李鳳琴，郭軍杰，張建國(guó)

(河南工程學(xué)院 安全工程系，河南 鄭州 451191)

礦業(yè)在中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中占有重要地位，而煤炭工業(yè)在全國(guó)礦業(yè)中舉足輕重.煤炭在我國(guó)一次能源結(jié)構(gòu)中占70%左右，是影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)穩(wěn)定的重要因素.目前，我國(guó)已探明的煤炭?jī)?chǔ)量為9 000億噸[1],如按最近幾年的開(kāi)采強(qiáng)度，可持續(xù)開(kāi)采600年.因此，無(wú)論是現(xiàn)在還是將來(lái)，煤炭都是我國(guó)的主要能源之一，煤炭工業(yè)都是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，安全高效地開(kāi)采煤炭是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的大事.

近年來(lái),隨著礦井采深的增加,瓦斯突出、礦井突水、煤礦火災(zāi)、巷道失穩(wěn)、沖擊地壓等對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的威脅日益嚴(yán)重,這些不僅給人民群眾造成了巨大的痛苦，而且使國(guó)家財(cái)產(chǎn)遭受了巨大損失[2].為了解決這些困難，國(guó)際上研發(fā)了一項(xiàng)能夠在三維空間實(shí)時(shí)定位的微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它可以長(zhǎng)期、連續(xù)、動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)巖層的破裂與移動(dòng)情況，為煤礦安全的監(jiān)測(cè)提供了一種新型實(shí)用技術(shù).

以往對(duì)地下微地震事件的監(jiān)測(cè)通常在地面進(jìn)行，監(jiān)測(cè)儀器只能安裝在地面，這樣會(huì)降低監(jiān)測(cè)的精度、靈敏度和可靠性.如果將用于地面監(jiān)測(cè)的儀器直接放到井下，又不符合煤礦的安全要求.為適應(yīng)井下微地震監(jiān)測(cè)的要求，我國(guó)研制了專(zhuān)用的煤礦井下微地震監(jiān)測(cè)儀,而實(shí)現(xiàn)煤礦井下微地震監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是設(shè)計(jì)儀器防爆機(jī)箱.防爆機(jī)箱采用2個(gè)腔設(shè)計(jì)，放置微地震監(jiān)測(cè)儀的空腔是主隔爆腔，由于要引入電纜、電源等，所以還要設(shè)計(jì)一個(gè)接線(xiàn)腔.對(duì)于微地震監(jiān)測(cè)儀防爆機(jī)箱來(lái)說(shuō)，壁厚、腔蓋厚度、主腔平面接合面長(zhǎng)度與間隙確定、緊固螺栓的計(jì)算選型等都是防爆方面涉及的主要參數(shù)和非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，本文就對(duì)此進(jìn)行分析與論述.

1 壁厚設(shè)計(jì)的計(jì)算

根據(jù)公式(1)來(lái)設(shè)計(jì)壁厚：

(1)

根據(jù)經(jīng)濟(jì)合理的角度，厚度取為4 mm為宜.

2 主腔平面接合面長(zhǎng)度與間隙的確定

圖1 接合面寬度與最小有效長(zhǎng)度Fig.1 The width of joint face and minimum effective length

根據(jù)Ⅰ類(lèi)外殼隔爆接合面的最小寬度和最大間隙表(見(jiàn)表1)[4]和前面計(jì)算的外殼體積V=120 000 cm3，因?yàn)轶w積遠(yuǎn)大于表1中的體積，所以選擇L≥25比較合理.由此，可以得出接合面邊緣至螺孔邊緣的最小有效長(zhǎng)度l≥9 mm，如圖1所示.其中，L表示接合面最小有效長(zhǎng)度；l表示接合面邊緣至螺孔邊緣的最小有效長(zhǎng)度.

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，距離l的最小值應(yīng)符合下列規(guī)定：

當(dāng)L<12.5 mm時(shí)，l≥6 mm；

當(dāng)12.5 mm≤L<25 mm時(shí)，l≥8 mm；

當(dāng)L≥25 mm時(shí)，l≥9 mm.

接合微地震監(jiān)測(cè)儀的防爆外殼放置到井下，從重量方面考慮，設(shè)計(jì)時(shí)選擇L=25 mm.由于微地震監(jiān)測(cè)儀在正常工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫，再加上井下環(huán)境的溫度，高溫會(huì)導(dǎo)致最大試驗(yàn)安全間隙變小，需要采用接合面間隙較大的外殼，所以最大安全間隙W=0.5 mm較為合理.

表1 Ⅰ類(lèi)外殼隔爆接合面的最小寬度和最大間隙Tab.1 The minimum width and maximum gap of flameproof joint faces forⅠtype

3 接線(xiàn)腔平蓋厚度的計(jì)算

根據(jù)公式

(2)

4 主腔平蓋厚度的計(jì)算

同樣,根據(jù)公式(2)

(3)

式(3)中：Kj表示平蓋特殊系數(shù)為0.25；ZP表示非圓筒形平蓋的形狀系數(shù)為1.25,

5 主腔蓋緊固螺栓的計(jì)算

主腔用平面接合面制成I類(lèi)隔爆結(jié)構(gòu)，用平面法蘭.一般平面法蘭緊固螺栓之間的距離應(yīng)為110～120 mm，對(duì)于主腔蓋長(zhǎng)×寬為600 mm×500 mm，螺栓個(gè)數(shù)定位24個(gè)，所以螺栓大小(見(jiàn)圖1)用以下公式計(jì)算：

(4)

式(4)中：P表示設(shè)計(jì)壓力為11.24 kg/cm2；F表示承受爆炸壓力的有效面積為540 mm×440 mm=237 600 mm2；Qz表示爆炸時(shí)螺栓所承受的總壓力(kg)；Q0表示爆炸時(shí)每個(gè)螺栓所承受的壓力(kg)；X表示螺栓個(gè)數(shù)為24.

若平面法蘭連接,則Q=1.3×Q0

表2 螺栓直徑與軸向載荷Tab.2 Screw bolt diameter and axial direction loading

所以,Q=1.3×Q0=1.3×1 112.76≈1 447 kg<1 480 kg(因?yàn)椴馁|(zhì)選用的Q235A即A3鋼)，選擇螺栓名義直徑d=12 mm.

對(duì)于接線(xiàn)腔也用平面法蘭，所以螺栓也選擇同樣的尺寸，但是由于接線(xiàn)腔法蘭蓋比主腔法蘭蓋的面積小，所以螺栓個(gè)數(shù)比主腔少.

圖2 四邊剛性固定矩形薄板Fig.2 Rectangle thin slab of rigid fixing for four corners

注意：I類(lèi)外殼上的緊固件還應(yīng)符合GB 3836.1-2000中特殊緊固件的要求.

6 強(qiáng)度校核

通過(guò)前面一些工作，設(shè)計(jì)已經(jīng)基本上完成，下面通過(guò)計(jì)算對(duì)它進(jìn)行強(qiáng)度校核以確定設(shè)計(jì)是否合格.目前關(guān)于強(qiáng)度校核尚無(wú)統(tǒng)一的方法，本文根據(jù)彈性力學(xué)的有關(guān)結(jié)論和材料力學(xué)的超靜定解法，結(jié)合別人的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，用公式(5)進(jìn)行校核，其中最大應(yīng)力點(diǎn)位于矩形長(zhǎng)邊中點(diǎn)，參見(jiàn)圖2.

校核應(yīng)力公式

(5)

表3 系數(shù)與長(zhǎng)度和寬度之比的關(guān)系Tab.3 The connection of coefficient and length/width

式(5)中：σmax表示最大彎曲正應(yīng)力(MPa)；P表示壓力為11.24 kg/cm2；b表示板寬；a表示板長(zhǎng)；t表示板厚為4 mm；α表示常數(shù)，與矩形的長(zhǎng)和寬有關(guān)，見(jiàn)表3.

已知材料Q235A的許用應(yīng)力為375～460 MPa，對(duì)于防爆箱體來(lái)說(shuō)，有4個(gè)側(cè)面、1個(gè)底面和1個(gè)法蘭蓋，所以應(yīng)分別進(jìn)行校核.

6.1 側(cè)面

6.2 側(cè)面

6.3 防爆箱底面

6.4 主腔法蘭蓋

從強(qiáng)度校核的結(jié)果來(lái)看，設(shè)計(jì)的防爆箱體符合標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求，可以用于煤礦井下.

7 結(jié)語(yǔ)

微地震定位監(jiān)測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，能夠反映煤礦巷道圍巖應(yīng)力、應(yīng)變、開(kāi)裂、失穩(wěn)及破壞等一系列的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了在3D空間巖層運(yùn)動(dòng)和破壞規(guī)律的全方位描述.設(shè)計(jì)防爆外殼使其能夠承受通過(guò)外殼任何接合面或結(jié)構(gòu)間隙滲透到外殼內(nèi)部的可燃性混合物在內(nèi)部發(fā)生爆炸而不損壞，并且不會(huì)引起外部由一種或多種氣體或蒸氣形成的爆炸性環(huán)境的點(diǎn)燃，從而達(dá)到煤礦安全生產(chǎn)的要求.

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊連勇.電氣設(shè)備防火與防爆問(wèn)題的探討[J].石油化工安全技術(shù)，2004，20(3):17-19.

[2] 孫本安，邢輝.防爆電氣產(chǎn)品設(shè)計(jì)中幾個(gè)問(wèn)題的探討[J].電氣開(kāi)關(guān), 2000(3):22-25.

[3] 秦愛(ài)義. 選用防爆電氣設(shè)備的某些謬誤[J].防爆電機(jī), 2000，9(3):29-30.

[4] 葉笑洋，徐光遠(yuǎn)，何早紅.我國(guó)煤礦機(jī)械防爆電氣現(xiàn)狀及合理選用[J].煤礦機(jī)械, 2001(7):4-6.