煤礦井下自動隔爆裝置工作原理與應(yīng)用

劉 璽

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

瓦斯爆炸與煤塵爆炸作為礦井的重大災(zāi)害事故，一旦發(fā)生將會給煤礦企業(yè)帶來巨大的災(zāi)難，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失[1-2]。煤礦隔爆技術(shù)是預(yù)防瓦斯、煤塵爆炸的三道防線之一，也是最后一道防線，因此，通過設(shè)置井下自動隔爆裝置成為有效抑制煤塵瓦斯爆炸，降低爆炸災(zāi)害損失的重要途徑[3]。

傳統(tǒng)的隔爆裝置存在隔爆效果差，失效情形多，裝置維護工作量大以及安裝移動困難等問題[4-6]。自動隔爆裝置采用新型滅火介質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水、巖粉等，隔爆的穩(wěn)定性得到增強；同時配置沖擊波接收板，以沖擊波作為自動隔爆裝置的高速啟動信號，達到超前隔爆效果；此外，煤礦自動隔爆裝置以純機械設(shè)計，摒棄電器類元件，在降低人工維護成本、增強裝置安裝靈活性的同時，提升了自動隔爆裝置自身的安全性。

1 隔爆技術(shù)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外對自動隔爆技術(shù)研究較為成熟的國家有俄羅斯、德國、英國、南非等國家。其中南非研制生產(chǎn)的用于瓦斯抑爆的HS型抑爆系統(tǒng)[7]技術(shù)含量高，以其主動檢測、高速啟動、自動滅火的特性來抑制瓦斯和煤塵爆炸的擴散，比同類型產(chǎn)品反應(yīng)更加迅速靈敏、噴發(fā)更加有效可靠、延遲時間也進一步降低。但是，該產(chǎn)品仍然沒有解決帶電帶傳感器產(chǎn)品在井下使用的諸多弊端，由于這類裝置均帶有電氣部件或傳感器多，在井下潮濕環(huán)境條件下易于損壞，安全隱患大，維護難度大，安裝位置受限，而且造價高，結(jié)構(gòu)、安裝調(diào)試更復(fù)雜、加工精度要求更高、技術(shù)更難掌握。此外，由于電氣零部件還可能產(chǎn)生新的安全隱患，因此在煤礦井下應(yīng)用具有一定的局限性。

1.2 國內(nèi)隔爆技術(shù)

研究現(xiàn)狀：我國在煤礦隔爆技術(shù)的研究方面雖然已經(jīng)取得重要進展，但總體而言，我國煤礦隔爆技術(shù)與世界先進水平相比依然相對滯后。國內(nèi)使用的隔爆水袋，隔爆水槽等產(chǎn)品雖具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的優(yōu)勢，但隔爆效果不穩(wěn)定，隔爆失效情形多，受爆炸條件和外在因素影響嚴(yán)重，并且此類裝置需要日常維護、加水除塵、移動頻繁，從而增加了井下施工人員工作量[8]。隨著煤礦機械技術(shù)的發(fā)展，我國對自動隔爆裝置進行了更深入的研究。季曉華[9]等人針對隔爆裝置中配氣速度慢、體積大等問題設(shè)計了應(yīng)用于隔爆實驗裝置中的新型自動配氣系統(tǒng)，實現(xiàn)了高精度配置多種氣體；蔣曙光[10]利用真空吸氣原理設(shè)計真空腔體結(jié)構(gòu)，有效熄滅了瓦斯爆炸火焰，抑制了瓦斯爆炸波；趙益[11]等人針對自動隔爆技術(shù)的局限性，設(shè)計氣體反沖式固體隔爆裝置，對井下爆炸后的二次爆炸或多次爆炸發(fā)揮隔爆作用；喻健良[12]通過研究多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)對爆炸氣體的抑制作用，發(fā)現(xiàn)絲網(wǎng)的層數(shù)，絲網(wǎng)數(shù)量越多，絲徑越大，開口與體積空間率越小，對爆炸的抑制性能越好。

應(yīng)用現(xiàn)狀：目前我國煤礦使用的隔爆裝置為被動式的居多，該類型隔爆裝置在爆炸發(fā)生時，通過接受爆炸沖擊作為動力，使自身遭受破壞從而觸發(fā)裝置動作，釋放裝置內(nèi)的滅火介質(zhì)，以達到抑制爆炸的效果。但是被動隔爆裝置作為一次性的隔爆裝置，無重復(fù)使用性，對于煤塵瓦斯爆炸衍生的二次爆炸不具備隔爆功能[13]，無法為安全生產(chǎn)提供強有力保障。因此，自動隔爆裝置在煤礦的應(yīng)用成為保證煤礦與人員安全的不可或缺的技術(shù)。

2 自動隔爆裝置

2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

裝置結(jié)構(gòu)：自動隔爆裝置由主體、錨固件、推桿、懸掛裝置、沖擊波接收裝置(接收板)、礦井條件下專用緊固結(jié)構(gòu)等部分組成。同時在裝置主體內(nèi)部可存放35 kg的滅火粉。自動隔爆裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-巷道頂板；2-滅火介質(zhì)云霧；3-主體；4-錨固件；5-推桿；6-懸掛裝置；7-沖擊波接收裝置(接收板)；8-礦井條件下專用緊固結(jié)構(gòu)；9-沖擊波鋒面；10-爆炸火焰鋒面

工作原理：當(dāng)煤礦井下發(fā)生瓦斯或煤塵爆炸時，由于爆炸形成的充氣波的傳播速度大于爆炸火焰的傳播速度，爆炸沖擊波最先抵達自動隔爆裝置的接收板，接收板接收沖擊波信號后帶動推桿后移動，觸動主體內(nèi)部的鎖緊裝置，從而觸發(fā)裝置動作。在25 ms內(nèi)，使儲存在主體內(nèi)的滅火介質(zhì)迅速噴出，形成有效長度在30 m以上，濃度超過110 g/m3的滅火介質(zhì)云霧團。該云霧團可在巷道空氣中穩(wěn)定懸浮370 s以上，在爆炸火焰到達之前形成穩(wěn)定的隔爆屏障，從而抑制爆炸火焰的進一步擴散。

2.2 滅火原理

煤礦自動隔爆裝置采用超細干粉作為滅火劑是由于該類滅火劑粒徑小，流動性較強，同時具有良好的抗復(fù)燃性、彌散性和電絕緣性，并且當(dāng)超細干粉滅火劑遇到爆炸火焰時，可利用物理、化學(xué)雙重滅火機對火焰進行阻隔、熄滅。超細干粉滅火劑爆炸火焰到達之前形成隔斷保護屏障，實現(xiàn)了被保護物與空氣的隔絕，阻斷再次燃燒所需的氧氣，以物理方式防止復(fù)燃；另外，超細干粉滅火劑通過與燃燒物火焰接觸，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，能迅速奪取燃燒自由基與熱量，從而切斷燃燒鏈，實現(xiàn)對火焰的撲滅；同時超細干粉滅火劑與火焰反應(yīng)會產(chǎn)生大量的玻璃狀物質(zhì)吸附在被保護物表面形成一層隔離層，從而隔離氧氣，避免火焰復(fù)燃[14-16]。

2.3 自動隔爆裝置優(yōu)勢分析

自動隔爆裝置相對于傳統(tǒng)的隔爆水袋等裝置，在隔爆的穩(wěn)定性、滅火性能等多方面展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢，在節(jié)能降耗的同時，為煤礦的井下安全提供了更為穩(wěn)固的保障。

隔爆性能穩(wěn)定可靠：自動隔爆裝置打破了與爆炸源距離的限制，充分利用沖擊波傳播速度與火焰?zhèn)鞑サ乃俣炔钸M行超前探測，可在毫秒級的時間內(nèi)迅速啟動隔爆裝置，有效彌補了傳統(tǒng)的隔爆水袋因沖擊波和火焰?zhèn)鞑ゴ嬖跁r間差而造成的失效問題。同時，自動隔爆裝置基于自身結(jié)構(gòu)強度優(yōu)勢，在接受首次爆炸沖擊后，依舊可以正常運轉(zhuǎn)，對于二次或多次爆炸進行不間斷的抑制與阻隔，使自動隔爆裝置自身的性能得以提升。

隔爆效果明顯：自動隔爆裝置可使用90%的粒徑小于20 μm的超細干粉代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水、巖粉等作為滅火介質(zhì)，在增強噴射的有效范圍的同時，持續(xù)飄散充滿整個空間，并且隨著沖力繼續(xù)擴散增大滅火范圍，并持續(xù)阻隔，避免了保護盲區(qū)出現(xiàn)；超細干粉與爆炸火焰進行物理、化學(xué)雙重混合反應(yīng)對火焰進行熄滅，切斷火焰的傳播途徑，從而降低爆炸損失。

裝置維護工作量小：自動隔爆裝置以純機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，不配備任何電氣元件，且檢修周期較長，避免日常人工維護，大幅節(jié)約了人力、物力、財力。

裝置安裝移動靈活：自動隔爆裝置采用錨桿直接吊掛，并可安裝于架線電機車和單軌電機車巷道或一般巷道，也可安裝于傾角大于18°的傾斜巷道、不規(guī)則巷道、小段面巷道等，突破了傳統(tǒng)隔爆裝置安裝條件限制，優(yōu)化了隔爆裝置配備的靈活性，對于傳統(tǒng)的隔爆裝置難覆蓋區(qū)域提供了有力的安全保障。

適用爆炸強度范圍廣：相對于只適用于弱爆范圍的傳統(tǒng)隔爆裝置，自動隔爆裝置的適用爆炸強度得到提高，即可用于弱爆至強爆全范圍，進而消除了因爆炸強度不同而引起的傳統(tǒng)隔爆裝置的失效問題，有效確保了巷道工作人員的人身安全。

3 自動隔爆裝置的應(yīng)用

3.1 分類安裝

自動隔爆裝置的安裝符合《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定、安裝標(biāo)準(zhǔn)及要求，對于不同長度的掘進巷道，自動隔爆裝置的安裝方式與配置數(shù)量都有不同的要求與規(guī)定。

掘進巷道長度L小于30 m 時：需在與掘進巷道聯(lián)通的主巷道兩側(cè)，且距離掘進巷道60～75 m處，各自設(shè)置一個自動隔爆裝置，如圖2所示。

圖2 L<30 m時自動隔爆裝置的安裝

30 m≤L≤120 m時：在距離掘進巷道兩側(cè)60～75 m處主巷道處各自放置一個自動隔爆裝置的同時，需在掘進巷道內(nèi)且距離掘進工作面30～60 m處放置一個自動隔爆裝置，如圖3所示。

圖3 30 m≤L≤120 m時自動隔爆裝置的安裝

120 m≤L≤360 m時：在掘進巷道內(nèi)且距離掘進工作面30～60 m處放置一個自動隔爆裝置，并在距離該隔爆裝置60～240 m處放置另一個自動隔爆裝置，如圖4所示。

圖4 120 m≤L≤360 m時自動隔爆裝置的安裝

L≥600 m時：在掘進巷道內(nèi)切距離掘進工作面30～60 m處放置一個自動隔爆裝置的同時，以間距為240 m，在掘進巷道內(nèi)放置另外2個自動隔爆裝置，如圖5所示。

圖5 L≥600 m時自動隔爆裝置的安裝

3.2 實際應(yīng)用

自動隔爆裝置依據(jù)國家《煤礦安全規(guī)程》安裝標(biāo)準(zhǔn)及要求在陜西黃陵二號煤礦采、掘進工作面進行安裝應(yīng)用。該類自動隔爆裝置有效覆蓋了黃陵二號煤礦的大面積區(qū)域，經(jīng)測試，該類自動隔爆裝置接受沖擊波后可迅速啟動，正常運轉(zhuǎn)，噴射長距離、持續(xù)的超細干粉抑爆介質(zhì)，為該區(qū)域的隔爆提供了強有力的安全保障，確保了井下工作人員的人身安全，促進了黃陵二號煤礦安全生產(chǎn)工作的穩(wěn)定進行。

4 結(jié)語

煤礦自動隔爆裝置利用爆炸沖擊波與火焰?zhèn)鞑サ乃俣炔睿瑢崿F(xiàn)了超前隔爆，提高隔爆裝置的穩(wěn)定性；煤礦自動隔爆裝置在25 ms內(nèi)啟動裝置，通過噴射長度在30 m以上，濃度超過110 g/m3，懸浮時間在370 s以上的滅火介質(zhì)，有效抑制爆炸火焰的傳播，保證了煤礦工作人員的安全；煤礦自動隔爆裝置以純機械結(jié)構(gòu)打造，具有維護工作量小、安裝靈活等特點，并且適用于井下任何條件，對煤礦開展“機械化換人、自動化減人”起到了積極的推動作用。