煤礦井下非金屬風筒靜電安全性綜合防治技術

孔令剛

(1.中煤科工集團重慶研究院,重慶市沙坪壩區,400037; 2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶市沙坪壩區,400037)

煤礦井下非金屬風筒靜電安全性綜合防治技術

孔令剛1,2

(1.中煤科工集團重慶研究院,重慶市沙坪壩區,400037; 2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶市沙坪壩區,400037)

為了保障煤礦井下非金屬風筒靜電的安全性,分析了風筒靜電事故發生的原因。提出了控制掘進巷道內瓦斯的濃度;降低局部通風速度、巷道內粉塵濃度和環境溫度,以減少靜電荷的產生;選用阻燃抗靜電風筒,風筒須接地,增加巷道內空氣的濕度,必要時安裝專用管道靜電消除器,促使靜電荷泄漏;監測風筒的靜電表面電位,防止其靜電電位超過安全界限;安設隔、抑爆裝置等綜合防治技術。

非金屬風筒 靜電安全性 靜電防治 瓦斯濃度 爆炸界限

非金屬風筒因具有質輕、耐腐蝕、高強度、易加工等優點,在煤礦井下局部通風中已得到廣泛使用。目前,煤礦井下使用的非金屬風筒按材料分有橡膠涂覆布風筒、塑料涂覆布風筒、橡塑涂覆布風筒、環氧塑料風筒、聚氨酯復合材料風筒等。同時,非金屬風筒具有易燃燒、易產生靜電的特點,在煤礦井下使用存在著引起瓦斯煤塵爆炸的不安全隱患。

自非金屬風筒用作煤礦掘進通風設備以來,鶴崗礦務局新一礦、四川省綦江縣一鄉鎮煤礦、北票礦務局、豐城礦務局、雞西礦務局、淮南礦務局、華蓉山礦務局等發生了多起因使用非阻燃抗靜電風筒而引起的瓦斯爆炸事故,給煤礦生產造成了嚴重損失和影響。

因此,有必要分析煤礦井下非金屬風筒發生靜電事故的原因,并采取可靠的防治技術,確保煤礦井下局部通風的安全。

1 風筒靜電事故發生的原因

1.1 風筒使用環境瓦斯濃度處于爆炸界限內

風筒主要應用在煤礦井下掘進巷道,由于選用風筒規格不科學、安裝不規范或管理不善,經常使掘進巷道中瓦斯濃度處于爆炸界限內。另外,在長距離單巷掘進通風中還存在超長距離局部供風、通風距離長、風筒漏風量大,致使掘進工作面有效風量經常不足;通風距離長,風筒通風阻力大,通風機出口風量不能保證;通風機產生的風壓較高,存在風筒脫節甚至被撕裂的危險問題。

1.2 風筒表面存在產生、積聚靜電的條件

煤礦井下使用非金屬風筒進行掘進通風過程中,巷道及風筒內均形成高速風流,風流中含有粉塵或煤塵,含塵高速風流與風筒壁摩擦,使風筒表面產生大量的靜電電荷。目前煤礦井下使用的風筒均未很好地接地,風筒表面產生的靜電荷由于風筒與地面絕緣導致靜電荷不容易釋放而積聚。

1.3 風筒系統存在靜電放電的條件

(1)在帶電電位較高的靜電非導體與導體間較易發生刷形放電。煤礦井下是采用金屬掛鉤將風筒吊掛于巷道壁的金屬支架上,由于金屬掛鉤與風筒及金屬支架間連接固定不好,在通風過程中經常產生晃動,在此處易產生放電現象。

(2)電荷的運動趨向于管線尖端,達到一定時間,特別是尖端周圍有連接大地的導體材料,尖端與物體之間形成很高的電壓,電壓達到一定值,即可在尖端形成急劇放電和電弧現象。掘進通風管路彎頭處相當于風筒的尖端,同時介質在此處形成渦流,電荷更易在此集中,造成放電現象。

2 風筒靜電安全性綜合防治技術

發生靜電引起燃燒或爆炸事故必須具備存在爆炸性混合物,靜電荷的產生、積聚、發生放電現象并達到爆炸性混合物的最小引燃能量這3個條件。理論上,如果消除這3個條件中的1個就可以防止災害的發生,但在煤礦井下掘進通風過程中,很難做到絕對消除這3個條件中的1個,因此,應采取綜合性的靜電防治技術,以確保煤礦井下風筒系統的安全性。

2.1 嚴格控制掘進巷道內瓦斯的濃度

將掘進巷道內瓦斯濃度控制在1%以下,可消除其爆炸的危險性。風筒出口風量的大小直接關系到工作面瓦斯濃度的高低,因此,煤礦應采用大直徑、通風性能良好的風筒和通風機組成局部通風系統;改進風筒接頭的連接方式,提高局部通風的有效風量率;提高風筒懸掛質量,對拐彎地段采用鋼圈風筒,避免拐死彎以降低通風阻力;加強局部通風系統的管理,經常檢查風筒和局部通風機,保障風筒接頭連接良好,無刮破、漏風情況,保障局部通風機不停機;對于瓦斯涌出量大、用通風方法解決瓦斯問題不合理的掘進工作面應先采取瓦斯抽放措施,并連續監測工作面瓦斯濃度,使巷道內瓦斯濃度低于1%。

2.2 減少靜電荷的產生

(1)降低局部通風的速度。由于靜電的發生源是物體之間的摩擦或分離作用,因此要盡可能抑制這些作用。日本對非抗靜電塑料風筒的風速、粉塵含量與產生靜電的關系的試驗研究表明,風筒內風速越大,其風筒表面產生的靜電電壓和靜電能量越大。因此,采用控制流速的方法可以實現減少靜電荷產生的目的。根據《煤礦安全規程》,掘進中的煤巷和半煤巷中風流速度應控制在0.25～4 m/s,掘進中的巖巷中風流速度應控制在0.15～4 m/s。

(2)安設除、降塵裝置,降低巷道內粉塵濃度。日本對非抗靜電塑料風筒的風速、粉塵含量與產生靜電的關系的試驗研究表明,風筒內含塵量越高,其風筒表面產生的靜電電壓和靜電能量越大。因此,安設除、降塵裝置,防止粉塵進入風筒內或存積在風筒表面可以減少粉塵與風筒壁的摩擦而產生靜電荷。

(3)降低環境溫度。環境溫度越高越容易放電。因為溫度越高,電子和離子的動能越大,就更容易發生電離,使物體產生靜電。因此,應盡量降低風筒所處巷道內的溫度。

2.3 促使靜電荷的泄漏

(1)選用阻燃抗靜電風筒及部件。物體表面電阻的大小,決定了物體表面泄漏電荷的能力。當表面電阻小于109Ω時,在接地良好的情況下,其消失速度與積累速度相近,這樣就不會有大量電荷的積累。阻燃抗靜電風筒在絕緣材料中添加石墨、乙炔炭黑、鋅粉或鋁粉、抗靜電劑等導電率較高的物質,具有較低的電阻率,表面電阻小于等于3× 108Ω能防止電荷在風筒表面大量積聚。因此,應選用阻燃抗靜電風筒、阻燃抗靜電連接部件及阻燃抗靜電輔助風筒組成風筒系統。

(2)接地。將風筒表面積累的靜電荷迅速地泄放入地,其靜電電位很快下降到零,靜電危險即消除。因此,采用接地是達到消除靜電危險的主要方法。具體做法為風筒出口端圈處接入地底線;風筒主管路每隔200 m接入一根地底線;必要時可在風筒的中央順其走向加設兩端接地的金屬線,以降低風筒內靜電電位。

(3)增加巷道內空氣的濕度。增加巷道內空氣的濕度到50%以上,一方面,氣流中水分子增多,使氣流與風筒壁的摩擦減弱,可以減少靜電荷的產生;另一方面,風筒表面會形成薄薄的水膜,其表面電阻會降低,風筒表面導電性增強。另外,根據材料的性質,還會產生內部吸濕,使材料整體的導電性能升高,加速靜電荷的泄漏。

(4)必要時,安裝專用的管道靜電消除器。

2.4 監測靜電表面電位的安全性

采用儀器對靜電事故前兆參數進行監測,可以及時預警并排除靜電事故隱患。對靜電安全性可以監測的主要參數包括表面電位、靜電電量、靜電非導體絕緣電阻等。根據GB 12158－2006《防止靜電事故通用導則》規定的靜電危害的安全界限,固體靜電非導體的不引燃放電安全電位對于最小點燃能量大于0.2 mJ的可燃氣是15 k V。煤礦井下風筒采用監測靜電表面電位最便于操作。因此,可以對風筒的靜電表面電位進行監測,以防止其靜電電位超過安全界限。

2.5 安設隔、抑爆裝置

在巷道內安設隔、抑爆裝置,當風筒因靜電預防失效發生靜電放電引起巷道內瓦斯爆炸時,隔、抑爆裝置可以迅速將爆炸過程中的火焰阻斷或撲滅,抑制爆炸火焰的傳播,將巷道內瓦斯爆炸控制在一定范圍內,防止事故的擴大。

[1] 王銅源,王啟強.高分子聚合物在煤礦生產中的應用與發展[J].技術與創新管理,2011(1)

[2] 金小漢.煤礦瓦斯爆炸的火花誘因分析與應對措施[J].礦業安全與環保,2008(5)

[3] 張銳.一起因風筒與電纜摩擦產生靜電引起的瓦斯爆炸事故[J].工業安全與防塵,1992(10)

[4] 張軍.大直徑風筒在掘進工作面的應用[J].煤炭技術,2007(7)

[5] 王文才,喬旺.長距離局部通風技術的發展現狀與趨勢[J].煤炭科學技術,2012(1)

[6] 金小漢.煤礦用聚合物制品安全性能評價方法的探討[J].礦業安全與環保,2008(2)

[7] 康淑云,孔晉華.以人為本,嚴防煤礦瓦斯爆炸[J].中國煤炭,2009(4)

[8] 譚國慶,周心權等.近年來我國重大和特別重大瓦斯爆炸事故的新特點[J].中國煤炭,2009(4)

[9] 李伍.瓦斯抽放主管路防靜電的研究及防范措施[J].中國石油和化工標準與質量,2013(1)

[10] 郅富標.煤礦井下靜電的危害及防治對策[J].北京工業職業技術學院學報,2004(3)

[11] 徐啟麟,崔應涓等.煤礦靜電與瓦斯煤塵燃爆事故[J].煤礦安全,1998(7)

(責任編輯 張艷華)

Comprehensive control on electrostatic safety of underground nonmetallic air duct

Kong Linggang1,2
(1．China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Shapingba,Chongqing 400037,China; 2．National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting,Preventing and Emergency Controlling, Shapingba,Chongqing 400037,China)

In order to guarantee the electrostatic safety in underground nonmetallic air duct, the reasons for electrostatic accidents related with air duct were analyzed and the control on the gas concentration in the driving roadway was put forward．To slow down the local ventilation,to decrease the dust concentration in the roadway and to lower the environmental temperature can reduce the generation of static charges．In order to promote the leakage of static charges,the flame retardant and antistatic air duct should be chosen and be connected with ground,the air humidity should be increased,and a dedicated pipeline static eliminator should be installed when it is necessary．Moreover,the superficial electrostatic potential of air duct should be monitored in order to prevent the electrostatic potential exceeding safety limits．At the set,explosion suppression device,a comprehensive prevention and control technology．

nonmetallic air duct,electrostatic safety,electrostatic prevention,gas concentration,explosion limit

TD724

A

孔令剛(1969－),男,四川大竹人,學士,高級工程師,主要從事煤礦安全檢測技術的研究工作。