煤- 膠帶摩擦生熱致災實驗模擬研究

楊曉東

（華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

1 概 況

我國煤炭資源儲量豐富，是煤炭生產和消費大國。近年來，國內許多生產礦井保持高強度開采，造成了安全隱患的增加。目前，采用井工方式生產的礦井絕大多數實現綜合機械化開采，配套各種尺寸的帶式輸送機運輸煤炭。帶式輸送機因其運輸量大、結構簡單、適應性強、運距較長等優點被廣泛使用，但在帶式輸送機長時間運轉過程中，易出現主輥筒打滑、膠帶被卡住、托輥被卡住等現象，或者膠帶上的遺留積煤被卡住之后與膠帶摩擦生熱，這類情況易造成膠帶火災，嚴重影響井下職工人身安全，制約煤礦的安全平穩發展。

基于此，根據華陽二礦井下帶式輸送機情況，以煤- 膠帶摩擦生熱致災為基礎建立物理模型，進行物理相似模擬實驗，利用YRH700 紅外熱成像儀對煤- 膠帶摩擦過程中的溫度變化規律進行研究。

2 實驗設備

此次物理相似模擬實驗主要使用YRH700 本質安全紅外熱成像儀和等比例膠帶輸送機摩擦起火模擬器等設備，如圖1、圖2 所示。

圖1 YRH700 紅外熱成像儀Fig.1 YRH700 infrared thermal imager

圖2 等比例膠帶輸送機摩擦起火模擬器Fig.2 Equal proportion belt conveyor friction fire simulator

YRH700 紅外測溫儀利用紅外探測器、光學成像物鏡接收熱源產生的紅外輻射能量，將分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，在光學系統和紅外探測器之間對物體的紅外熱像進行掃描，并聚焦在單元或分光探測器上，由探測器將紅外輻射能轉換成電信號，經放大處理、轉換或標準視頻信號通過顯示屏示紅外熱像圖。此次物理相似模擬實驗中，YRH700 紅外測溫儀采用非制冷焦平面紅外探測器，將被測物體的紅外熱譜圖像以高清晰度、高靈敏度的偽彩圖像方式呈現，可多點測溫，并可將圖像、視頻和語音存儲在Micro SD 卡內，便于計算機進行深度分析和統計。YRH700 紅外熱成像儀的主要工作參數如下：

外形尺寸/mm 283×6103×160

質量/g 1 000

分辨率/℃ ≥0.1

測溫模式 點/線/區域

測溫范圍/℃ 0～700

輻射率 0.01～1.0

等比例膠帶輸送機摩擦起火模擬器由驅動電機、2 個輥筒、支架和膠帶組成。其中1 個輥筒與電機相連作為驅動輥筒，帶動膠帶運轉，控制膠帶的松緊，實現膠帶松動與輥筒發生摩擦的實驗，以及不同壓力下的膠帶與輥筒的摩擦實驗；兩輥筒之間的托輥可以轉動也可以使其固定不動，當托輥固定不動時，可實現托輥與膠帶之間的摩擦實驗。

3 物理相似模擬及結果分析

3.1 實驗過程

根據礦井實際情況和要求，選用華陽二礦二號井的瘦煤作煤樣進行實驗。將煤塊與膠帶摩擦生熱的區域作為研究對象，YRH700 選擇點測溫、線測溫和區域測溫模式同步進行。具體操作步驟為：①通過卡件將煤塊固定在非電機側的膠帶上方，保持煤塊相切于膠帶表面；②使用金屬三腳架固定紅外熱成像儀，與膠帶間距2 m，使鏡頭與實驗區域始終保持水平，實驗開始之前開機預熱10 min；③調整參數設置為溫度25 ℃，濕度60%，風速2.5 m/s；④實驗過程實時成像與結果分析。

3.2 實驗結果

實驗共進行45 min，根據實驗區域內溫度場典型變化進行成像拍照，結果如圖3 所示。

圖3 煤與膠帶摩擦熱紅外成像圖Fig.3 Thermal infrared imaging of coal and tape friction

從圖3 中可以看出，隨著摩擦時間的增加，煤塊和膠帶的溫度逐漸升高。由于煤塊固定，而膠帶不停地運轉，在煤塊和膠帶接觸的部位出現了一條“高溫帶”，且隨著實驗的進行，煤塊周邊的高溫區域向外擴展，“高溫帶”的寬度也在不斷拓寬。

實驗過程中選擇圖中點01 圖中和點02 位置進行點測溫。點01 的位置為煤塊上方15 cm 處，掌握煤與膠帶摩擦溫度最高點上方一定位置處的溫度場變化情況；點02 的位置為煤塊左側30 cm 和后方30 cm 的交匯點處，掌握煤與膠帶摩擦最高點平行位置處的溫度場變化情況，獲得煤與膠帶摩擦實驗過程中溫度最高點周邊的溫度場變化規律。

對圖中點測溫模式下的點01 和點02 的溫度變化進行分析，結果如圖4 所示。同時對線測溫模式下的最高溫度變化和區域測溫模式下的最高溫度變化進行分析，結果如圖5 所示。

圖4 點測溫模式下測點溫度隨時間的變化規律Fig.4 The change rule of measuring point temperature with time under the point temperature measurement mode

圖5 線測溫模式和區域測溫模式下最高溫度隨時間的變化規律Fig.5 The variation of the maximum temperature with time under the line temperature measurement mode and the regional temperature measurement mode

從圖4 中可以看到，采取點測溫模式時，整個區域內觀測01 點和02 點兩個點位的溫度變化。可以看到，兩個點位的溫度隨著實驗時間的變化趨勢基本一致，呈現出總體上升、局部起伏的變化規律，01 點位的溫度增加先快后慢，整個實驗期間的最低溫度為5.6 ℃，最高溫度為12.7 ℃，平均溫度為9.5 ℃；02 點位的溫度增加亦為先快后慢，波動起伏的幅度較點位01 更甚，整個實驗期間的最低溫度為6.0 ℃，最高溫度為13.8 ℃，平均溫度為9.8 ℃。

從圖5 中可以看到，采用線測溫模式和采用區域測溫模式時，線測溫最高溫度的變化趨勢和區域測溫中最高溫度的變化趨勢基本一致，均呈現出總體增加、局部起伏的變化規律。需要注意的是，該先測溫模式中的“線”指的是在YRH700 紅外熱成像儀的鏡頭中的掃描范圍內設置的測溫線，而非在實驗臺上的膠帶上刻畫的固定的測溫線。在線測溫模式下，整個實驗過程中，最高溫度的閾值為[6.2℃,31.1 ℃]，最高溫度的平均值為23 ℃；在區域測溫模式下，整個實驗過程中，最高溫的閾值為[6.6 ℃，51.8 ℃]，最高溫度的平均值為38.3 ℃。

根據圖5 中對區域測溫模式下的最高溫度值進行非線性擬合，從圖中可以看出，隨著煤與膠帶摩擦時間的增加，區域01 中最高溫度值持續上升，且隨著隨時間的增加溫度升高速率逐漸降低。橡膠皮帶的燃點為350℃左右，若本實驗持續進行下去，由擬合公式計算得出將在75.76 d 時膠帶被點燃，造成膠帶發火事故。但是，在井下實際生產過程中，被卡住的煤塊往往體積較大，其與膠帶摩擦時的接觸面積更大，摩擦生熱致災的時間呈幾何級降低，可以小時來計量。

4 結 語

綜上所述，實驗過程中系統溫度場的高溫隨著膠帶與煤摩擦時間的增長，高溫由點到線再到面，熱量從中心向四周擴散，形成溫度梯度的變化。隨著煤與膠帶摩擦時間的增加，溫度會持續上升。在本實驗條件下，由于本次實驗中所選用的煤塊體積較小且實驗時間有限，只能通過擬合式得出在本實驗條件下的膠帶發火時間，為75.76 d。但是，在井下實際生產過程中，被卡住的煤塊往往體積較大，與膠帶摩擦時的接觸面積更大，發熱量更大，摩擦致災的時間將大大縮短。因此，關注井下煤與膠帶摩擦生熱致災，采取針對性措施進行防范，才能降低膠帶發火概率，保障井下安全生產。