煤矿瓦斯爆炸热动力冲击破坏及损伤演化特性研究

To solve the roadway wall surface’s serious damage and large loss brought from the gas explosion during the underground production in coal mine and low-density gas transport, the gas explosion thermal chock vibration equation of roadway wall surface are established and the thermal chock stress of roadway wall surface by pulse load action without the heat conduction also are calculated. On the basis of ANSYS/LS-DYNA, the thermal chock response finite element model of roadway wall surface is established and the transient thermal dynamic stress is calculated. The decoupling mathematical model of roadway wall surface by gas explosion chock load is established, the gas explosion flow field, the thermal chock load characteristics and its distribution law of gas explosion are numerically simulated. The structure damage forms and characteristics of gas explosion thermal shock are discussed, thermal shock effects are tested and the model's applicability and effectiveness are verified through the duct experiment and similar material simulation experiment. The basic characteristic parameters and energy distribution of shock wave damage process are disclosed. The effect relation between size effect and propagation parameters is obtained. The destruction law and damage evolution characteristics of gas explosion process are disclosed. The effect of roadway parameters on interactions between explosion wave and roadway wall surface are studied. The new failure criterion of destruction degree by gas explosion shock load action is established. The study results can offer theoretical basis and technology instruction for the gas explosion disaster prevention, low concentration gas transmission and gas explosion accident investigation.

围绕煤矿井下瓦斯爆炸会对巷道壁面及构筑物产生严重破坏、带来巨大损失这一难题，本项目建立瓦斯爆炸巷道壁面热冲击震动方程、瓦斯爆炸巷道热动力冲击作用有限元模型及其解耦数学模型并数值分析瓦斯爆炸巷道壁面热冲击作用特性及其分布规律、瓦斯爆炸流场及其与巷道壁面耦合作用，探讨瓦斯爆炸热冲击作用对巷道结构的破坏形式和破坏特点，通过管道实验和相似材料模拟实验测定热冲击效应并验证该数学模型的适用性和有效性。揭示冲击波破坏过程的基本特征参数、能量分布特征与介质损伤的关系。实验探求瓦斯爆炸及其传播过程的尺度效应对瓦斯爆炸传播参数的影响关系，揭示瓦斯爆炸过程热动力冲击破坏规律及损伤演化特性。深入研究巷道参数对冲击波与巷道壁面相互作用的影响，建立判定瓦斯爆炸作用下巷道壁面破坏程度的新破坏准则。研究成果将为煤矿瓦斯爆炸灾害防治、低浓度瓦斯输送和瓦斯爆炸事故调查的爆炸源爆炸强度的确定、物证分析等提供理论依据和技术指导。

针对煤矿井下瓦斯爆炸会对巷道壁面及构筑物产生严重破坏、带来巨大损失，本项目开展了煤矿瓦斯爆炸热动力冲击破坏及损伤演化特性研究，建立了瓦斯爆炸冲击作用下巷道壁面关于瓦斯爆炸冲击应力-位移的冲击作用方程。基于ANSYS/LS-DYNA软件，建立了瓦斯爆炸巷道热冲击作用的有限元模型，并数值分析了在爆炸冲击载荷作用下瓦斯爆炸巷道中的热动应力，模拟了瓦斯爆炸沿径向上瞬态温度场分布，同时数值模拟和实验研究了导热系数对管道瓦斯爆炸冲击作用的影响。建立了瓦斯爆炸巷道热动力冲击作用的解耦数学模型并数值分析瓦斯爆炸巷道壁面热冲击作用特性及其分布规律、瓦斯爆炸流场及其与巷道壁面耦合作用。实验研究了瓦斯爆炸冲击对风门结构的破坏作用，并探讨了瓦斯爆炸热冲击作用对风门结构的破坏形式和破坏特点，最后对五种不同厚度的风门受到的瓦斯爆炸冲击破坏过程进行了数值模拟。探明了与瓦斯爆炸冲击波作用过程相关联的巷道壁面损伤破坏机理，实验研究和数值模拟了不同管径不同爆炸强度对瓦斯爆炸冲击作用的影响，揭示了瓦斯爆炸冲击波破坏过程的基本特征参数、能量分布特征与巷道壁面损伤的关系，并探求了瓦斯爆炸及其传播过程的尺度效应对爆炸传播的影响关系，揭示了瓦斯爆炸过程冲击破坏规律及损伤演化特性。分析了巷道参数对冲击波与巷道壁面相互作用的影响，提出了一种判定瓦斯爆炸冲击作用下巷道壁面破坏程度的破坏准则，数值模拟了巷道壁面在瓦斯爆炸冲击作用下的动力过程和损伤破坏特征，拟合了判定瓦斯爆炸冲击作用下巷道壁面破坏程度的P-I曲线，并提出了简化数值分析方法。研究成果对煤矿瓦斯爆炸灾害防治和低浓度瓦斯输送具有十分重要的现实意义，同时研究成果对煤矿井下瓦斯爆炸源、爆炸强度的确定和瓦斯爆炸事故调查能提供理论指导和技术依据、对丰富和完善瓦斯爆炸理论也将起到积极的促进作用。项目资助出版学术专著1部，发表学术论文26篇，获授权专利3项，研究成果获湖南省自然科学三等奖。