基于ZFM4/48 型區域自動噴粉滅火裝置的煤礦抑爆系統設計

衛穎婕

（大同煤礦集團機電裝備科工安全儀器有限責任公司， 山西 大同 037000）

引言

煤層內部通常會包含有大量瓦斯，所以在煤礦開采過程中，工作面會涌出很多瓦斯氣體。瓦斯屬于易燃易爆氣體，當礦井內的瓦斯濃度達到一定程度時，如果再遇上明火或者由于機械摩擦、電路短路等產生的火花時，就非常容易引起火災，甚至爆炸[1-4]。礦井內出現火災就會產生大量的有毒有害的煙霧氣體，對于小范圍的火災如果不及時進行撲滅，必然會引發更大范圍的火災，對礦井造成非常嚴重的經濟損失和人員傷亡。為了能夠在第一時間發現礦井內部的火苗并對其進行撲滅，煤礦科研人員設計研究了礦井滅火抑爆系統[5]。但類似的安全系統在我國并不是非常普及，因此有必要對其進行深入的分析和研究，以提升系統的性能，推廣其應用范圍[6]。

1 煤礦抑爆系統總體結構的設計

如圖1 所示為煤礦抑爆系統的總體結構設計示意圖。從圖中可以看出，整個煤礦抑爆系統是由多個部分構成的，主要包括區域自動噴粉滅火裝置、礦用本質安全型控制器和電源、煙霧傳感器和火焰傳感器、聲音和燈光報警裝置等。通過煙霧傳感器和火焰傳感器可以實時檢測礦井內部的煙霧和火焰情況，以判定礦井的安全狀態。

2 抑爆系統主要硬件設施

圖1 煤礦抑爆系統的總體結構設計示意圖

1）區域自動噴粉滅火裝置。本系統中采用的區域自動噴粉滅火裝置的型號為ZFM4/48，主要由高壓抑爆劑存儲罐以及閥門開啟裝置構成，高壓抑爆劑存儲罐的作用是存儲滅火干粉，閥門開啟裝置的作用是一旦系統檢測到礦井內存在火苗或煙霧時，會下達控制指令開啟閥門，將存儲罐的閥門開啟后存儲罐內的滅火干粉會自動噴出，將區域內的火苗撲滅。開啟高壓抑爆劑存儲罐的基本原理是通過電子觸發器對封膜片進行擊破處理，根據相關測驗結果，閥門可以在2 ms 內快速打開。可以看出，區域自動噴粉滅火裝置的反應時間非常短，能夠在非常短的時間內將粉末噴出進行滅火。

2）煙霧傳感器和火焰傳感器。第一，系統中選用的煙霧傳感器型號為KGN1，該型號煙霧傳感器為本安型傳感器，主要針對煤礦進行設計，在煤礦井下有廣泛應用。其正常的工作環境為：空氣相對濕度不超過95%，空氣溫度在-20～40 ℃范圍內，周圍不存在非常顯著的振動和沖擊。煙霧傳感器需要通過12.5～18 V 的直流電源進行供電，當空氣中的煙霧濃度在0.1 mg/m3時，該型號傳感器可以在15 s 內檢測到煙霧的存在；第二，選用的火焰傳感器型號為GHZ5，同樣為本安型傳感器，可以在礦井復雜的工作環境下使用。通過火焰傳感器能夠快速、準確地檢測火焰相關信息，并將其轉換成為數字量信號輸入到控制器中進行分析和處理。該型號傳感器具有探測范圍廣、反應靈敏、準確率高、性能穩定等諸多優勢，在煤礦領域應用廣泛。需要通過5 V 直流電壓對其進行供電，工作電流不超過70 mA，對于5 m 范圍內燭光的火焰能夠在5 ms 時間內檢測到。

3）PLC 控制器。傳感器檢測得到的數據信息，需要傳輸到PLC 控制器中進行處理，以判斷是否超過安全范圍值?？梢钥闯鯬LC 控制器是整個煤礦抑爆系統的關鍵和核心，性能的優劣會對整個抑爆系統運行的穩定性和可靠性產生重要影響。結合煤礦實際情況，最終選用的是西門子公司設計制造的S7-1200 型PLC 控制器。該信號傳感器具有結構緊湊、性能優異的優勢，能夠在1 ms 時間內完成檢測數據信號與安全范圍閾值的對比分析工作?？梢钥闯?，該型號控制器的應用可以縮短抑爆系統的整體響應時間。

4）供電電源。本系統在工作時煙霧傳感器、火焰傳感器和PLC 控制器都需要電源對其進行供電，電源取自于礦用電壓，為交流127 V。但上述裝置都要求本安型直流電壓對其進行供電，且不同裝置要求的電壓大小存在差異。所以需要通過本安型電壓轉換設備將礦用127 V 交流電壓轉換成為各裝置需要的本安型直流電壓。另一方面，為了確保抑爆系統的穩定運行，還配備了備用電源。目的在于如果礦井電源無法正常供電時，可以在6 ms 時間內將供電電源切換到備用電源中，對煤礦抑爆系統進行供電。雙電源設計能夠在很大程度上提升系統運行的可靠性。

3 煤礦抑爆系統的基本工作流程

如圖2 所示為煤礦抑爆系統的基本工作流程圖。系統啟動運行后，首先是進行初始化處理，作用是對各裝置的設置參數進行歸零，同時檢測各裝置是否能正常工作。進行初始化處理確保一切正常后，煙霧傳感器和火焰傳感器啟動工作，對礦井內部環境的煙霧和火焰情況進行實時檢測。檢測得到的數據信息通過A/D 轉換器轉換成為數字量信號，輸入到PLC 控制器中進行對比分析。經過PLC 控制器處理后，只要煙霧指標和火焰指標中的其中一個指標超過了系統設定的安全范圍閾值?？刂破骶蜁逻_控制質量，控制滅火裝置的閥門開啟裝置，進而將高壓抑爆劑存儲罐開啟，內部存儲的滅火干粉大量噴出進行滅火。另一方面，系統還會下達指令控制聲音和燈光報警裝置，以發出聲音警告和燈光警告，提示井下相關工作人員進行處理。

圖2 煤礦抑爆系統的基本工作流程圖

以上就是煤礦抑爆系統的基本工作流程，可以看出，整個流程比較簡單，可以縮短系統的響應時間，提升系統的可靠性。設計的抑爆系統完全實現了自動化處理，不需要安排專人進行看守，能夠快速撲滅礦井中出現的火苗，確保礦井安全。

4 煤礦抑爆系統應用效果試驗研究

4.1 試驗過程介紹

為了對設計的煤礦抑爆系統的應用效果進行檢驗，搭建了一個煤礦硐室模型，硐室模型的規格尺寸盡量按照煤礦實際尺寸來執行，其長度、寬度和高度分別為4 m、4 m 和3.5 m。在硐室模型中布置本文設計的煤礦抑爆系統，并在硐室空間模型中隨機布置5 個火源，火源在工作時能夠噴出火焰和煙霧?；谏鲜龃罱ǖ哪Ｐ烷_展試驗工作，整個試驗過程通過高速工業攝像機進行拍攝，然后基于拍攝錄像來分析系統的運行情況。試驗開始時，5 個火源同時冒出火焰和煙霧，系統啟動工作撲滅火焰。共進行了兩次試驗，以下對相關試驗結果進行介紹和分析。

4.2 試驗結果分析

對實驗過程的錄像進行分析后發現，在兩次實驗過程中，煤礦抑爆系統的煙霧傳感器、火苗傳感器全部正常工作，快速檢測到了煙霧和火焰。抑爆系統快速反應，啟動區域滅火裝置，將5 處火苗全部撲滅，并且后續0.5 h 內沒有出現火苗復燃的現象。進一步統計分析了系統的響應時間，發現兩次實驗中系統的響應時間均沒有超過1 s，即在火苗點燃1 s時間內，滅火裝置就啟動工作，噴灑滅火干粉將火苗撲滅。

基于以上實驗結果可以看出，設計的煤礦抑爆系統能夠有效工作，快速檢測火苗和煙霧，并將火苗撲滅，后續不再出現復燃的現象。將該系統應用到工程實踐中，能夠顯著提升礦井的安全性，避免礦井內部出現大面積的火災甚至爆炸的情況。

5 結論

經過相關試驗工作發現，基于區域自動滅火裝置的煤礦抑爆系統，能夠對區域內的火苗和煙霧情況進行自動檢測，一旦發現火苗和煙霧超過安全范圍閾值，系統就會啟動滅火裝置，及時將火苗撲滅，確保煤礦安全。說明設計的煤礦抑爆系統能夠有效檢測并撲滅火苗，應用效果非常好。