自動隔爆技術在采掘工作面的研究與應用

于衍達 韓長海 褚 鵬

（山東省邱集煤礦有限公司，山東 齊河 251105）

1 概況

邱集煤礦主采煤層為7煤和11煤，經鑒定煤層均屬于Ⅱ類自燃煤層，煤塵爆炸指數均大于35%，具有爆炸危險性。根據邱集煤礦井下11煤巷道傾角小、頂板灰巖起伏大的情況，原有隔爆水棚安設吊掛困難，難于尋找合適空間。研究了“煤礦井下自動隔爆裝置”，根據井下現場環境條件，對原裝置壓力表及前端防護膜處加設保護罩，根據懸掛空間及頂板平整度調整起爆桿長度，以保證在符合煤礦安全標準的情況下適應現場條件，為井下作業現場安全生產起到保障作用。如圖1所示。

圖1 自動隔爆裝置設備圖

2 工作原理

2.1 工作原理及特點

裝置利用爆炸沖擊波純機械自動觸發，從裝置接收爆炸沖擊波，到將沖擊波傳遞到觸發裝置，最后到抑爆介質噴出形成有效抑爆劑云霧團等一系列動作均為純機械動作，無任何帶電元器件，不受光、波、電、磁的干擾，避免了因電器元件導致的誤動作或因停電導致設備無法動作的問題。裝置無電氣元部件，不易損壞，產品性能更加穩定可靠，也更加適合井下潮濕、復雜的生產環境。

2.2 安裝固定和工作方式

煤礦井下自動隔（抑）爆裝置采用錨桿固定的方式吊掛在巷道頂板上如圖2所示。當礦井發生瓦斯等爆炸時，接收盤（7）接收到沖擊波信號，帶動推桿（5）后移，觸動主體內觸發裝置（序號7以后的部分），從而使主體（3）內的阻燃介質噴出，形成有效長度30m以上、濃度超過110g/m3的抑爆屏障，有效彌補隔爆水袋因沖擊波（9）和火焰（10）存在時間差而造成的失效問題。通過劇烈的化學及物理反應迅速撲滅火焰，將爆炸限定在初期和一個較小的區域內，抑制了瓦斯及煤塵的次生爆炸和連鎖爆炸，最大限度地減少損失。

圖2 自動隔（抑）爆裝置固定和工作方式示意圖

3 隔爆作用效果

3.1 有效抑制有焰燃燒

作為一種鏈式反應，燃料分子在有焰燃燒過程產生的高溫下被活化，有氧條件下產生了大量的自由基或活性基因，在具有高能量的自由基傳播反應基礎上，燃燒過程不間斷持續進行。當超細干粉滅火劑釋放后，在常壓氮氣驅動下，滅火劑與火焰充分混合，滅火組分迅速捕獲燃燒中的自由基，使得燃燒反應產生的自由基消耗速度大于產生速度，由于缺乏燃燒所必須的活性自由基，燃燒鏈式反應過程即告終止，火焰迅速熄滅。

3.2 對表面燃燒強窒息作用

在井下工作面現場，超細干粉對撲滅有焰燃燒速率和效率明顯，對固體物質的表面燃燒（陰燃）滅火作用更為明顯。當超細干粉接觸到高溫燃燒物表面時，兩者會發生一系列反應，在固體表面燃燒所產生的高溫作用下，燃燒的固體周圍會被熔融并形成一個玻璃狀覆蓋層，固體表面與周圍空氣被覆蓋層隔開，將燃燒窒息（如圖3）。

圖3 自動隔爆試驗效果說明圖

3.3 有效遮隔火焰熱輻射起到冷卻被保護物的作用

滅火劑釋放時產生的高濃度粉末與火焰相結合，火焰的部分熱量被有效地分解吸收，而在分解反應過程中產生的二氧化碳、水蒸氣等副產品對燃燒區的氧濃度也具有部分稀釋作用。超細干粉滅火劑對大氣臭氧層耗減潛能值(ODP)和溫室效應潛能值(GWP)均為零，對人體皮膚和呼吸道并無副作用。滅火后殘留物無毒副作用，易清理，可廣泛適用于較多場所。

3.4 井上實驗室模擬驗證

邱集煤礦專門成立了技術試驗小組，在井上實驗室模擬制造封閉巷道，使用該裝置進行了多次試驗，試驗中用鋼化玻璃粘固制作曲線巷道模型（規格：矩形，長100m×寬2.0×高1.8m），模型巷道內安設自動隔爆裝置，并在該裝置后90m距離（曲線范圍）放置鐵籠，鐵籠內留有2到3只家鼠，然后人為制造小范圍瓦斯爆炸。現場模擬試驗證明，當出現瓦斯爆炸時自動隔爆裝置可起到明顯的抑制效果，試驗鼠均未受到傷害。

4 結論

邱集煤礦井下自動抑爆裝置的投入使用，填補了利用純機械結構抑制瓦斯、煤塵爆炸這一科技領域的空白，裝置本身無任何安全隱患，最大程度保護了井下設備和人員安全。它采用純機械控制，結構簡單，安全可靠，技術易掌握，適合煤礦復雜多變的使用環境。該裝置響應時間控制在毫秒級（14ms），并且隔爆介質有效懸浮時間長（6min）。井下自動隔爆裝置的研制成功，改變了礦井隔爆技術裝備相對滯后、產品單一的局面，解決了井下安全領域長期存在的諸多難題，為礦井阻隔爆產品的研制提供了新的思路和發展方向。