课题3：风井防爆门快速复位技术与装备

建立风井防爆门协同防灾减灾理论，构建井下爆炸灾变时期风井防爆门的泄压-复位-锁扣-密封的技术装备体系，课题1灾变风流演化机制研究成果可为课题3风井与通风设施爆炸冲击力学响应特性研究提供通风工况模型，同时本课题中防爆门开启、复位过程通风特性研究成果又为课题1的控风机制研究提供控风模型。作为智能通风装备体系的重要环节，本课题可为课题5风网解算提供节点参数，同时接收响应智能决策平台推送的指令。本课题研发的新型风井防爆门，最终可为课题6矿山现场的智能通风调控试验示范提供关键技术及装备支持。

1）研究目标

开展风井防爆门动态力学响应及协同防灾减灾机制理论研究，突破有效泄压、快速复位及自动锁扣关键技术，研制具有高抗冲击、可靠性强的新型防爆门装备，实现多次快速复位功能，抵御井下多次连续爆炸对通风系统的严重威胁，从而减小灾害波及范围，最大限度降低伤亡人数，杜绝事故扩大化并提高矿井抗灾能力。

研制的风井防爆门装备抗冲击强度大于0.8MPa，具有3次以上泄压及复位功能，复位时间小于50s；申报发明专利6项，制修订国家/行业技术标准（送审稿）1项，发表相关论文20篇（其中SCI、EI论文6篇），培养博士研究生3人，硕士研究生10人。

2）主要研究内容

本课题总体研究思路与技术路线如图5所示。为实现结构合理、泄压与复位性能优异的风井防爆门系统，本课题通过实验测试，分析发生爆炸后风井巷道内爆炸冲击波传播、叠加、聚升与衰减特性，及防爆门主体部件应力变化规律，获得爆炸冲击波荷载作用下，防爆门主体结构动态力学响应和泄压原理；对防爆门的结构、开启泄压结构、快速复位、锁扣密封结构、电控系统及整体可靠性进行分析与优化研究，研制新型的防护构件和防爆泄压系统；通过数值实验，获得不同爆炸当量下风井防爆门开启速度、压力衰减效果和结构变形程度等参数，研究风井防爆门泄压、复位与锁扣技术；根据试验、理论与模拟研究结果，对风井防爆门防灾减灾技术进行系统集成，实现风井防爆门停风开启、供风关闭、爆炸时迅速开启泄压防灾和自动复位减灾的功能，形成具有井下爆炸多灾变时期有效泄压、快速复位和自动锁扣特性的新型矿用风井防爆门。拟开展的重点研究内容如下：

（1）风井防爆门与风机协同防灾减灾机制研究

开展风井防爆门性能及事故过程结构、部件功能失效特性研究，提出风井防爆门整体设计方案；考虑主通风机工况分别建立正常负压通风、风机损坏及反风时期防爆门压力响应模型，研究协同条件下防爆门和风机对冲击波的响应特性，确定爆炸灾变时期风井防爆门开启临界压力；分析不同结构风井防爆门开启泄压过程中主要通风机、防爆门对爆炸冲击波响应特性，确定开启需要最短时间，优化风井防爆门结构及开启方式；形成防爆门与通风机协同防灾减灾方法。

（2）防爆门结构动态力学响应特性与快速泄压复位技术

建立风井防爆门爆炸实验平台，开展不同爆炸当量冲击波在风井巷道内传播、叠加、聚升和衰减特性实验；分析在不同冲击波作用下防爆门泄压结构的应力变化规律；研究各种工况下防爆门动态力学响应特征，仿真防爆门泄压结构的损伤、变形和破坏过程，确定风井防爆门结构部件失效阈值，研发防爆门抗冲击强化材料与力学结构；优化防爆门泄压方式与复位方法，开发自反馈快速移动控制系统，研制新型智能化覆盖式自动复位防爆门。

（3）同步变配重防爆门优化设计与自动连续复位可靠性研究

研究极端工况下风井防爆门开启过程中动态力学载荷变化规律，分析防爆门结构极限位置冲击受力、变形及损伤特性；研究不同环境、管理模式下的防爆门结构腐蚀受损规律，确定腐蚀富裕设计依据；建立防爆门重力-强度多目标优化方法，研发关键部位缓冲与分布式加强筋优化结构，研制新型同步变配重风井防爆门；模拟事故时期防爆门复位过程，建立动态配重-力响应模型，研究复位时间规律，提出同步复位变配重优化方法；建立FMECA-HoR可靠性分析模型辨识风井防爆门多次复位过程中潜在故障，分析故障模式之间相关性及危害度权重，研究可靠性技术改造方法，实现风井防爆门快速多次有效复位。

（4）自动锁扣密封技术与一体化智能防爆门系统集成

研究风井防爆门正、负压工况下密封构件的压缩变形过程、压缩反力、接触应力特性，结合防爆门结构设计密封结构与材料，分析密封构件的压缩率、老化性能和密封效果；研究防爆门整体结构多次泄压复位后的定时锁扣技术，分析不同工况下防爆门整体结构锁扣密封性能；集成泄压、复位、锁扣、自动控制关键功能部件，形成主-备一体化、联调联动式智能风井防爆门装备体系，实现有效抗冲击、快速多次复位和自动锁扣功能；建立新型防爆门装备系统开启、复位过程再现模型，分析各种工况条件防爆门系统动态冲击特性及复位时间；开展现场全尺寸工业性试验，测试不同爆炸当量下风井防爆门开启速度、压力衰减效果、防爆门变形程度及快速复位效能，综合分析一体化智能防爆门装备调节与全矿风网智能调控协作机制。

图5课题3研究技术路线图

3）拟解决的重大科学问题或关键技术

在井下发生爆炸灾害过程中，造成人员伤亡的主要两方面原因：一是爆炸的冲击波致死；二是瓦斯爆炸带来大量有毒有害气体导致人员中毒窒息。因而，发生事故后的通风排毒显得尤为重要；而目前不少井下爆炸事故发生后，在爆炸冲击波作用下矿井防爆门发生严重变形或被抛出，防爆门无法快速恢复或功能失效，导致通风系统风流短路，井下有毒气体无法有效排出而诱发爆炸破坏面广、灾难波及面扩大、伤亡人数增加和事故进一步升级。因而井下发生瓦斯爆炸后，如何最大限度发挥防爆门的防灾减灾作用，为井下遇险人员的撤退和抢险救灾提供有利条件。为此本课题拟解决的重大科学问题或关键技术：

（1）重大科学问题：全工况风井防爆门动态力学响应与防爆门-主通风机协同防灾减灾机制；

（2）关键技术问题：风井防爆门自动泄压、快速复位、锁扣密封及自动控制关键功能部件；高抗冲击减重防爆门结构优化设计与力反馈同步变配重快速复位控制技术；覆盖式自动快速复位备用防爆门关键控制技术。

（3）关键装备：研发主-备一体化智能风井防爆门关键装备体系，形成全矿风网智能联调联动关键节点，集成泄压、复位、锁扣密封、自动控制关键功能部件，实现有效抗冲击、快速多次复位、自动锁扣及智能控制功能。

4）考核指标及评测手段/方法

（1）开发风井防爆门快速复位技术及装备，以形成测试报告验收为准。

（2）制订行业技术标准1项，以是否送审进行考核。

（3）在国内外重要期刊发表论文20篇或以上（其中被SCI/EI收录6篇以上），以接受发表的数量进行考核。

（4）完成风井防爆门快速复位技术与装备研究报告1部。

（5）培养博士生3名，考核方式是开题或毕业；培养硕士生10名，考核方式是毕业或转博。

5）参加单位任务分工

本课题参加单位共计4个。牵头单位是河南理工大学，重庆大学、合肥工业大学、中国矿业大学是共同承担单位。具体分工如下：

河南理工大学负责课题的总体设计、技术路线拟定、进度与质量的总体把控，同时承担任务1风井防爆门结构与抗压强度、防爆门与通风机协同防灾减灾理论。

重庆大学主要承担任务2风井防爆门动态力学响应特性与备用防爆门快速的研究。

合肥工业大学主要承担任务3风井防爆门结构优化与自动快速复位及可靠性方面的研究。

中国矿业大学与河南理工大学共同承担任务4风井防爆门的锁扣密封技术研究与一体化防爆门系统集成测试。