底座和支架等组成。
快速反风锁紧装置的结构有锁紧和解锁两种状态。经过控制电动推杆实现防爆门的自动锁紧与解锁。
2.自动开启与复位装置
防爆门的自动开启与复位分为两种情况：风机停转时的开启与复位和爆炸冲击时的开启与复位，相应地，防爆门自动开启与复位装置包括风机停转时的开启与复位装置和爆炸冲击时的开启与复位装置。
《煤矿安全规程规定》：“生产矿井主要通风机必须装有反风设施，并能在10min内改变巷道中的风流方向”。
该锁紧器的特点是可遥控自动锁紧，锁紧时间短，仅需几秒钟即可完成锁紧的全部操作。若通风机本身无故障，能够在10min或更短的时间内实现反风。
防爆门反风锁紧装置由电动推杆、压杆、导辊、压辊、底座和支架等组成。
快速反