煤礦井下電氣火災智能監控與滅火技術綜述

何勇軍，易 欣，王偉峰，康付如，陳煒樂，胡 震

（1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 711054；2.陜西省煤火災害防治重點實驗室，陜西 西安 711054；3.四川警察學院 治安系，四川 瀘州 646000）

“碳達峰”和“碳中和”的發展思路作為國家重大戰略目標，利用大數據、物聯網等技術建立煤礦智慧礦井勢在必行[1-2]。然而隨著當前經濟的快速增長，煤礦機械化程度越來越高，對煤礦智能電氣化程度的需求逐漸加大，煤礦井下發生外因火災的數量也逐年增多，特別是井下變電站著火、配電點著火、電纜著火以及電氣設備著火等電氣火災事故。煤礦井下環境復雜多變，用電設備種類雜、數量多且較為分散，電纜線路較長，因此電氣火災具有隱蔽性強、隨機性高、燃燒速度快、撲救難度大以及損失程度大等特點[3]。一旦發生電氣火災，就會借助電纜、設備、風流、瓦斯及煤塵等引起連鎖反應，造成電氣設備損壞，燒毀生產設備、改變礦井通風狀態、井下內部環境污染以及人身傷害等，不僅會影響井下的電氣安全，也有可能引發二次燃燒爆炸災害事故，影響整個礦井系統的安全。例如廣西二塘煤礦死亡30 人的變電所火災、湖南立勝煤礦“1.5”死亡34 人電纜火災、吉林萬寶煤礦“12.6”死亡34 人絞車房火災等重特大電氣火災事故，給煤礦企業帶來巨大經濟損失并造成嚴重的社會影響。因此，智能監控和滅火技術對煤礦井下電氣火災防治具有重要的意義。為此，對煤礦井下電氣火災成因進行分析，總結當前電氣火災智能監控和滅火技術基礎上，提出未來技術發展的研究導向和工作重心。

1 煤礦井下電氣火災成因分析

煤礦井下供電系統包括各類變電所、配電點以及各類阻燃電纜，其中變電所又包括中央、分區、采區以及移動防爆變電所等。對煤礦井下電氣火災事故原因分析發現，電氣線路短路、過負荷、漏電以及接觸不良等電氣故障等是引發電氣火災的主要成因[4-5]。這些電氣故障從輸電線路的局部過熱開始，產生高溫或電火花，自身絕緣層被點燃的同時，引燃周圍可燃、易燃物，從而引發火災，加之煤礦井下環境復雜，遇到瓦斯或煤塵積聚，極易引發二次災害事故。

首先，電路短路故障是導致電氣火災的最主要原因，輸電線路或電氣設備發生短路時，短路電流能夠高達額定電流的幾十倍，熱量在短時間內快速積聚形成危險溫度；其中電弧性短路故障點產生了高壓，但電流較小被難以察覺，故障電弧會累積能夠產生近3 000 ℃的高溫，熔化絕緣層并引燃周圍可燃物。其次，煤礦井下線路負載極限設計較低，隨意在線路中增加設備，超負荷運行；線路的維護、保養、檢修不到位，線路絕緣層老化嚴重等都是引起線路過負荷的具體原因。煤礦井下漏電現象的發生范圍較廣，且不易被發覺，也是引發井下電氣火災的重要原因之一，煤礦井下導線長時間帶電運行、使用環境潮濕易腐蝕、絕緣層的機械損傷以及電氣設備對地絕緣損壞等都會造成漏電電氣故障。此外，煤礦井下電纜之間、電纜與電氣設備之間接觸不良、井下電氣設備安裝使用不當以及工作電火花都易引發電氣火災。

2 煤礦井下電氣火災智能監控技術

對于煤礦井下電氣火災智能監控技術，通常采用的是變電站電氣監控系統，既能實現對井下變電站及用電設備的電氣故障監測，又能發出報警信號。此外，為了滿足未來智慧礦山建設的需要，電氣火災巡檢機器人能夠有效解決傳統人工巡檢的難題，應用于復雜、特殊的井下環境，能夠對煤礦井下電氣火災智能檢測和報警。除此之外，對于電氣火災監控系統和巡檢機器人無法監測報警的特殊部位和場所，比如易發熱的母線接頭、小型配電柜等，可以采用特殊的點式傳感器進行監測預警，采集分析溫度、氣體成分等特征信息。下面將重點介紹智能變電站電氣監控系統和電氣火災智能巡檢。

2.1 變電站電氣監控系統

變電站作為煤礦井下配電側和用電側極為重要的樞紐，是整個煤礦配電系統的核心部位，也是保證井下可靠運行、實現智慧電網的根本。煤礦井下工況條件特殊，電壓穩定性較差、電磁干擾強、電氣線路長，發生電氣火災概率較大，對電氣設備的安全運行要求高，這使得煤礦井下變電站電氣監控區別于普通的監控系統，通過對電氣設備的狀態進行監測監控，有效預防煤礦井下電氣火災的發生。早期的井下變電站電氣監控系統，主要是通過手持各類檢測儀器對設備狀態參數進行監測，再通過井下電話進行數據上報，這種人工方式費時費力，不僅影響檢測人員人身安全，也不利于工作人員及時進行故障維護；進入20 世紀歐美國家最早提出變電站自動化系統，后續國際電工委頒布了自動化變電站的通信網絡和系統標準（IEC61850），自此各國對礦井電力監控系統的研究發展迅猛；21 世紀初，微機、微電子、儀用變壓器、智能合并單元等關鍵技術越發成熟，讓煤礦井下變電站智能無人化監測逐漸變為現實，基本可以實現井下電氣故障監測信息以工業以太網傳輸網絡進行互聯互通[6-8]。早期變電站電氣監控系統構架圖如圖1。

圖1 早期變電站電氣監控系統構架圖Fig.1 Framework diagram of early substation electrical monitoring system

2000 年大柳塔煤礦采用3 層網絡技術、Control Logix 平臺技術，依托礦井綜合自動化系統，通過在井下變電站開關柜裝配PM3000、FLEX 等智能元件實現變電所“三遙”功能，從而實現煤礦井下全國首例無人變電所[9]。2003 年興隆莊煤礦井下變電所采用CAN 總線方式電氣監控系統[10]；2005 年錢家營礦較早引入KJ118 型礦用變電所遠程監測監控系統，采用10 M/100kB 以太網為局域網進行監測數據傳輸[11]；2006 年鮑店煤礦煤對礦井下采區變電所采用CAN 總線的電氣監測監控系統，能夠對采區變電所進行電氣監控，現場信號遙測、遠程監控遙信、開關斷路器的遙控和遙調，有電氣故障定位和報警功能，也基本實現了無人值守[12]。2009 年，陽煤三礦采用100 M 工業以太網變電所遠程監控系統，有效保障了煤礦井下供電系統的安全穩定[13]。此外，還有大量的研究人員研發出基于ARM、PLC、RS485、CNN 總線和工業以太環網的井下變電所電氣監控系統，提高了煤礦井下電氣安全性、可靠性[14-17]。

近年來，隨著計算機軟硬件技術、網絡寬帶技術、視頻信息處理技術以及智能化電子設備的快速發展，煤礦井下變電站電氣監控系統越來越智能化、無人化，煤礦智能變電站應運而生，對智能變電站的電氣監控系統的研究也在飛速進步。煤礦井下智能變電站電氣監控系統網絡構架如圖2。

圖2 煤礦井下智能變電站電氣監控系統網絡構架Fig.2 Network framework diagram of electrical monitoring system of underground intelligent substation in coal mine

聶立功等[18]以GIS 數據建模、多世界空間關聯表達和面向對象GIS 系統等關鍵技術，研發出煤礦井下變電所智能電力監控系統，有效定位電氣故障源；林楠[19]搭建了基于PSC 技術的煤礦井下供電監控系統，具有對井下變電站的遙測、遙信、遙控、遙調、遙視的“五遙”功能；張紅濤[20]以Petri 網技術為基礎，開發了一種煤礦采區變電所供電系統故障診斷技術，能夠對井下電氣故障區域和元件精確定位判斷；李亞東[21]通過機器視覺技術識別煤礦變電所的運行狀態，設計出煤礦變電所電氣監測軟件系統，可對變電所運行狀態進行監控并自動報警；駱建營等[22]研發了煤礦井下中央變電所分布式電氣監控系統，具有智能化電氣設備電氣狀態監測和故障預警功能，能夠對下行設備遙感控制、上行數據融合轉發，保證系統的應用時效性和數據安全性；何偉等[23]基于Lab-VIEW 技術，設計出以光纖通信CAN 轉485模塊傳輸的煤礦井下電力監控系統，實時全天候在線監測監控井下變電所、配電點各開關的故障狀態并自主報警；倪少軍等[24]采用電力監控環網和CAN 總線環網的2 級環網設計，提出針對井下變電所的智能分布式防越級保護系統；方崇全[25]開發出了監控分站冗余的井下供電電氣監控系統，能提高井下變電站監控系統的可靠性；2019 年5 月，賽蒙特爾煤礦成功完成KJ90X 電氣安全監控系統的升級驗收[26]，提升了煤礦井下變電站安全預測預警能力。

對于煤礦井下智能變電站電氣監控系統的研發與應用較為廣泛和豐富，系統通常是采用工業以太環網進行總線傳輸，但仍存在數據傳輸效率低、信息孤立、可維修性不強、無法統一接入、可靠性不穩、通信時效性差等問題，對智能變電站需求的自動化、無人化、智能化還有差距。

2.2 電氣智能火災巡檢

煤礦井下用電環境較差，高濕度、高溫度、復雜氣體環境等嚴重威脅著電氣設備的可靠運行；此外，井下變電所等場景屬于典型串聯特征，單一故障點將會影響整個系統的運行，對煤礦生產產生重大影響。然而當前對絕大多數煤礦井下變電所、配電點以及電纜進行巡檢仍然采用的是人工方式，人工巡檢工作時效性差、安全隱患高，且不能對數據進行智能分析。煤礦井下機器人，作為未來建設智慧礦山的重要支撐保障設備，對煤礦的安全生產、日常檢修以及應急救援發揮著重要的作用[27]。煤礦井下電氣火災巡檢機器人，屬于安控類機器人，能有效解決傳統人工定時巡檢的難題，應用于復雜、惡劣的工作環境。這類巡檢機器人通常具有自主行走、導航定位、人機交互、圖像識別以及火災報警等功能。

美國TCR 公司在1989 年較早的研發出了一款應用于高壓輸電線路的巡檢機器人，能夠按照設計的線路對設備進行巡檢[28]；日本本田公司基于視覺識別設計出一款變電站電氣火災巡檢機器人，通過3D 視覺識別地圖影像對機器人導航定位[29-30]；A Birk等[31]設計出搭載紅外攝像頭的固定軌道巡檢機器人，并在變電站現場得到成功測試；2001 年，山東電力設計院設計研發了我國第1 臺應用到變電站的巡檢機器人，集合了多傳感器、定位導航等技術，并裝載紅外熱成像探頭，對變電所用電設備進行全天候巡檢[32]；在2010 年，重慶電力設計院成功研制出了第二代變電站巡檢機器人，其巡檢功能有了較大的提升[33-34]；之后，我國的科技公司針對巡檢機器人展開了大量的研究，如中科院沈陽自動化研究所以及浙江國自機器人技術有限公司等[35]。

對于煤礦井下工作面電氣火災的巡檢，我國已經有一些煤礦使用了巡檢機器人。黃陵一號煤礦的綜采工作面采用集紅外熱像儀和高清攝像儀的巡檢機器人；神南檸條塔煤礦在工作面的帶式輸送機沿線設置有巡檢機器人，能夠采集現場的溫度、聲音、圖像等，并分析上傳數據[36]；大柳塔煤礦從2005 年開始，已經在井下變電所成功使用機器人實現智能無人巡檢，使用的巡檢機器人種類較多，有礦用軌道巡檢機器人、礦用輪式巡檢機器人和鋼絲牽引繩牽引軌道式巡檢機器人[37]；李新等[38]基于虛幻引擎UE4 研發出煤礦井下變電所巡檢機器人的孿生系統，其能夠實現定時、定點巡檢以及故障報警等功能；裴文良等[39]研制了一款集數據采集、視頻監控和故障報警功能的礦用巡檢機器人，能夠實現對井下變電站、水泵房等設備的智能巡檢，高效代替了傳統人工巡檢；毛浩等[40]設計了一款具備智能巡檢煤礦井下變電所的機器人，能夠采集變電所工作狀態信息以及電氣火災預警，當巡檢機器人收到異常信號時，進行多傳感器信息融合，并發出警報火災預警，并根據二維碼視覺定位導航，自主到達故障點采集故障信息，拍攝現場照片，數據上傳實現人機交互，該巡檢機器人經過在張家峁煤礦現場應用示范，發現巡檢效率和電氣故障準確報警率都提高50%以上。

目前，對于煤礦井下電氣智能火災巡檢，通常都是采用輪式、履帶式以及軌道式巡檢機器人，基本能夠適應井下復雜工作環境。雖然巡檢機器人已經進行了大量研發與小規模應用，但從整體來看，大部分研究應用仍處在起步探索階段，巡檢機器人行業標準和軟硬件的開發未同步進行，距離全礦井電氣故障智能無人巡檢還有不小差距。

3 煤礦井下電氣火災滅火技術

煤礦井下的變電所及各配電點的電氣設備較多，電纜線路較長，為保證煤礦各類系統正常運行，用電設備長時間全天候不停運轉，容易因為設備故障原因引起接觸電阻過大和短路過熱引發火災。對于井下電氣火災滅火技術的選擇，原則是不能對用電設備及線路造成二次損傷，重點關注滅火場景、滅火效果及系統安全性等幾個方面。當前對于井下電氣火災滅火技術有氣體滅火系統和細水霧滅火系統，除此之外，對于煤礦井下封閉空間、受限空間以及電氣設備內部等地方，可以采用微膠囊滅火技術。

3.1 氣體滅火系統

對于復雜的煤礦井下環境和電氣火災特點，氣體滅火系統是撲滅電氣火災的首選。該系統是采用高效潔凈的氣體滅火劑進行滅火，滅火劑常以液相、氣相或者氣液共存相態的形式儲存在壓力容器中，根據滅火劑的不同，能夠應用到煤礦井下電氣火災的氣體滅火系統有：七氟丙烷滅火系統、IG-541 滅火系統、二氧化碳滅火系統、氣溶膠滅火系統等，通過對4 種滅火劑性能分析發現，每種氣體滅火系統都有各自的優缺點，應用條件和范圍也不僅相同。4種氣體滅火劑性能對比見表1。

表1 4 種氣體滅火劑性能對比Table 1 Performance comparison of four gas fire extinguishing agents

七氟丙烷滅火系統采用的是七氟丙烷滅火劑，屬于含碳、氟和氫的化合物，具有低毒、不導電、熱穩定等特點；系統利用滅火熱分解產生的氟自由基切斷燃燒鏈式反應，并伴隨著物理滅火作用，電氣火災滅火設計濃度低、滅火效率高，滅火過程不會對電氣設備造成損傷。張晉等[41]通過全尺寸封閉空間電氣火災模擬實驗，對常溫、低溫狀態下的七氟丙烷滅火系統進行滅火效能測試，發現七氟丙烷滅火系統能夠對電氣火災進行全淹沒滅火，滅火效果顯著；倪震楚[42]通過對外儲壓七氟丙烷滅火系統的系統選型、參數設計及滅火實驗，成功將該系統應用到數據機房中；Yong-Taek H[43]將七氟丙烷滅火系統應用到封閉空間電氣火災，發現系統的窒息、降溫效果較為理想，且滅火殘留物不會對電氣設備本身造成二次傷害。

IG-541 氣體滅火系統采用的是52%N2、40%Ar、8%CO2構成的混合滅火劑，無腐蝕性、釋放無殘留、電絕緣性好，大氣存留時間段；IG-541 氣體滅火系統主要是利用物理滅火作用，通過將防護區內的氧濃度降低到15%以下中斷燃燒或緩慢熄滅；因此，對于煤礦井下不需要人員值守的用電場所或用電設備內容設備可以采用IG-541 氣體滅火系統。劉松濤等[44]通過對某改造機房電氣火災FDS 數值模擬，分析火災熱釋放速率、溫度、氣體濃度等參數，表明IG-541 氣體滅火系統對通信數據機房的滅火性能較好；李晶晶[45]結合工程實際分析大型數據中心的消防系統設計，通過對輸送距離、系統計算、滅火效果、環境影響以及泄壓閥安裝等幾個因素對比，IG-541 系統的適應性、安全性和可靠性均優于其他氣體滅火系統；周黎[46]綜合分析對比七氟丙烷滅火系統、IG-541 滅火系統以及新型高壓細水霧滅火系統在安全性、環保性、可維保性等方面，確定IG-541滅火系統最適合地下空間的電氣火災防治，并給出管網的系統設計方案。

二氧化碳作為一種常用的氣體滅火劑，常溫常壓下為氣態，在煤礦井下容器中的二氧化碳是以氣液兩種相態共存；二氧化碳滅火系統進行滅火時，由于壓力的急劇降低，二氧化碳吸熱熱量迅速氣化轉為氣相快速分散，降低火場溫度并降低氧氣體積分數；當煤礦井下變電所的油浸變壓器發生故障時，會發生電弧閃絡，易點燃變壓器油發生火災，采用二氧化碳滅火系統能有效撲滅火災。張晉等[47]通過火災相似模擬實驗研究二氧化碳滅火系統對電氣火災的滅火能力，發現二氧化碳滅火系統能夠對較小受限空間內進行全淹沒滅火，滅火效能較好；黃文強等[48]對110 kV 主變壓器室進行二氧化碳滅火系統設計，表明二氧化碳滅火系統穩定性高、維修方便且滅火效能好，能夠適用于變壓器電氣火災。

氣溶膠滅火系統采用新型氣溶膠滅火劑，分為K 型和S 型，能夠在高溫條件下發生分解反應產生分散性溶膠，依靠化學抑制和冷卻降溫作用，覆蓋物體表面隔絕氧氣高效滅[49]；這種超細粉體滅火系統廣泛應用于地下綜合管廊、電池艙、發動機艙等火災場景[50-52]。田珍等[53]在變電站電纜夾層的電氣火災防治中采用氣溶膠滅火系統，并通過工程實例提出了系統的設計方法，表明氣溶膠滅火系統造價低、滅火性能高又環保，在智能變電站電纜夾層火災撲救中有明顯的優勢。然而，GB 50370—2005 氣體滅火系統設計規范中，專門強調K 型滅火劑自身存在腐蝕性，明確了K 型滅火劑的使用條件，只能用于電纜隧道（夾層、井）及自備發電機房的電氣火災；對于S型滅火劑，其滅火裝置的規模不得超過10 kg，因而氣溶膠滅火系統的使用只能是較小空間。

總體來看，煤礦井下電氣火災氣體滅火系統中，IG-541 和二氧化碳滅火系統的滅火效能總體較好，但存在窒息性，對人身安全構成威脅；低毒性的溫室氣體七氟丙烷滅火劑也將在2024 年開始限制使用；氣溶膠滅火系統滅火時會減小保護空間能見度，減低人員逃生速度，適用范圍較小。因此需要根據煤礦井下實際工礦環境，結合各系統優缺點，科學合理選擇氣體滅火系統。

3.2 細水霧滅火系統

“細水霧”是相對于“水噴霧”而言，霧滴直徑小于300 μm 的小水滴。細水霧滅火系統通過汽化吸熱降溫、稀釋氧化劑、阻隔熱輻射等作用進行滅火，具有滅火高效性、環保性及低成本的特點，同時直徑小、不連續的細水霧具有良好的電絕緣性和滯空性，對煤礦井下的電氣火災效果較好[54]。鄧東等[55]研發了一種固定式高壓單相流細水霧滅火系統，通過相似模擬實驗表明該系統電絕緣性高、滯空性好，對電氣火災能夠進行全淹沒滅火，火災復燃性較小；陳強等[56]以一典型戶內110 kV 變電站為研究對象，詳細介紹了細水霧滅火系統的設計方法及相關原則，并將系統與其他監測預警設備進行聯合設計，有效提升了變電站的防火能力；高曉華等[57]對某220 kV 全地下變電站主變壓器及電抗器的本體和散熱器均采用水噴霧滅火系統測試，發現該系統比水噴霧系統在各方面都存在優越性，能夠解決煤礦井下水源不足、消防水泵高沖擊力和井下變電站消防排水等問題；伍思繁等[58]利用FDS 仿真軟件研究細水霧對封閉空間變電站內柴油池火、噴霧火及兩者的組合火災的滅火過程，發現對于封閉環境下使用粒徑為200 μm 及以下的細水霧，能快速滅火、防止火災蔓延。可以發現，雖然細水霧存在電絕緣性，可以撲滅電氣火災，但細水霧滅火系統自身管網壓力需求較高，系統設計較為復雜，在煤礦井下現場應用中應用較少，因此對細水霧滅火系統用于煤礦井下電氣火災防治的可行性、系統設計及滅火效能等方面還需要展開大量的研究。

3.3 新型微膠囊滅火技術

微膠囊技術開始于20 世紀中期，并隨著高分子聚合技術問世得到了迅速發展和應用[59]。微膠囊是通過一定的物理或化學方法用高分子材料將敏感或易揮發的小液滴、固體小顆粒包覆形成的微小囊狀物，包覆在膠囊內部的固體或液體物質稱作芯材或核層，由高分子材料形成的包覆膜稱作壁材（或膜、殼、囊壁、包膜等）[60-61]。目前，微膠囊滅火技術已在消防領域得到較為廣泛的應用，主要是對利用微膠囊技術對滅火劑進行改性。微膠囊的主要功能有改變芯材的物理性質、提高芯材的穩定性、控制芯材的釋放、隔離組分、隔絕氣味以及降低芯材的毒副作用等，具備高效率、精準定向、智能調控等優異的控釋特點[62]。Lee 等[63]通過對配電間及電氣柜等小空間電氣火災進行研究，發現采用微膠囊滅火劑能夠在4.48 s 的時間撲滅電氣火災，微膠囊滅火劑在電氣火災中的適應性較強，滅火效率高；Zhang W 等[64]以三聚氰胺-脲醛樹脂為殼材，全氟（2-甲基-3-戊酮）和七氟環戊二烯為芯材，制備了一種新型核殼結構的微膠囊滅火劑；Yim T 等[65]制備出含有滅火劑的溫度響應微膠囊；Vilesov A D 等[66]通過添加蒙脫土的納米顆粒，制備出含Novec-1230 的微膠囊，進行電氣火災滅火測試，證明該微膠囊對電氣火災的高效滅火效果; Lee 等[67]研發出一種含Novec-1230 滅火劑的微膠囊，并制成滅火貼，并應用到狹小封閉空間，能夠有效抑制火災的蔓延。微膠囊滅火技術作為一種新型火災防治手段，在防治煤自燃方面已經有了較為廣泛的應用，對應用到煤礦井下電氣火災研究還處在起步階段，需要對微膠囊的制備工藝和系統滅火效能展開大量研究，并建立統一的國際及行業標準，為煤礦井下電氣設備內部、封閉空間、受限空間等進行有針對性防滅火提供新的思路。

4 結 語

長期以來，國內外研究學者就煤礦井下電氣火災智能監控與滅火技術進行了大量的研究和探索，取得了豐碩的研究成果，但仍需要進一步發展完善，未來可以從以下3 個方向進行探索。

1）井下變電站智能監控巡檢體系。依托智慧礦井建設背景，以人工智能、大數據、物聯網、5G 等技術為創新驅動，結合煤礦井下點與面的電氣火災檢測報警系統，加大無線智能巡檢機器人研發，擴展巡檢機器人多樣化功能，實現與生產系統共融，達到智能監控巡檢的導航簡易化、數據多維化、監測多樣化和操作自動無人化目標。

2）多系統融合的電氣火災滅火技術。由于電氣火災隱蔽性強、隨機性大，在研究井下微膠囊滅火技術的基礎上，需要結合傳統滅火技術各自的特點，開發多系統融合的電氣火災滅火技術，對井下變電站、配電點、用電設備及電纜等電氣火災進行多維度、全方位控制。

3）綜合智能監控與自動滅火系統。煤礦井下環境復雜，電氣火災易引發二次事故，傳統技術難以實現智能監控和自動滅火，需根據煤礦電氣火災特點，研發實時綜合智能火災監控與自動滅火系統，將井下實時數據上傳至地面，在地面可以實時穩定監控和下達控制指令，提升煤礦井下電氣系統的安全性。