冲击载荷作用下密闭体能量转换与耗散特性

摘要

煤矿井下发生火灾后，巷道内高温和气体积聚环境极易引发次生爆炸灾害，通过灾区内快速密闭能够有效控制灾情发展。为研究密闭体的抗冲击强度，采用可视管道式气体爆炸试验系统，分别开展7vol.%、9.5vol.%和10.5vol.%甲烷体积浓度下密闭体囊壁材料爆炸冲击试验，分析囊壁材料的吸能特性；利用落锤冲击试验系统，研究20,30,40 cm和50 cm冲击高度下密闭体的动态响应过程，分析密闭体的能量转换与耗散特性。结果表明：当甲烷气体浓度为7vol.%时，放置囊壁材料后爆炸超压减小了0.206 MPa, 88.70%的冲击能量通过囊壁材料与外界空气对流换热以热能形式耗散，能量耗散率为127.58 J/s;随着甲烷浓度的增大，冲击能量通过囊壁材料形变吸收的比例增大；当落锤冲击高度为50 cm时，密闭体受到冲击荷载为54.6 kN,通过壁材形变和气体压缩吸收了64.62%的冲击能量，其中51.39%的吸收能量通过囊壁材料恢复形变、气体膨胀做功释放；随着冲击高度的增大，冲击荷载逐渐增大，能量耗散量与能量耗散率均上升。冲击过程中冲击能量通过囊壁材料形变、压缩气体转换为密闭体囊壁材料的弹性势能与气体内能，通过等温压缩过程的气体散热和阻尼效应转为热能耗散。研究可为煤矿井下灾害区域快速密闭技术提供理论支撑。

关键词

矿井密闭 / 爆炸冲击 / 缓冲吸能 / 能量耗散