煤矿瓦斯爆炸热冲击对管道壁面损伤破坏特性研究

摘要

煤矿瓦斯爆炸是矿井内致灾性最强的事故灾害之一。瓦斯爆炸造成重大的人员伤亡和财产损失，严重威胁着我国煤炭产业的发展。因此，掌握煤矿瓦斯爆炸热动力冲击破坏及演化特性为瓦斯爆炸事故的治理、防爆抑爆措施及确定灾后的救灾防灾工作提供理论依据和技术指导。
　　本文以流体力学和受限空间气体爆炸相关理论为基础，分析瓦斯爆炸的反应条件、影响因素及巷道内传播过程的物理机制和破坏特性。根据瓦斯爆炸冲击波传播理论分析，建立了相应的物理模型和数学模型，采用软件ANSYS/LS-DYNA对管道内浓度为9.5％的瓦斯爆炸进行了数值模拟，分别模拟管道内瓦斯爆炸径向温度分布及瞬态热应力，导热系数对瞬态热应力峰值的影响；瓦斯爆炸流固耦合下冲击作用特性；不同管径、不同爆炸强度的瓦斯爆炸热冲击对壁面的损伤破坏。论文得到以下主要结论：
　　1）模拟管道内瓦斯爆炸沿径向温度及瞬态热应力，导热系数对瞬态热应力峰值的影响，发现：
　　a.管道内瓦斯爆炸，分布在管道封闭端内壁面温度达到最大，并沿着管道轴向逐渐衰减。
　　b.管道径向上发生热传导，在径向方向形成瞬态温度、应力梯度场。温度均随着径向距离的增大而单调衰减，温度与径向传播距离近似为三次函数关系。
　　c.热应力峰值、管道轴向最大伸长量与导热系数均有三次函数关系。管道轴向最大伸长量随着导热系数增大而增大，热应力峰值随着导热系数递增而单调衰减。
　　2）模拟管道内瓦斯爆炸流固耦合下冲击作用特性，得出：
　　a管道内瓦斯爆炸，测点A、B的压力瞬间达到超压峰值，并出现压力“平台”现象，之后测点A、B压力逐渐减小趋于一定值，而初始状态为大气压测点C、D、E、F依次达到各自超压峰值后有较小的波动现象，之后逐渐地衰减趋近于大气压力。因此，考虑耦合效应时各测点的超压峰值变化趋势与非耦合情况基本一致，超压峰值大小差异较小，流固耦合作用对爆炸流场内部的爆炸冲击超压大小影响较小，计算分析时基本上采用解耦合模型。
　　b.解耦条件下，管道内瓦斯爆炸等压线分布呈现较规则同心环，以圆环的形式向管道开口处传播；而耦合条件下，管道内瓦斯爆炸等压线分布则以较为紊乱的形式向管道的开口处传播。因此，瓦斯爆炸流固耦合效应对爆炸流场等压线分布有一定的影响，即改变流场分布。
　　c.管道内瓦斯爆炸总能量均逐渐衰减为零，耦合条件下动能峰值小于解耦条件下的动能峰值，且达到峰值时间大于解耦达到峰值时间，即耦合效应对动能峰值有一定的影响。
　　d.瓦斯爆炸瞬间，管道封闭端隅角处冲击波汇聚，管道隅角处发生了变形，局部出现最大等效应力，同时封闭端受冲击波瞬间冲击作用，向外膨胀变形，随后变形恢复。随着时间推移，爆炸冲击波压缩临近气体向管道开口端传播，传播过程中伴随着能量衰减，管道均发生了微弱变形。爆炸冲击波过后，封闭端区域内出现了负压区，周围的气体回流向爆炸中心移动，对爆炸气体进行压缩，致使隅角部位及封闭端再次发生变形，随后又变形恢复，但是之后的变形均小于瓦斯爆炸瞬间的变形。
　　3）模拟不同管径、不同爆炸强度的瓦斯爆炸热冲击对壁面的破坏，尺度效应对瓦斯爆炸传播参数的影响关系，得出：
　　a.随着管道半径不断增大，测点A、B的压力“平台”持续时间缩短，测点C、D、E、F压力曲线波动幅度变化不大，但波动时间缩短，且达到各自超压峰值时间间隔明显减小。
　　b.随着管道半径的增大，各测点速度达到峰值时间明显减小，速度峰值增大较为明显，各测点震荡越来越频繁。
　　c.随着管道半径的增大，等效应力随着管道半径的增大而递增，并且震荡越来越频繁。
　　d.随着管道半径的增大，X方向位移值也增大，且相邻位移峰值间的时间明显增大。
　　e.随着管道内瓦斯填充长度增加，即瓦斯爆炸强度的增加，管道封闭端最开始有弹性膨胀变形，爆炸冲击波荷载超过了材料的屈服强度，管道封闭端与内壁面结合隅角部位，内壁面沿管道周向出现一层脱落，出现了“Z”型破坏，爆炸荷载的持续加载，壁面最终出现了“阶梯式”的破坏，但是爆炸强度继续增大，最终管道壁面沿周向出现一圈缺口，封闭端逃离束缚，壁面开始撕裂，出现了张开型的扩展现象。
　　本文通过数值模拟对煤矿瓦斯爆炸在管道内传播特性以及爆炸热冲击对管道壁面破坏特性进行了分析，并得到了一些规律性的结论对矿井瓦斯爆炸事故的防治、减小瓦斯爆炸灾害的损失以及爆炸事故调查分析，同时为制定防爆抑爆措施提供了非常重要的参考和依据。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在的主要问题

1.4 本文的研究内容

1.5 本文的研究方法和技术路线

第2章 瓦斯爆炸传播机理及破坏特性分析

2.1 引言

2.2 瓦斯爆炸反应条件及影响因素分析

2.3 瓦斯爆炸火焰及冲击波的传播过程分析

2.4 瓦斯爆炸破坏效应分析

2.5 瓦斯爆炸传播的物理模型

2.6 本章小结

第3章 有限元动力理论与数值模拟模型建立

3.1 引言

3.2 有限元动力理论

3.3 ANSYS/LS-DYNA软件简介

3.4 数学物理模型的建立

3.5 本章小结

第4章 管道内瓦斯爆炸热冲击损伤破坏模拟分析

4.1 引言

4.2 瓦斯爆炸巷道壁面热冲击应力研究

4.3 瓦斯爆炸热冲击作用特性研究

4.4 瓦斯爆炸巷道壁面损伤破坏演化特性研究

4. 5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 研究结论与创新点

5.2 不足与展望

参考文献

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢