井下微地震监测仪防爆机箱主要参数的计算与分析

李凤琴，郭军杰，张建国

(河南工程学院 安全工程系，河南 郑州 451191)

矿业在中国国民经济的发展中占有重要地位，而煤炭工业在全国矿业中举足轻重.煤炭在我国一次能源结构中占70%左右，是影响我国经济和社会稳定的重要因素.目前，我国已探明的煤炭储量为9 000亿吨[1],如按最近几年的开采强度，可持续开采600年.因此，无论是现在还是将来，煤炭都是我国的主要能源之一，煤炭工业都是我国的支柱产业，安全高效地开采煤炭是关系到国计民生的大事.

近年来,随着矿井采深的增加,瓦斯突出、矿井突水、煤矿火灾、巷道失稳、冲击地压等对煤矿安全生产的威胁日益严重,这些不仅给人民群众造成了巨大的痛苦，而且使国家财产遭受了巨大损失[2].为了解决这些困难，国际上研发了一项能够在三维空间实时定位的微地震监测系统，它可以长期、连续、动态地监测岩层的破裂与移动情况，为煤矿安全的监测提供了一种新型实用技术.

以往对地下微地震事件的监测通常在地面进行，监测仪器只能安装在地面，这样会降低监测的精度、灵敏度和可靠性.如果将用于地面监测的仪器直接放到井下，又不符合煤矿的安全要求.为适应井下微地震监测的要求，我国研制了专用的煤矿井下微地震监测仪,而实现煤矿井下微地震监测的关键环节是设计仪器防爆机箱.防爆机箱采用2个腔设计，放置微地震监测仪的空腔是主隔爆腔，由于要引入电缆、电源等，所以还要设计一个接线腔.对于微地震监测仪防爆机箱来说，壁厚、腔盖厚度、主腔平面接合面长度与间隙确定、紧固螺栓的计算选型等都是防爆方面涉及的主要参数和非常关键的环节，本文就对此进行分析与论述.

1 壁厚设计的计算

根据公式(1)来设计壁厚：

(1)

根据经济合理的角度，厚度取为4 mm为宜.

2 主腔平面接合面长度与间隙的确定

图1 接合面宽度与最小有效长度Fig.1 The width of joint face and minimum effective length

根据Ⅰ类外壳隔爆接合面的最小宽度和最大间隙表(见表1)[4]和前面计算的外壳体积V=120 000 cm3，因为体积远大于表1中的体积，所以选择L≥25比较合理.由此，可以得出接合面边缘至螺孔边缘的最小有效长度l≥9 mm，如图1所示.其中，L表示接合面最小有效长度；l表示接合面边缘至螺孔边缘的最小有效长度.

根据标准，距离l的最小值应符合下列规定：

当L<12.5 mm时，l≥6 mm；

当12.5 mm≤L<25 mm时，l≥8 mm；

当L≥25 mm时，l≥9 mm.

接合微地震监测仪的防爆外壳放置到井下，从重量方面考虑，设计时选择L=25 mm.由于微地震监测仪在正常工作时会产生高温，再加上井下环境的温度，高温会导致最大试验安全间隙变小，需要采用接合面间隙较大的外壳，所以最大安全间隙W=0.5 mm较为合理.

表1 Ⅰ类外壳隔爆接合面的最小宽度和最大间隙Tab.1 The minimum width and maximum gap of flameproof joint faces forⅠtype

3 接线腔平盖厚度的计算

根据公式

(2)

4 主腔平盖厚度的计算

同样,根据公式(2)

(3)

式(3)中：Kj表示平盖特殊系数为0.25；ZP表示非圆筒形平盖的形状系数为1.25,

5 主腔盖紧固螺栓的计算

主腔用平面接合面制成I类隔爆结构，用平面法兰.一般平面法兰紧固螺栓之间的距离应为110～120 mm，对于主腔盖长×宽为600 mm×500 mm，螺栓个数定位24个，所以螺栓大小(见图1)用以下公式计算：

(4)

式(4)中：P表示设计压力为11.24 kg/cm2；F表示承受爆炸压力的有效面积为540 mm×440 mm=237 600 mm2；Qz表示爆炸时螺栓所承受的总压力(kg)；Q0表示爆炸时每个螺栓所承受的压力(kg)；X表示螺栓个数为24.

若平面法兰连接,则Q=1.3×Q0

表2 螺栓直径与轴向载荷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(因为材质选用的Q235A即A3钢)，选择螺栓名义直径d=12 mm.

对于接线腔也用平面法兰，所以螺栓也选择同样的尺寸，但是由于接线腔法兰盖比主腔法兰盖的面积小，所以螺栓个数比主腔少.

图2 四边刚性固定矩形薄板Fig.2 Rectangle thin slab of rigid fixing for four corners

注意：I类外壳上的紧固件还应符合GB 3836.1-2000中特殊紧固件的要求.

6 强度校核

通过前面一些工作，设计已经基本上完成，下面通过计算对它进行强度校核以确定设计是否合格.目前关于强度校核尚无统一的方法，本文根据弹性力学的有关结论和材料力学的超静定解法，结合别人的实践经验，用公式(5)进行校核，其中最大应力点位于矩形长边中点，参见图2.

校核应力公式

(5)

表3 系数与长度和宽度之比的关系Tab.3 The connection of coefficient and length/width

式(5)中：σmax表示最大弯曲正应力(MPa)；P表示压力为11.24 kg/cm2；b表示板宽；a表示板长；t表示板厚为4 mm；α表示常数，与矩形的长和宽有关，见表3.

已知材料Q235A的许用应力为375～460 MPa，对于防爆箱体来说，有4个侧面、1个底面和1个法兰盖，所以应分别进行校核.

6.1 侧面

6.2 侧面

6.3 防爆箱底面

6.4 主腔法兰盖

从强度校核的结果来看，设计的防爆箱体符合标准所规定的要求，可以用于煤矿井下.

7 结语

微地震定位监测技术是一项新技术，能够反映煤矿巷道围岩应力、应变、开裂、失稳及破坏等一系列的动态演变过程，实现了在3D空间岩层运动和破坏规律的全方位描述.设计防爆外壳使其能够承受通过外壳任何接合面或结构间隙渗透到外壳内部的可燃性混合物在内部发生爆炸而不损坏，并且不会引起外部由一种或多种气体或蒸气形成的爆炸性环境的点燃，从而达到煤矿安全生产的要求.

参考文献：

[1] 杨连勇.电气设备防火与防爆问题的探讨[J].石油化工安全技术，2004，20(3):17-19.

[2] 孙本安，邢辉.防爆电气产品设计中几个问题的探讨[J].电气开关, 2000(3):22-25.

[3] 秦爱义. 选用防爆电气设备的某些谬误[J].防爆电机, 2000，9(3):29-30.

[4] 叶笑洋，徐光远，何早红.我国煤矿机械防爆电气现状及合理选用[J].煤矿机械, 2001(7):4-6.