風井防爆門自動泄壓技術

潘榮錕，崔 棒，張學博，王 健

（1.河南理工大學安全科學與工程學院，河南焦作 454000；2.煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創新中心，河南焦作 454003）

煤礦智能化是煤炭行業高質量發展的核心技術支撐和必由之路[1]。近年來，隨著智能化技術裝備的迭代升級，智慧礦山建設已成為煤礦企業發展研究的重點。針對煤礦智能化及智慧礦山相關技術，國內外學者進行了相關探索。王國法等[2]從采、掘、機、運、通等多個方面系統分析了煤礦智能化存在的技術難題與關鍵技術，詳細闡述了不同煤業集團在煤礦智能化建設過程中取得的階段性創新成果；分析了我國不同煤層賦存條件實現智能化開采的技術路徑，提出了適用于不同煤層條件的4 種工作面智能化開采模式[3]；文獻［4－6］通過分析金屬礦山開采現狀及存在的技術難題，提出了基于新一代信息技術創新深部金屬礦山開采模式的技術路徑，以及提高深部金屬礦山智能化開采水平的戰略思路；在煤礦信息化標準建設、技術協議、技術架構、核心技術與裝備等方面，文獻［7－9］對智慧礦山建設進行了系統研究，并提出了智慧礦山建設的技術架構與管控平臺建設思路，促進了我國智慧礦山建設的創新與發展。以往研究在智慧礦山開采方面取得了一定進展。然而，煤礦智能化不僅僅體現在開采技術的智能化，煤礦防災減災技術裝備的智能化同樣重要。

防爆門作為煤礦重要的防災減災技術裝備，是整個礦井通風系統的安全閥，無論日常還是異常通風狀態，其均起到保護主通風機正常運行、正常供風的關鍵作用[10]。此外，作為保護礦井通風系統的重要設施，防爆門不僅需要在礦井發生瓦斯、煤塵爆炸時起到良好的泄壓作用，以此來保護風機；而且在礦井進行反風操作的過程中，為了防止防爆井蓋沖開，出現氣流短路的狀況，需要進行井蓋的鎖緊操作。目前國內外學者對防爆門的相關研究多側重于它的結構和性能，如：MENG Fanmao 等[11]采用碳纖維增強塑料（CFRP）和增強片狀模塑料（SMC）材料，采用充模一次成型、熱模壓成型方法，制造全復合防護板，深入研究了輕質防爆門結構；WANG Chunyan 等[12]在研究提出一種NPR 防爆門，基于自適應混合多目標粒子群優化算法（AHMOPSO）對新型防爆門進行了多目標優化設；Choi Y 等[13]通過Lagrangian 和Arbitrary Lagrangian Eulerian 法對防爆門在爆炸荷載作用下的性能進行有限元分析，研究結果表明了防爆門在爆炸沖擊波作用下發生彎曲，并在其上形成橢圓形開口；安長河[14]利用有限元分析模型，分析了自復式防爆門在爆炸載荷作用下的應力和應變情況，研究結果表明防爆門在瓦斯爆炸時最大變形發生在防爆門門板中間部位；邱天等[15]利用FLUENT 模擬軟件對MFBL 型防爆門在快速開啟泄壓特性進行研究，研究結果表明防爆門開啟高度與時間呈二次多項式關系，開啟速度與時間呈一次多項式關系；LI Haitao 等[16]基于靜力分析和拓撲優化對密封防爆門進行了開發和優化，并采用FEM-SPH 接觸算法對其在瓦斯爆炸荷載作用下的動態響應進行了分析。結果表明其得到的防爆門主要部件質量比原防爆門輕27.4%，但沖擊性能沒有降低，與靜力分析相比，動態響應分析得到的爆炸門的最大位移和應力要大得多；ZHANG Boyi 等[17]通過建立地下隧道模型和避難室模型，檢驗了煤礦移動避難室的結構安全性。對于防爆門鎖扣裝置方面，已先后提出了一些方案，如防爆門電（液）動反風裝置[18]及煤礦立風井鎖扣裝置及方法[19]等。上述研究有利于防爆門結構和性能的設計，但對于防爆門鎖扣裝置的研究尚未深入開展，從自動化和安全角度考慮，現有的鎖扣裝置尚存在亟待解決的問題，如在反風操作過程中需要大量的人力物力、自動化程度較低、更換比較麻煩，且對防爆門的快速泄壓影響較大等。

為了解決防爆門開啟泄壓不及時和鎖扣裝置自動化方面的不足，從力學的角度出發，對煤礦通風機不同工作狀態下的防爆門所受到的力進行詳細分析，在傳統鎖扣裝置的基礎上應用新型電磁鎖扣技術，并進一步提出防爆門自動泄壓設計方案，提高防爆門的泄壓能力和自動化操作程度。

1 不同時期下的防爆門受力分析

礦井通風機在礦井通風中起著重要作用，其不僅要能滿足礦井正常工作的需要，而且要在礦井需要進行反風時可改變風流方向。風機在不同工作狀態時，防爆門所受到的力也有所不同。因此，為了進一步研究新型鎖扣技術的應用，需對處于不同狀態下的防爆門進行受力分析。

1.1 風機正常工作狀態下的防爆門受力分析

進行力學分析時所選風機和防爆門具體參數如下。風機參數：型號AN-2660/1440，風壓1 400～4 600 Pa。防爆門參數：第三代同步配重蓋式防爆門（CEDCW3），質量為2 670 kg，防爆門直徑6 m，配重塊質量m 的范圍是4 218.5～19 886.16 kg，連接防爆蓋的鋼絲繩與垂直方向的最小夾角βmin為10°，最大夾角βmax為20°；根據防爆門的各類參數以及物理學公式對處于不同工作狀態下的防爆門進行受力分析。

礦井內風道示意圖如圖1。根據流體力學可知，流場中能量大處的流體必然流向能量低的位置。

通過分析在風機正常工作時，礦井內B 點處于負壓狀態，由于負壓作用，防爆門會受到向下的力。規定礦井通風的設計負（正）壓不應超過2 940 Pa[21]；在礦井設計的后期或風量超過20 000 m3/min 時，可加大，但不宜超過3 920 Pa。此外，在新型同步配重式防爆蓋優化設計中[22]，摩擦力是防爆蓋能夠正常開啟必須考慮的因素，而摩擦力的大小受到材料、安裝情況等因素的影響。其中，正常開啟防爆門時摩擦系數應滿足的條件為：

式中：fe為當量摩擦系數；χ=m/M；m 為配重塊質量，kg；M 為防爆門質量，kg；βmax為與防爆蓋連接的鋼絲繩與垂直方向的最大夾角。

由已知的防爆門參數可計算出χ∈（1.58，7.45），且根據式（1）可得：

由計算結果可知，fe需滿足的條件為：fe≤0.2。故在配重設計過程中摩擦系數取0.2，在對防爆門受力分析時簡化防爆門模型和受力情況。由力學知識可知風機正常工作時，防爆門受到自身重力、B 點負壓、配重拉力等。風機正常工作時防爆門受力情況如圖2。

根據圖2 的受力情況可計算出防爆門在此狀態下所受力的大小：G 為26 166 N，f 為5 233 N，FN為83 084 N（重力加速度的值取9.8 N/m2，摩擦系數取0.2）。

若此時防爆門配重質量僅與防爆門蓋重量相當，即Fr=G=26 166 N。由于G+FN>>FT+f，這將會出現只有爆炸威力特別大時才會將防爆門打開的情況。

1.2 風機反風工作時的防爆門受力分析

生產礦井必須裝有完善的反風設施。礦井反風主要是為了井下發生瓦斯爆炸事故后防止災害事故的擴大和搶救人員的需要而采取的迅速倒轉風流方向的措施。因此防爆門在礦井風機在反風工作時的受力情況與正常通風時會有所不同，風機反風工作時防爆門受力情況如圖3。

由圖3 可以看出，與風機在正常工作不同的是風機反風時由于其正壓的作用，防爆門所受的摩擦力方向向下。此時：FT+FP-f－G=77 851>0。

由上述計算結果可知若防爆門的質量過輕，則在反風過程中防爆門有被頂開從而出現漏風的情況。為防止上述情況的發生，需在防爆門上添加反風鎖扣。當主要通風機反風時，鎖緊防爆門，以免防爆門被頂開，造成氣流短路[23]。且反風鎖扣所提供的力FL要滿足FL≥77 851 N，即滿足：FL+f+G>FT+FP，才能防止反風過程中防爆門不被頂開而出現漏風的情況。

2 防爆門智能化與自動化泄壓設計

反風鎖扣裝置如圖4。

現有的防爆門鎖扣裝置主要為電動推桿鎖扣裝置、電（液）動鎖扣等。然而這些鎖扣類型主要存在2方面問題：一是鎖扣密封效果不好，存在漏風情況，這些鎖扣裝置在進行鎖緊防爆門時難以實現多個裝置同時受力均勻，以至于難以保證防爆門的完全密封狀態；二是鎖扣技術落后，嚴重浪費人力物力。此類反風鎖扣裝置通過扭動幾個壓塊壓緊防爆門來進行反風操作。這種鎖扣裝置不僅需要手動操作，而且由于裝置裸露在外部環境，裝置會由于雨水、風吹等因素的影響造成裝置零件生銹，裝置零件更換和維修也比較麻煩。

現有的鎖扣裝置尚不足以滿足解決礦井反風時及時鎖緊防爆門、自動化操作、完全密封等重大現實需求，為了解決上述問題，采用一種新型鎖扣技術，新型電磁鎖扣裝置示意圖如圖5。

新型鎖扣采用電磁鎖扣，利用電磁鐵吸力的改變實現電信號控制的機械運動[24]；即在通電條件下產生磁力吸住防爆門，可進行反風操作；斷電磁力消失不再鎖緊防爆門，快速實現防爆門的開啟泄壓。新型電磁鎖扣可通過機房遠程控制，避免了人工操作、惡劣天氣、夜晚照明等因素對整個操作的影響，在保證安全的前提下，大大提高了反風效率，極大提升鎖扣自動化操作程度。

為使防爆門能夠及時有效的開啟泄壓，基于新型電磁鎖扣技術提出防爆門自動泄壓設計。首先將防爆門配重質量增加到自然狀態下可以拉起防爆門，這種方式下為滿足防爆門在風機正常工作及反風時的工作要求，利用新型電磁鎖扣吸力緊鎖防爆門。為實現防爆門的及時泄壓，將鎖扣設備與傳感器等信號采集設備聯動。當發生爆炸時，傳感器及時將采集到的信號傳遞給電磁鎖扣進行斷電，斷電后由于配重質量遠大于防爆門質量，防爆門在配重的作用下開啟，即可實現在爆炸未傳播至防爆門之前實現防爆門的預先開啟動作，并且由于配重質量遠大于防爆門質量，因此無論爆炸威力多大，防爆門均可進行快速開啟，避免了前面所述2 種情況的發生。此外可通過調節電磁鎖扣吸力來滿足風機在正常工作和反風工作下的吸力要求，與傳統鎖扣技術相比大量節省了人力、物力，極大程度上實現智能化和自動化程度。

通過利用新型電磁鎖扣技術以及防爆門自動泄壓設計，將在很大程度上提高防爆門的智能化及自動化，進一步促進煤礦災變通風智能控制技術的發展。智能化煤礦風井防爆門系統網絡如圖6。

智能化煤礦風井防爆門控制系統網絡，將以新型電磁鎖扣技術為基礎，融合大數據、物聯網、5G、云計算等新技術，從井下危險監控、信息采集，數據的有線/無線傳輸，到地面信息處理、及時控制，多角度多方位深層次的提高了防爆門操作的自動化程度，實現煤礦智能化防爆門系統的高效融合運行，解決了傳統防爆門在開啟泄壓不及時、自動化程度低，人員操作繁瑣等方面的一系列問題。

3 防爆門自動化泄壓技術理論

3.1 防爆門自動泄壓技術電磁鎖扣吸力計算

由于在風機不同工作狀態時防爆門受到的力也有所不同，因此需要計算在風機不同工作狀態下所需電磁鎖扣的吸力。首先，風機正常工作時電磁鎖扣需要提供足夠吸力來保持防爆門的穩定。風機正常工作狀態下電磁鎖扣吸力情況如圖7。

由圖7 可知，G+FN+f=114 484 N。由此可知，當電磁鎖扣提供的吸力、防爆門本身重力、摩擦力以及負壓狀態下的力等的合力大于防爆門配重拉力時，可維持防爆門的穩定，即電磁鎖扣吸力FS需滿足：FS≥FT-G-FN-f=FT-114 484。

而配重的設置應能平穩拉起防爆門，即此時配重拉力FT至少應滿足：FTmin>FN+G+f=114 484 N。

風機正常工作狀態下電磁鎖扣吸力與配重拉力之間的函數關系如圖8。

從圖8 可以看出，電磁鎖扣吸力應隨著配重質量的變化而變化，且需滿足吸力的最小要求。從上述公式可以看出，當配重拉力不大于114 484 N 時無需電磁鎖扣提供吸力來維持穩定，而當配重大于114 484 N 時則需要進一步使用電磁鎖扣來保證防爆門在風機正常工作狀態下的穩定。而電磁鎖扣提供的吸力不僅要滿足風機正常工作狀態下防爆門能保持穩定，還要保證在反風工作時防爆門的鎖緊狀態，因此，需進一步分析風機反風工作時所需電磁鎖扣吸力的情況。風機反風工作下電磁鎖扣吸力情況如圖9。

由圖9 可知，在滿足風機正常工作的基礎上，風機進行反風時電磁鎖扣提供的吸力FS應滿足：FS=FP+FT-G-f=166 169 N。即反風時電磁鐵吸力FS要滿足：FS≥166 169 N。

從計算結果可以看出，在防爆門自動泄壓設計中電磁鎖扣至少要提供166 169 N 的吸力才能同時滿足在風機正常工作和反風工作時的要求。此外，防爆門不僅要能在發生爆炸時及時開啟泄壓，而且要盡量減少漏風情況。為了讓防爆門受力均勻、密封性好，鎖扣在分布時要滿足中心對稱式分布，因此可采取水平（垂直）分布、正三角形分布以及其他正偶數多邊形分布的方式。鎖扣設置的分布形式以及鎖扣吸力要求見表1。

表1 鎖扣位置分布及吸力要求Table 1 Lock position distribution and suction requirements

3.2 防爆門自動泄壓技術實施距離

在防爆門自動泄壓設計中，配重質量的大小影響著防爆門開啟的速度，開啟速度越快，防爆門泄壓越及時。而傳感器傳遞信號至電磁鎖扣斷電以進行防爆門開啟動作所需要的時間是能否及時實現防爆門自動泄壓設計的重要影響因素。

高效的井下移動通信系統對保障井下安全生產與提高生產效率具有重要意義[25]。信號在導線中的傳輸速度，并不是電子移動的速度。在傳輸線中，有信號路徑和返回路徑，當信號在傳輸線上傳輸，2 條導線上就會有電壓差，就有了電場，而電流產生磁場。可以說，信號的傳輸速度是在傳輸線周圍電磁場建立后電磁波的傳輸速度，該速度接近于光速。

其中，光速為：

式中：v0為光速，m/s；ε0為真空介電常數，取8.854×10-12F/m；μ0為真空磁導率，取4π×10-7H/m。

由式（2）可推導電信號的傳播速度，即，電信號傳播速度[26]：

式中：v 為電信號傳播速度，m/s；εr為相對介電常數，固體介電常數一般都小于9，故εr取9；μr為相對磁導率，對于順磁質μr＞1，對于抗磁質μr＜1，但兩者的μr都與1 相差無幾，故μr在計算時取1。

計算可知信號的傳播速度大致為108m/s。而瓦斯爆炸后的氣體壓力是爆炸前氣體壓力的7～10倍，由于氣體壓力的驟然增加形成了很強的沖擊波，其傳播速度可達每秒幾百甚至上千米，一般來說，爆炸產生的沖擊波的傳播速度是聲速（340 m/s）的數量級，這個數值是不固定的，沖擊波具體的傳播速度受井下風道結構、障礙物以及爆炸濃度等因素的影響，在聲速的1～10 倍之間，即340～3 400 m/s范圍內。因此在計算過程中需要根據爆炸沖擊波最大的傳播速度來確定安全的距離[27]。

根據前面計算可知，當配重達到114 484 N 時防爆門受力達到平衡狀態。隨著配重的增加，防爆門將獲得向上運動的力，配重的質量越大，防爆門受到的拉力F 也就越大。由物理學公式可以得到防爆門配重m 與防爆門開啟加速度a 之間的關系以及爆炸沖擊波傳遞防爆門處與防爆門開啟高度h 之間的關系。其中，防爆門初始速度v0為0，即：

配重與防爆門速度vt、加速度a 以及開啟高度h之間的函數關系如圖10。配重產生的拉力FT與開啟高度h 隨時間t 的變化關系如圖11。

FT為：

傳感器在接收到信號、將信號傳遞給電磁鎖扣及電磁鎖扣接收到信號進行斷電這個過程都存在延遲處理時間，延遲時間受不同因素的影響而有所不同。傳感器接收和處理信號的時間嚴重影響著防爆門泄壓效果，若出現爆炸沖擊波傳播到防爆門時而傳感器還未將信號傳遞給電磁鎖扣進行斷電的情況將會大大增加爆炸帶來的危害。通過分析配重與防爆門開啟加速度之間的關系以及爆炸沖擊波的傳播速度等物理關系，可計算出信號傳遞至鎖扣斷電時爆炸傳播的最大距離，即：

式中：Lmax為鎖扣斷電時爆炸傳播的最大距離，m；λ 為防爆門的安全系數，可參考壓力容器的安全系數制定，根據壓力容器國家標準，安全系數最低為1.6[28]；t1為從發生瓦斯、煤塵爆炸開始到傳感器檢測到爆炸信號經歷的時間，s；t2為傳感器將信號進行處理并發射出去經歷的時間，s；t3為信號發射到傳遞至電磁鎖扣裝置經歷的時間，s；t4為鎖扣裝置接收信號到自動斷電經歷的時間，s。

由上述公式可以看出，在防爆門自動泄壓設計方案中，傳感器等設備能否及時檢測到爆炸信號、傳感器能否及時處理和傳遞信號以及鎖扣裝置能否及時快速斷電等嚴重影響防爆門預先開啟泄壓時爆炸的傳播距離。若防爆門開啟泄壓時爆炸的傳播距離小于爆炸位置與防爆門之間的距離，防爆門自動泄壓方案即可有效實施。由式（6）可大致計算出防爆門自動泄壓方案有效實施時爆炸位置與防爆門之間的最短距離。其中，高性能傳感器的響應和處理時間在20 ms 范圍內[29]，由此可計算出信號傳遞至鎖扣位置時經歷了3.26 μs。此時，Lmax≈326 m。也就是說當爆炸發生的位置與防爆門之間的距離L 大于326 m 時可利用智能化防爆門系統平臺對電磁鎖扣進行及時斷電，實現爆炸沖擊波未傳播至防爆門之前的防爆門預先開啟動作，從而實現防爆門及時開啟泄壓，大大降低爆炸造成的傷害。

4 結 語

1）在風機正常工作時可能出現只有較大爆炸威力時防爆才能打開泄壓；若防爆門的質量過輕，在風機反風時可能出現防爆門被頂開漏風的情況。

2）在防爆門自動泄壓設計方案中，當配重達到114 484 N 時；電磁鎖扣至少需要提供166 169 N 的吸力才可同時滿足防爆門在不同狀態下的穩定。且在配重質量允許范圍內，電磁鎖扣的吸力應隨著配重的變化而變化。

3）防爆門自動泄壓設計有效實施的前提為爆炸位置和防爆門之間的距離L 滿足：L>Lmax=3 400×λ（t1+t2+t3+t4）；并通過理論計算得出防爆門自動泄壓設計有效實施時爆炸位置與防爆門間的安全距離為326 m。

4）傳感器對信息接收和傳遞速度以及電磁鎖扣的斷電速度大大影響著防爆門自動泄壓設計的有效實施。因此，今后研究需要解決的問題是考慮新方法、新手段、新技術來更快或者提前采集到瓦斯爆炸的信號，進一步提高傳感器等信息傳輸設備的速度，以此來提高防爆門泄壓的響應時間。