基本信息
- 项目名称：
- 煤矿瓦斯爆炸过程冲击波分析与安全舱研发
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 利用仿真模拟软件LS-DYNA代替实际操作来计算出瓦斯爆炸过程中的气流冲击波传播规律，并计算出不同位置的气流大小，根据此设计出安全舱的模型，并进行气流加载，最终设计出能承受瓦斯冲击的安全舱。
- 详细介绍：
- 本项目基于流体力学结构力学利用有限元法对煤矿瓦斯爆炸过程的冲击波传播和衰减规律以及安全舱结构强度进行了数值计算与分析，主要包括：1、利用UG和LS-DYNA软件建立矿井下巷道有限元模型。2、分析了爆炸过程中不同时间以及不同位置的冲击波传播规律。3、根据爆炸数据初步设计安全舱尺寸，并对安全舱进行冲击分析并加以改进和优化。4、最终设计出最符合实际应用的安全舱。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 由于现在煤矿瓦斯爆炸事故频发，给矿井下工作人员的生命安全造成了极大的威胁，但是此项目如果进行实际的分析，肯定会有很大的困难和造成很大的损失，同时也会付出很大的代价，所以我们利用仿真模拟的方法，建立瓦斯爆炸过程中的各种模型，进行仿真运算，然后算出爆炸过程中气流的产生和传播规律，对建立的模型进行加载求解，以设计出能在矿井下起到保护工作人员安全的安全舱。
科学性、先进性及独特之处
- 根据实际情况中巷道的环境以及其组成，以爆炸力学，爆炸动力学，热力学理论和有限元理论为基础建立的爆炸过程冲击波传播和衰减三维仿真系统，实现巷道不同位置地点的冲击波超压分析并和相关实验研究进行对比分析。设计安全系统整体结构，并利用弹塑性有限元理论对结构强度进行系统分析。
应用价值和现实意义
- 此项目是研究煤矿下瓦斯爆炸过程中气流传播与安全舱开发，由于实际去井下进行试验非常危险而且困难，所以选择用LS-DYNA仿真软件建立和完成的，这样节约大量的试验用品，并且能得出非常符合实际的试验数据，最终我们建立了矿井下的安全系统，三维巷道模型和井下救生舱，可以为安全舱的投入应用提供大量的可靠数据，一旦我们的安全系统投入使用，将会为矿井下的工作人员的生命安全提供极大保障，给社会减轻一些不必要的麻烦。
学术论文摘要
- 纵观近几年的煤矿瓦斯事故，爆炸危害性极大的触及到了人们安全生产的底线，同时随着模拟仿真技术的发展与应用并逐步的应用到了工程测量中，使得一些实际难以计算分析的情况得以解决，本项目就依据实际矿井数据和瓦斯爆炸能量、利用ANSYS-LS-DYNA建立巷道和炸药的三维模型，对冲击波传播和衰减规律进行计算分析，以得到在爆炸过程中气流在传播过程中的规律，包括气流传播速度，气流在各个位置的压力大小等。根据此规律，再结合我们所学知识，根据爆炸力学与流体力学，以及各种材料的属性，我们选用一种材料来建立能耐的住爆炸气流冲击的安全系统，既矿井下的安全舱，安全舱的内外部均加有进一步的防护措施，包括稳固结果，各种涂料等，以使得安全舱可以在矿井下最大限度的发挥其作用，来保障工作人员的安全。
获奖情况
- 获得学校科创基金项目的资金赞助
鉴定结果
- 此项目可以按时完成
参考文献
- 1、第二十一届国际采矿安全会议文集.北京：煤炭工业出版社，1985. 2、煤矿瓦斯爆炸研究现状及综合分析.作者：林柏泉、叶青. 3、管道内瓦斯爆炸压力的传播研究，工业安全与环保，2009年第35卷第1期. 4、矿难救生球系统在瓦斯爆炸冲击波作用下的动态响应.中国安全科学学报,2008,18(10):92-97. 张玉周,姚斌，叶军君. 5、桥梁结构爆炸分析特点综述[J].重庆交通学院学报,2005,6.24(3). 刘山洪,魏建东,钱永久 6、爆炸冲击波在建筑群中传播规律及其毁伤效应研究[D],北京工业大学2007. 王可强 7、TNT当量法预测某石化设备爆炸后果评价[J].中国安全生产科学技术,2005,3(1). 宋元宁,于立友,李彩霞. 8、爆炸力学[M].北京:国防工业出版社,2005:106-110. 恽寿榕,赵衡阳. 9、基于ALE算法的空气中冲击波绕流数值模拟研究[J].工程爆破.2008,8(2). 王飞,朱立新,顾文彬等.
同类课题研究水平概述
- 国外对煤矿安全方面的研究较早，美国、俄罗斯、波兰、德国、日本等对煤矿事故都进行过实验研究，尤其是在可燃碳氢气体与氧气或空气混合后的引燃、传播以及工业粉尘爆炸特征等方面做了大量的研究。澳大利亚格林等人建立了瓦斯和煤尘爆炸过程的理论框架及计算机模拟模型，该模型采用三个经验常数，在忽略气体粘性和扩散传播基础上，成功计算了火焰加速度、点火能量、和可燃物与氧的比值。苏联萨文科等人通过管道试验获得了空气冲击波通过巷道分岔和转弯处的衰减系数，并利用薄膜测压实验获得了冲击波强度与巷道断面尺寸和巷道粗糙性的关系。美国皮特斯堡研究中心通过大量的瓦斯爆炸实验，研制出了抑制矿井瓦斯爆炸装置，利用火焰的传播和压力增长激发装置动作，从而抑制瓦斯爆炸的传播，收到了良好效果。日本东京大学建立了瓦斯空气混合气体在惰性热表面接触点火的数学模型，研究了点火机理。 我国在这方面的研究比较晚，通过众多学者和专家的艰苦攻关，在理论探索、实验研究和数值模拟计算方面均取得了一系列的成果。中国矿业大学众多学者对瓦斯爆炸冲击波的传播规律、障碍物对冲击波影响、瓦斯浓度和火源对瓦斯爆炸的影响、火焰厚度测定、瓦斯爆炸传播火焰的内聚力特性、气体和粉尘爆炸原理等进行了系统深入研究，取得了一系列成果。张英浩和王志杰对瓦斯气体在管道内的爆炸过程进行了初步研究。根据实验结果将压力传播的变化过程分为前驱冲击波、升压、降压、余波4个阶段,并对各阶段中的压力传播状况进行了分析。苏举端等通过对爆炸过程中爆炸压力、温度、速度等相关参数随时间、空间的变化规律的分析,进一步研究瓦斯爆炸的机理和破坏效应。煤科总院重庆分院设计的长896 m断面7.2 m2的地下大型爆炸试验巷道以及ø720mm长93 m、ø2 000 mm长29 m、断面10m2长20m的地面系列爆炸试验钢制管道等、中国科学技术大学设计的巷道长518.16 m,断面为梯形(左帮高1.828 m,右帮高2.286 m,宽6.096 m)、中国矿业大学100 m长ø 300 mm的瓦斯爆炸管路及两个中型瓦斯爆炸罐、北京理工大学103m爆破试验测试风洞等大型装置,获得了瓦斯爆炸过程中的特征参数变化规律、传播规律等,为瓦斯爆炸防治及控制奠定了理论基础。
