矿用可移动式救生舱抗瓦斯煤尘爆炸冲击有限元分析报告

KJYF96/12矿用可移动式救生舱抗瓦斯煤

尘爆炸冲击有限元分析报告

爆炸科学与技术国家重点实验室

北京理工大学

二〇一一年八月

i 目 录

1前言 ................................................................................................................ 1

1.1 矿用救生舱概述 .................................................................................... 1

1.2 矿用救生舱有限元分析目的 ................................................................ 2

2数值模拟方法与工具概述 ............................................................................ 3

2.1 有限元理论介绍 .................................................................................... 3

2.2 ANSYS/LS-DYNA介绍 ........................................................................ 4

2.2.1 ANSYS/LS-DYNA功能特点及其应用领域 ................................ 5

2.2.2 ANSYS/LS-DYNA的分析流程 .................................................... 5

2.2.3 ANSYS/LS-DYNA中三种算法 .................................................... 6

3 KJYF96/12矿用可移动式救生舱三维有限元模型的建立 ........................ 8

3.1 KJYF96/12矿用可移动式救生舱几何模型的建立 ............................. 8

3.2 在ANSYS/LS-DYAN中有限元模型的建立 .................................... 12

4 爆炸冲击波对KJYF96/12矿用可移动式救生舱作用的有限元分析 .... 13

4.1 单元选取、单位制及材料定义 .......................................................... 13

4.2 网格处理 .............................................................................................. 15

4.3 定义PART ........................................................................................... 17

4.4 边界条件及加载 .................................................................................. 17

4.4.1 边界条件 ...................................................................................... 17

4.4.2 加载 .............................................................................................. 18

4.5 求解及求解控制 .................................................................................. 19

4.5.1 求解基本参数设定 ...................................................................... 19

ii 4.5.2 求解设置及求解 .......................................................................... 20

5 模拟结果分析 ............................................................................................. 21

5.1 后处理器 .............................................................................................. 21

5.2 应力及位移结果分析 .......................................................................... 21

5.3 模型及仿真结果的有效性验证结论 .................................................. 56

6 结论 ............................................................................................................. 57

参考文献 ......................................................................................................... 58

编制人：

时 间：

爆炸科学与技术国家重点实验室

1 KJYF96/12矿用可移动式救生舱抗瓦斯煤尘爆炸

冲击有限元分析报告

1前言

1.1 矿用救生舱概述

煤炭一直在我国能源消费结构中占主导地位。近年来，我国每年煤炭总

产量都维持在30亿吨左右，产量占世界煤炭总产量的40%左右。而我国煤炭

生产行业安全形势却相当严峻，2006年全国煤矿事故造成人员死亡4746人；

2007年死亡3786人；2008死亡3215人；2009年死亡2700人[1]。虽然煤矿

事故伤亡数字逐年减少，但仍然是南非、美国等矿业发达国家的数十倍，给

国家和人民带来了巨大的损失。

在煤矿瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出、透水、冒顶等事故中，根据救援

和事故调查经验，事故发生第一现场，因爆炸、坍塌等伤害立刻遇难的人员

仅占事故总死亡人数的很少部分，而大约超过80％遇险矿工的遇难是由于爆

炸后其附近区域氧气耗尽、充满高温烟气或高浓度有毒有害气体、逃生路线

因爆炸坍塌、透水等原因阻断，而无法及时撤离到安全区域或升井而造成的

[2]。近两年发生的几起煤矿特别重大事故也充分证明了上述现象。2009年2

月22日，山西焦煤集团西山煤电屯兰煤矿南翼采区发生瓦斯爆炸事故，却造

成北翼大量作业人员被困高浓度一氧化碳区域导致伤亡[3]。2010年3月28

日，华晋焦煤公司王家岭煤矿发生特别重大透水事故，有矿工被困井下达8

天之久[4]。如果上述矿井装备了矿用救生舱类避险设施，就能够避免大多数

人员的伤亡。

因此，通过矿用救生舱等装备为井下事故后被困的幸存人员提供躲避爆

炸冲击、有毒有毒害气体环境及其它伤害的避险空间，已经成为矿山应急救

援的一种新思路。矿用救生舱内部能在一定时间内提供维持生命所必需的氧

气、水、食物，能够监测空间内外环境状况，去除人体代谢产生及外界引入

的有毒有害气体，控制温湿度，保证空间内部适宜避险人员生存，延长其生

存时间；对外能通过通讯设备进行联系、协助救援工作展开，等待救援人员

到达。这对于提高煤矿井下紧急避险能力，减少事故伤亡，促进煤矿安全生爆炸科学与技术国家重点实验室

2 产具有十分重要的意义[5]。

为了强力推进煤矿企业提升安全保障能力，党中央国务院、国家安全生

产监督管理总局下发了《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》

（国发〔2010〕23号）文件，明确要求“强制推行紧急避险系统、监测监控系

统、井下人员定位系统、压风自救系统、供水施救系统和通信联络系统等技

术装备，并于3年之内完成。”2011年1月27日，国家煤矿安监局下发了《煤

矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》，要求所有井工煤矿应按照规定要

求建设完善煤矿井下紧急避险系统，并对包括救生舱在内的煤矿井下紧急避

险系统的设计、建设、使用做出详细规定。“六大系统”建成后，既能在平时

保障安全生产，又能在发生险情时构成煤矿井下安全避险的主要系统，对维

护矿井作业人员的生命安全与健康、保障煤矿安全生产具有重要的意义。

1.2 矿用救生舱有限元分析目的

瓦斯爆炸、煤尘爆炸产生的强大的爆炸冲击波会使救生舱和避难硐室板

壳结构发生一定程度的塑性变形，甚至发生倾倒和扭曲，破坏严重时将失去

保护作用。要保证矿用救生舱应有的保护功能，必须保证其结构在爆炸冲击

波作用下结构不会发生破坏。

本研究报告以南京韩威南冷制冷集团有限公司研发的KJYF96/12矿用可

移动式救生舱为分析对象，采用有限元分析方法，分析矿用救生舱结构在不

同爆炸冲击波作用下产生的应力及变形，找出最大应力出现位置、最大变形

出现位置，等效塑性应变分布，判断矿用救生舱结构是否受到破坏，校验矿

用救生舱在爆炸载荷作用下的安全性和可靠性。