瓦斯煤塵爆炸主動快速抑爆技術研究

黃子超

(中煤科工集團重慶研究院有限公司火災爆炸防治研究分院，重慶400037)

在我國一次能源結構中，煤炭將長期是主體能源，但高瓦斯、 瓦斯突出礦井占我國煤礦總數的46%。雖然“十三五”以來，煤礦安全生產形勢好轉，但瓦斯煤塵爆炸危險并沒有得到根本解決，“十二五”和“十三五”期間，全國共發生一次性死亡10 人以上的重特大事故起數、 死亡人數都沒有明顯的下降［1］。據統計，瓦斯事故造成的死亡人數占煤礦事故死亡人數的三分之一左右，瓦斯事故起數在重特大事故中比例極高［1］。依據近年來的《全國煤礦事故分析報告》(2006 年-2013 年)，在瓦斯事故中，瓦斯爆炸事故占較大瓦斯事故起數和死亡人數的55.1%和60.7%，占重、特大瓦斯事故的73.0%和82.8%。

隔抑爆技術將爆炸控制在初始階段或一定范圍內，是控制煤礦井下瓦斯煤塵爆炸事故災害的重要技術措施。響應時間是影響隔抑爆效果的關鍵因素之一，響應時間越快，越能在短時間內形成有效隔抑爆屏障，控制爆炸災害范圍。傳統被動式隔爆設施啟動慢、隔爆介質屏障持續時間短，隔爆效果不理想。論文研究快速、主動探測爆炸火焰信息及控制技術，并快速啟動控制措施，將爆炸事故控制在初始階段，為礦井安全生產及管理提供了技術支持和安全保障。

1 煤礦井下隔抑爆技術現狀

1.1 被動式隔爆技術

隔抑爆技術按作用原理分為被動式和主動式兩大類，被動式隔爆技術是依賴爆炸產生的沖擊波動力來拋撒或掀翻消焰劑形成一定范圍的隔爆屏障，撲滅滯后于沖擊波傳播的火焰，阻止爆炸傳播。主動隔爆技術依靠對爆炸信息的超前探測，輸出控制信號快速噴撒抑制劑，在巷道空間內形成一定濃度的抑爆帶，將爆炸火焰控制在初始階段，保障井下人員和設施的安全。

煤礦控制瓦斯煤塵爆炸傳播最早使用撒布巖粉方法，但隨著采煤機械化的推廣及瓦斯治理需要，巷道通風量及風速增大，撒布巖粉技術措施會造成粉塵飛揚，污染工作環境，威脅人員健康，已逐漸被淘汰。

隔爆水槽(水袋)在世界各主要產煤國得到了不同程度的開發和應用。我國從1980 年起研究并推廣應用隔爆水槽、 隔爆水袋，同時寫入《煤礦安全規程》，是目前瓦斯礦井、煤塵爆炸性礦井普遍應用的隔爆措施，對提升礦井安全起到了一定的作用。隔爆水棚使用方便，具有較好的冷卻降溫、稀釋可燃氣濃度、隔絕熱輻射的作用。然而，隔爆水棚受安裝位置、動作時間等多因素影響，形成有效隔爆水幕的動作時間和爆炸火焰到達時間很難一致［2］，隔爆效果并不明顯。而且，現場使用過程中存在水量容易蒸發、被煤粉污染、有效隔爆水幕的持續時間短等不利因素，造成滅火效率低。另外，煤礦井下硐室、掘進機等單點危險源，不利于隔爆水棚的安裝使用。

1.2 主動式自動抑爆技術

發展主動快速抑爆技術及裝備，是響應黨和政府“遏制重特大事故，提升防災減災救災能力”重要舉措。煤礦井下主動抑爆技術已列入國家應急局“四個一批”推薦目錄。

主動隔爆技術作為煤礦控制瓦斯煤塵爆炸危害的主要手段之一，主要包括主動噴水抑爆技術、主動噴粉抑爆技術以及主動噴惰性氣體抑爆技術。世界上各主要產煤國均非常重視，相繼研制了實時快速噴射抑爆裝置來抑制爆炸火焰。英國研制了以壓縮空氣推動活塞噴水的MK-Ⅱ型抑爆裝置，能在180 ms 內將水擴散到巷道空間；美國在研制了以爆破拋撒為原理的Cardox 型抑爆裝置，形成粉霧時間180～490 ms；南非上個世紀90 年代末研制了HS 系列機載式阻燃抑爆系統和道路屏障系統［3］。近年來俄羅斯研發了巷道GBXT 自動化隔爆裝置，開啟速度可達到25 ms。國外這些產品隔抑爆設備中，應用廣泛的是南非HS 公司研發的HS 系列主動抑爆系統。該系列系統在爆炸發生瞬間啟動隔絕設備前后空間并撲滅爆炸和燃燒，從而阻斷瓦斯煤塵爆炸傳播反應鏈，將可能發生的瓦斯煤塵事故扼殺于萌芽狀態。

2 主動抑爆技術的工作原理

主動式抑爆技術是在爆炸發生的初期，依靠快速自動探測爆炸信息和自動用物理化學方法，快速形成高濃度抑爆屏障，吸收火焰的能量，將火焰撲滅或阻隔。基于主動抑爆技術，國內研究機構研制了不同原理的自動抑爆裝置［4］。

自動抑爆裝置主要由紫外(紅外)火焰傳感器、控制器、抑爆器、直流穩壓電源、礦用通信電纜等組成，其工作原理如圖1 所示。當作業監測區出現瓦斯煤塵爆炸時，紅外或紫外火焰傳感器超前探測爆炸信號并傳送到控制單元分析，由控制器發出指令使抑爆器動作，觸發抑爆器內貯存的高能壓縮氣體或觸發化學反應產生高壓驅動氣體快速噴撒抑爆介質，迅速生成有效的抑爆屏障，抑爆屏障對爆炸產生的沖擊波壓力和火焰進行降壓滅火，抑制或隔絕瓦斯煤塵爆炸的傳播，實現主動抑爆［5］。

圖1 主動抑爆技術工作原理圖

3 主動探測快速響應抑爆技術

3.1 爆炸火焰信息快速、準確響應技術

火焰傳感器主要由外殼、電路板、玻璃窗、感光元件等組成，當火焰傳感器檢測到爆炸火焰信號時，快速探測并輸出信號給控制器。

就CH4氣體來說，火焰光譜波段從190 nm 開始，紫外到紅外的范圍內均有，雖然紫外的發光強度比較弱，但靈敏度比較大，有足夠的光電流輸出。基于爆炸火焰光譜的特點，為保證傳感器的靈敏度、快速響應、抗干擾能力，光敏元件選用遠紫外光探測原理。

太陽光的紫外波段截止在290 nm，紅外波段截止在13 μm。爆炸火焰傳感器紫外光電管的光譜響應為 185 ～ 260 nm［6］，在遠紫外光的范圍，因此該紫外光電管對太陽光不敏感。在爆炸初始時刻，由于火焰中的遠紫外照射，紫外光電管的電子吸收了入射遠紫外光子的能量逸出光陰極表面，在陰極電場作用下向陽極運動，從而產生電信號，達到檢測爆炸火焰的目的。由于遠紫外光能量高，輸出電流大，在爆炸火焰初期能夠快速感應，從接收到火焰信號到輸出電信號的響應時間可達到1 ms 內。火焰傳感器的工作原理如圖2 所示。

圖2 傳感器工作原理圖

火焰傳感器光敏元器件設計選用雙紫外光電管，兩者為與的關系，即當兩個均探測到信號時，其輸出電路才會有輸出。傳感器配置了背景光探測，能夠智能判別爆炸火焰信息和環境光源，防止火焰信號觸發錯誤，從而造成整個裝置的誤動作。傳感器電路設置有故障信號判斷與輸出電路，在控制器上可以監測傳感器的運行狀況。

3.2 控制技術

控制器接收爆炸火焰探測器信號，經過判斷分析后決定是否觸發抑爆器和隔爆器。控制器是一個以先進的微處理器為核心的微型計算機系統，是隔抑爆裝置的信號中樞。

控制器集多種功能于一身，實現爆炸火焰信號的實時接收、判別及隔抑爆系統終端的實時控制，具有信息判斷、儲存、自身狀態診斷等輔助功能。控制器主要由數據采集模塊、顯示模塊、實時控制模塊、數據存儲模塊、紅外遙控模塊、RS485 通信模塊、看門狗模塊、分布式電源模塊、EMI 處理模塊等組成。控制器通過RS485 通信接口與上位機監控軟件實現數據交換。控制器的電路工作原理如圖3 所示。

圖3 控制器工作原理圖

控制器的核心處理單元選用智能芯片XC9536的CPLD，該芯片是可編程的邏輯器件，負責對火焰傳感器的信號采樣、設備故障信號采樣等。爆炸信號的所有信息接收和輸出控制都通過該芯片完成，處理單元響應時間快，邏輯控制準確，從接收火焰信號，經邏輯判斷并輸出控制信號的時間間隔≤4 ms。

控制器邏輯程序采用智能化設計，能夠自動檢測傳感器、抑爆器、電源等設備工作狀況，及時提供故障信息。控制器采用可編程的單片機，實現信息集中處理和部分控制。控制部分分為采樣操作控制、通信轉換控制、信息調用存儲控制和顯示控制等。控制器環境適應性強、 最多可接2 臺火焰探測器、4 臺抑爆器，并能夠對傳感器探測關系、抑爆器接入數量進行設置，能夠保存多組觸發記錄，重要的數據可隨時間存儲、回放。

3.3 抑爆器快速觸發技術

煤礦井下安全保障主動抑爆技術的最終執行部分為抑爆器。為提高抑爆劑噴撒動作時間和有效抑爆屏障的形成時間，抑爆器采用儲壓式工作原理，即在正常工作狀態下抑爆罐體內儲存抑爆消焰劑和高壓驅動氣體。抑爆罐體與噴撒機構之間采用快速開啟閥門密封連接。儲壓式抑爆器相對于產氣原理的抑爆器，節省了氣體發生器反應和壓力上升時間，噴撒響應時間快，提高了消焰劑快速成霧效果。

快開閥門為常閉結構，當有瓦斯(煤塵)爆炸事故發生時，快開閥接收到控制單元發出的觸發信號后快速打開，消焰劑隨之在高壓惰性氣體作用下快速噴出，在爆炸初始時刻或者在爆炸火焰到達前形成隔抑爆云幕，起到撲滅或阻隔爆炸火焰的作用。快開閥門的結構示意圖如圖4 所示，其依靠外部電流信號的觸發，點爆觸發器，在內部瞬間產生高壓氣體，推動活塞移動拉斷閥桿，從而實現罐體與噴撒機構連通。

圖4 快開閥結構圖

快開閥門是儲壓式抑爆器的核心部件，其開啟技術是影響隔抑爆系統噴撒響應時間的關鍵。快開閥門殼體采用不銹鋼材質，觸發器采用航天用電點火器，具有低溫觸發特性，可應用于煤礦爆炸性環境，保證了打開瞬間對環境的安全性。快開閥門閥桿在高壓力下在毫秒時間內快速斷開，形成通路。抑爆器快開閥門整體動作時間≤5 ms。

快開閥設計有4 個出口，每個出口連接導管連接至噴撒機構，通過噴頭的導向作用，消焰劑在煤礦井下巷道斷面內能快速形成有效的隔抑爆屏障。

4 自動抑爆裝置的整體響應時間

將爆炸火焰傳感器、控制器、抑爆器、直流穩壓電源通過礦用通信線纜連接，抑爆裝置處于正常工作狀態。

利用點火藥頭模擬爆炸火源照射傳感器窗口，觸發火焰傳感器，當抑爆器接收到觸發信號后快速噴撒消焰劑。試驗采用高速攝影機拍攝整個試驗過程，拍攝幀率為≥1000fps。裝置整體響應時間為點火源產生時刻與抑爆器開始噴撒的時間差。通過高速攝像機拍攝畫面可以分析得到整機響應時間。實驗方法如圖5 所示。

圖5 快開閥結構圖

表1 機載式抑爆裝置響應時間記錄表

在抑爆裝置3 次響應時間實驗中，傳感器均探測到爆炸火焰信息并輸出感應信號，抑爆器均可靠觸發，整體響應時間均＜10 ms。

5 結語

為提高煤礦井下瓦斯煤塵爆炸防治水平，研究了雙紫外爆炸火焰感應技術，設計了故障判別性能，能夠快速、準確探測爆炸火焰信息；采用智能芯片，進行了智能化邏輯控制設計，形成了快速可靠控制技術；抑爆器采用儲壓式原理，利用快速開啟閥減少了動作及成霧時間，形成了主動快速抑爆技術。

基于紫外光探測、 快開觸發的主動抑爆響應時間縮短，在發生瓦斯煤塵爆炸危險時，可以在短時間內在巷道空間形成粉體云幕，有效地撲滅爆炸火焰，控制爆炸事故及波及范圍。