矿井瓦斯爆炸冲击载荷特性及巷道壁面损伤破坏评估模型研究

Gas explosion in coal mines can bring serious destructions on the roadway wall and underground structures. Aim to this problem, the stress field of gas explosion in roadway wall is analyzed, the analysis model of shock wave flow field is established, the flow field distribution of shock wave of gas explosion in roadway is studied, and the dynamic disaster characteristics are deeply analyzed. The different materials are installed on the inner wall of ducts to carry out experimental study on impact damage characteristics of gas explosion under different conditions. A model of overpressure shock in roadway is established under the action of sudden explosion. The reflection, stack effect and attenuation variation law of shock wave of gas explosion in different roadways are studied by LS-DYNA software. The attenuation formula of shock wave of gas explosion in roadway is deduced. The damage form and failure characteristics of the roadway structure by the impact of gas explosion are explored, a calculation model for the damage of coal and rock mass in roadway is established, and the damage range of coal and rock mass is obtained. By means of analysis on characteristic parameters, the possible damage modes of roadway wall under different explosion impact are obtained. A numerical model for evaluating the damage of the roadway wall under the impact of gas explosion is established, and the numerical simulation results are compared with results of the field test of gas explosion in the mine. The research results can provide theoretical basis and technical guidance for disaster prevention and control of gas explosion in coal mine, accident investigation of gas explosion, disaster assessment and so on.

针对瓦斯爆炸对巷道壁面及构筑物带来严重破坏等问题，本项目拟对瓦斯爆炸巷道壁面应力场进行分析，建立冲击波流场分析模型并研究巷道瓦斯爆炸冲击波流场分布规律，深入分析动力灾害特性，最后建立一个突发爆炸作用下的巷道超压冲击模型。在管道内壁安装不同抗爆强度材料进行不同工况时的管内瓦斯爆炸冲击破坏特性实验研究。采用LS-DYNA研究不同巷道内瓦斯爆炸冲击波的反射、叠加效应、衰减变化规律等，获取瓦斯爆炸与巷道壁面流固耦合作用。探讨瓦斯爆炸冲击作用对巷道结构的破坏形式和破坏特点，建立巷道煤岩体损伤的计算模型，获取煤岩体损伤范围。通过特征参数分析等，获取不同爆炸冲击作用下巷道壁面可能的损伤破坏模式，建立瓦斯爆炸冲击作用下巷道壁面损伤破坏评估模型，并通过煤矿瓦斯爆炸事故现场的测定结果验证该模型的适用性和有效性。研究成果将为煤矿瓦斯爆炸灾害防治、瓦斯爆炸事故调查、灾害评估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，本项目开展了矿井瓦斯爆炸冲击载荷特性及巷道壁面损伤破坏评估模型研究，建立了巷道瓦斯爆炸冲击波流场分析模型并研究巷道瓦斯爆炸冲击波流场分布规律。深入分析了矿井瓦斯爆炸动力灾害特性。实验研究了管内瓦斯爆炸对抗爆门结构的冲击破坏特性，并数值模拟了巷道内贴不同强度抗爆材料时巷道壁面破坏特性，进而探讨了巷道围岩体强度、爆炸强度等对爆炸冲击作用下巷道壁面煤岩体破坏的影响。在研究瓦斯爆炸过程的能量释放和作用特性的基础上，建立了一个突发爆炸作用下的巷道超压冲击数值模型。数值研究了巷道内瓦斯爆炸冲击衰减变化规律及巷道壁面结构的冲击作用规律，分析了巷道壁面因素、爆源位置、爆炸能量等对巷道壁面瓦斯爆炸冲击作用的影响，拟合了巷道瓦斯爆炸冲击波超压衰减公式，与国内外以往爆炸试验结果进行了对比，并进行了修正完善。探讨了瓦斯爆炸冲击作用对巷道结构的破坏形式和破坏特点，分析了巷道地应力和瓦斯爆炸冲击共同作用下的巷道壁面煤岩体的损伤。根据瓦斯爆炸冲击和煤岩体损伤变量确定了煤岩体损伤的形成和发展过程。通过特征参数分析，进一步研究了巷道壁面在瓦斯爆炸冲击作用下损伤破坏的关键影响因素，获取了不同爆炸冲击作用下巷道壁面可能的损伤破坏模式。在此基础上，建立了瓦斯爆炸冲击作用下巷道壁面损伤破坏评估数值模型，并通过矿井瓦斯爆炸事故调查的现场测定结果和数值模拟结果验证了该模型的适用性和有效性。研究成果对煤矿瓦斯爆炸灾害防治和天然气输送具有十分重要的现实意义，同时研究成果对矿井瓦斯爆炸源、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。项目资助发表学术期刊论文11篇、发表会议论文5篇 (SCI检索3篇，EI检索4篇)，授权专利1项，参与国内外学术会议20人次，培养研究生4名及其相关人才。