HS煤礦用主動抑爆防火技術的試驗研究＊

馬 驪 Louis 李素麗 鄔劍明 白云龍 王俊峰

(1.晉城澤泰安全評價中心,山西省晉城市,048000;2.山西蘭花漢斯瓦斯抑爆設備有限公司,山西省晉城市,048000;3.太原理工大學礦業工程學院,山西省太原市,030024)

HS煤礦用主動抑爆防火技術的試驗研究＊

馬 驪1,2Louis2李素麗2鄔劍明3白云龍3王俊峰3

(1.晉城澤泰安全評價中心,山西省晉城市,048000;2.山西蘭花漢斯瓦斯抑爆設備有限公司,山西省晉城市,048000;3.太原理工大學礦業工程學院,山西省太原市,030024)

通過對HS主動抑爆防火系統的主動抑爆響應時間、噴粉抑爆時間及管道爆炸模擬試驗研究,表明該系統在爆炸時的火焰鋒面還處在正常燃燒速度范圍內,能及時噴出抑爆介質(氮氣和磷酸銨鹽),撲滅火焰,抑制災害擴大,系統反應速度快,具有較好抑爆效果。

煤礦防滅火 HS主動抑爆技術 瓦斯爆炸

煤礦井下瓦斯、煤塵爆炸主要是連續爆炸形式,極大的增加了事故的災難性和劇烈程度。為了減輕災害程度,我國《煤礦安全規程》規定,在高瓦斯礦井、有煤塵爆炸危險煤層的礦井中,井下相關地點安設隔絕、抑制爆炸的設施。

目前,我國較多的煤礦采取隔(抑)爆技術措施,主要是在巷道設置水棚、巖粉棚等設施,其作用原理是借助于已形成的爆炸沖擊波或爆風的沖擊力,使隔爆設施動作(傾倒或擊碎),將消焰劑(巖粉、水等)彌撒于巷道空間,阻隔爆炸火焰的傳播,實現隔絕瓦斯、煤塵連續爆炸的目的。但這種系統是被動的抑爆防火系統。主動式的瓦斯、煤塵抑爆系統一直以來都是國內外重點研究技術南非HS主動抑爆防火系統首次將傳統的煤礦被動隔爆轉變為主動抑爆,在南非等國家的部分煤礦進行了推廣使用,起到了一定的抑爆效果。

1 HS主動抑爆防火技術

HS主動抑爆防火系統是由南非漢默斯·斯帕思(HelmuthSpath簡稱:HS)研發的一種主動抑爆防火系統。它的原理為:當煤礦某個地點發生瓦斯(煤塵)爆炸(燃燒)時,主動抑爆防火系統能在最短時間內,通過設備上的火焰傳感器探測到礦井中的瓦斯(煤塵)爆炸(燃燒),并將信號轉變為數據進行內部傳輸;控制盒校驗輸入數據后自動發出指令啟動高壓容器,將高壓容器中的抑爆物質在極短時間內釋放,形成物理屏障,撲滅火焰,減少受災范圍,降低有害氣體的產生,保障煤礦井下工作人員的人身安全和煤礦財產安全。主動抑爆防火系統原理及構造見圖1和圖2。

2 HS主動抑爆防火系統試驗

為了深入研究瓦斯、煤塵爆炸過程中火焰傳播速度,證實HS礦井主動抑爆防火系統的抑爆防火作用,2009年9月,山西蘭花漢斯瓦斯抑爆設備有限公司在南非科勞珀斯堡斯(Kloppersbos)爆炸研究中心試驗場地,多次進行?2.5m管道瓦斯、煤塵爆炸及抑爆試驗。

2.1 抑爆設備響應時間試驗

抑爆設備響應時間為從火焰傳感器發現火源信號起到控制盒發出指令啟動高壓容器之間的時間。測定抑爆設備響應時間的試驗方法如圖3所示,使用示波器分別接收火焰傳感器發現火源信號、控制盒發出指令啟動高壓容器信號,示波器可以將電信號變換、并在屏面上描繪出被測信號的瞬時值變化曲線,計算出兩種信號的時間間隔。利用示波器觀察出信號幅度隨時間變化的波形曲線見圖4。

由圖4可知,第1條曲線為火焰傳感器信號曲線,在x1處發現火源信號;第2條曲線為控制盒發出指令信號曲線,在x2處接收到指令信號。當接收信號發生變化時,兩條波形均發生較明顯的變化。通過比較,從火焰傳感器發現火源信號,到控制盒發出指令啟動高壓容器信號的響應時間為|x1-x2|=975.6μs(<1ms)。

2.2 抑爆設備噴粉抑爆時間試驗

用木板搭建成一端封閉、一端開口,高2.5 m,寬2.5m,長5.0m的模擬巷道空間?？臻g后部某個斷面放置抑爆設備,并使排放噴嘴處于該斷面的中央。抑爆設備前點燃瓦斯,起動抑爆設備進行噴粉試驗,并用高速攝影儀(每秒可拍攝畫面1000～1500楨)進行拍攝。拍攝后,通過慢鏡頭回放,計算出從裝置噴粉至達到各種面積斷面物理屏障的具體時間。圖5為噴粉試驗中毫秒級別捕捉的試驗畫面。

試驗后,通過對拍攝影像回放,從起動噴粉、達到直徑2.5m圓形斷面和達到2.5m矩形斷面的物理屏障具體時間見表1。

圖5 噴粉試驗圖

從設備起動開始噴粉;到形成直徑2.5m圓形斷面的物理屏障為134ms;形成2.5m矩形斷面的物理屏障為192ms。通過計算,設備橫向噴粉速度在15～20m/s之間。

表1 噴粉時間試驗數據表ms

2.3 管道爆炸模擬試驗

2.3.1 管道爆炸試驗裝置

利用南非科勞珀斯堡斯(Kloppersbos)試驗場地的瓦斯、煤塵爆炸試驗管道,該管道為鋼制,長200m,直徑2.5m。爆炸試驗管道見圖6,爆炸試驗管道結構見圖7。

圖6 爆炸試驗管道

如圖7所示,管道A端封閉,B端開口,在距A端一定距離的C點(分別選在7.5m或14m的位置)敷設塑料薄膜,形成封閉的37m3和70 m3氣室。氣室充入瓦斯,充分攪拌均勻,形成瓦斯濃度為9%左右的爆炸性混合氣體,距A端1m的地點安裝電子點火裝置。距A端1m、3m、5m、7m、9m、11m、16m、21m、26m、31m、36m、41m、51m、61m、71m、81m的位置分別安裝火焰傳感器,用來采集爆炸后各點火焰傳播數據,數據通過傳輸至數據采集設備。在進行抑爆試驗時,根據需要分別在距A端5m、7m或12m的位置放置抑爆設備(距點火源4m、6m或11m的位置)。

圖7 爆炸試驗管道結構圖

2.3.2 管道爆炸試驗數據

瓦斯爆炸時,最初著火(爆炸)產生以一定速度運行的火焰鋒面,同時產生壓力很高的沖擊波。爆炸前存在于巷道中的以及沖擊波作用后產生的爆炸性混合氣體均被火焰鋒面引燃?；鹧驿h面是沿巷道運動的化學反應帶和燒熱的氣體,它的傳播速度為1～2.5m/s(正常燃燒速度)至2500m/s(爆轟速度),一般為500～700m/s?；鹧娴膫鞑ニ俣扰c瓦斯量和濃度有關。

在管道的試驗中,分別進行10次各種試驗條件下的瓦斯未抑爆、抑爆試驗,其中3次為未抑爆試驗,7次為抑爆試驗,且在各次抑爆試驗中,均有效的進行爆炸火焰攔截抑爆。試驗數據見表2,數據分析如下。

(1)以試驗4為例,密封塑料薄膜設在14m的位置,形成70m3瓦斯爆炸氣室,點火位置、抑爆設備安裝位置分別距管道封閉端1m、5m。進行管道瓦斯點火爆炸試驗后,從1m位置傳感器發現火源信號開始(0s),5m位置傳感器發現火源信號時間為0.283s,7m及以后位置的傳感器未發現火源信號。

比較表1、表2中的數據可以看出:從發現瓦斯燃燒開始,到設備起動形成直徑2.5m圓形斷面的物理屏障為止的時間為t動=134ms;火焰鋒面傳播至設備位置(5m)的時間為t火=283ms。物理屏障形成時間小于火焰鋒面傳播時間,抑爆成功。

(2)在部分抑爆試驗中,抑爆設備安裝位置后仍然發現火源,如試驗7,抑爆設備安裝在7m位置,試驗時9m位置仍發現火源,11m位置才未發現火源,這是由于爆炸后氣體體積膨脹將物理屏障整體向后推動的原因(見圖8)。

表2 200m管道中瓦斯爆炸未抑爆、抑爆試驗各傳感器發現火源時間

續表:

圖8 管道爆炸分區圖

3 結論

(1)試驗研究表明,南非HS主動抑爆防火系統的響應時間小于1ms,抑爆設備橫向噴粉速度在15～20m/s之間。在管道爆炸模擬的試驗中,分別進行10次各種試驗條件下的瓦斯未抑爆、抑爆試驗,其中3次為未抑爆試驗,7次為抑爆試驗,且在各次抑爆試驗中,均有效的進行爆炸火焰攔截抑爆。

(2)HS主動抑爆防火系統抑爆核心技術,是在瓦斯爆炸時的火焰鋒面還處在正常燃燒速度時及時噴出抑爆介質(氮氣和磷酸銨鹽),撲滅火焰,抑制災害擴大,具有反應速度快,抑爆效果好的優點。

[1]于不凡等.煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊[M].北京:煤炭工業出版社,2000

[2]馬驪,李躍忠,喻晟.關于HS礦井阻燃抑爆系統在我國煤礦應用的探討[J].中國安全生產科學技術,2009(1)

[3]費國云.瓦斯爆炸沿巷道傳播特性探討[J].煤礦安全,1996(2)

[4]牛德文.HS煤礦主動抑爆系統的推廣使用問題探討[J].煤炭科學技術,2009(37)

[5]張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術.北京.煤炭工業出版社,2001(2007.4重印)

An experimental research on HS f ireproof ing technology based on active explosion inhibition in coal mine

Ma Li1 ,2，Louis2，Li Suli2，Wu J ianming3，Bai Yunlong3，Wang J unfeng3
( 1. Jincheng Zetai Safety Evaluation Center，Jincheng，Shanxi province 048000，China ;2. Shanxi Lanhua Hans Gas Flameproof Equipment Ltd.，Jincheng，Shanxi province 048000，China ;3. School of Mining Engineering，Taiyuan Politechnic University，Taiyuan，Shanxi province 030024，China)

An simulating experimental research has been undertaken on t he responding timeof active explosion inhibition，t he explosion inhibition time by powder spraying and pipe explosionof fireproofing system based on HS active explosion inhibition technology. It is shown t hatt he flame f ront of t his system is still in t he normal combustion speed range and this system sprayst he explosion inhibition media ( nit rogen gas and ammonium p ho sp hate ) in a timely manner todistinguish t he flame and get the disaster under cont rol when the explosion out bur st s. This systemis feat ured by fast response and good fire inhibition.

Fire protection and distinguishing in coal mines，HS active explosion inhibitiontechnology，gas explosion

TD753

A

國家科技部國際合作重點項目2007DFA60810

馬驪(1974-),男,工程師,山西陽城人,主要從事煤礦安全生產方面的教學、科研及技術管理工作。

(責任編輯 梁子榮)