煤礦井下防爆電氣設備及防爆技術應用

＊楊雁峰

（山西沁新新達煤業有限公司 山西 046500）

前言

煤礦井下防爆電氣設備及其相關防爆技術應用，能夠在一定程度上規避井下電器設備爆炸的風險，可以有效提高井下作業的安全系數。本文重點討論了井下防爆電器設備的價值、特征及各類電器設備防爆技術的實際應用，以期為煤礦井下防爆管理提供技術支持。

1.煤礦井下防爆電氣設備的應用價值

防爆電氣設備是一種可以預防或阻止電氣設備爆炸的設備，是煤礦井下安全生產時的必要設備。煤礦井下作業的風險系數極高，很容易發生各類安全事故。2020 年2 月，山東華恒礦業的安全事故造成了兩人死亡，這類案例不勝枚舉。而爆炸正是井下發生頻率最高的安全事故之一，這與井下的作業環境息息相關。煤礦井下作業區域陰暗、潮濕，較為封閉，且空氣中充滿了可燃性氣體及爆炸性氣體。井下作業又多依賴各種電氣設備，這些設備在運行期間會產生一定熱量，且設備一旦出現故障，便可能產生電火花或電弧，極易導致設備自燃或自爆。這類熱浪或火苗傳到外部環境中，便可能會點燃空氣中的可燃性氣體和爆炸性氣體，繼而引發煤礦爆炸，爆炸事故過于嚴重時，還會引起礦井坍塌，不僅會導致煤礦企業面臨嚴重的經濟損失，還會給礦井內部工作人員的人身安全造成嚴重威脅。因此，通過防爆電氣設備保障其他電氣設備的穩定運行，避免因電氣設備運行過熱或故障生成的電火花而引起爆炸是極有必要的。

2.煤礦井下防爆電氣設備的基本需求

(1)抗潮性能過關

井下防爆電氣設備需長時間處于惡劣環境中運行，這是由于煤礦井下受地下水影響，空氣濕度及土壤含水量相對較大，防爆電氣設備的外殼會直接與空氣和濕潤土壤接觸，金屬外殼發生銹蝕后，便可能會影響設備的運行性能。因此，井下防爆電氣設備必須具備一定的抗潮性能。除此以外，井下環境相對潮濕，這也是使用電氣絕緣的根本原因之一，還有部分井下的煤礦溫度較高，綜合考慮，為了避免電氣設備在運行期間發生故障或引發安全事故[1]，所有電氣設備在正式下井作業前，必須要通過濕熱試驗，對電氣設備的綜合性能進行系統查驗，確認設備可滿足井下作業標準后，方可正式投入使用。

(2)有堅固的外殼

井下作業的各項設備必須要有堅硬的外殼。礦井下作業除了火災、爆炸等風險外，也常發生煤或巖石脫落等情況，這類自由掉落的高質量物體，經自由落體運動掉落在設備表面時，極有可能會導致設備受損，引發運行故障。一個堅固的外殼能抵御一定質量的落物沖擊，是井下防爆電氣設備的必需品。

(3)輕便、易于移動

在井下作業時，電氣設備需要跟隨實際開采進度一同向前移動。因此，防爆電氣設備還應具備小巧、輕便、易于移動的特征，方便工作人員搬運。而相對小巧、結構簡單的設備也更易于檢修維護和保養。

(4)可應對內、外部爆炸

防爆類電氣設備的核心功能，便是可以承受混合爆炸造成的傷害，且其內部不會產生爆炸，這也是防爆電氣設備的主要特征之一[2]。這也需要防爆電氣設備的外殼足夠結實。大多防爆電氣設備由鋁合金、鋼板、鑄鋼等具有一定堅固性的材料制作而成，這類材料可以同時承受1.5 倍左右的壓力，不僅可以隔離爆炸線，還能夠直接接線。

3.在煤礦井下作業中電氣設備防爆技術的實際應用

(1)冷磷化工藝技術的實踐應用

在隔爆面上應用冷磷化技術，需要使用磷酸鹽溶液，將其滴在初步處理后的隔爆面上，使金屬表面產生磷化反應，在電氣設備外側形成一層較厚的磷化薄膜表層。通過冷磷化工藝技術處理過的金屬表面，具備較強的隔爆面防腐蝕性能，能夠進一步提高電氣設備的防爆性能及其運行穩定性。該技術的具體應用步驟如下。

①清理設備金屬表面，隔爆層表面的油污或銹蝕可能會對設備的運行性能造成一定的影響，工作人員需要采取對應的處理措施，去除此類污漬和雜物，直至能夠看到金屬自身光澤后，方可正式涂抹磷化膏。

②在處理過的金屬表層均勻涂抹磷化膏，厚度需控制在2～3 mm。

③涂抹磷化膏后，應觀察表面膏體中的氣泡，采取技術手段消除氣泡或等待氣泡全面散去，確保整個隔爆面光滑、平整。

④若處于20 ℃以下的環境中，需等待3 h 左右。磷化后，可以將表面的磷化膏刮掉，隨后使用紗布清洗隔爆面。在清理干凈后的表面再涂抹一層防銹油，避免具有腐蝕性的氣體或液體腐蝕設備外殼滲入設備內部，導致設備故障[3]。

在使用冷磷化工藝技術處理防爆電氣設備表面時，使用的磷化膏大多有著較強的腐蝕性能，因此在實際操作時，相關工作人員務必要小心、謹慎，做好勞保措施、穿戴好防護裝備，避免涂抹磷化膏時，膏體噴濺到皮膚表層導致受傷。另外，加強對冷磷化工藝技術應用的操作管理，確保整個操作合理可行、規范標準，盡可能減少因操作失誤造成的設備報廢或成本損耗。通常情況下，待工作人員按標準規范完成冷磷化處理后，防爆電氣設備的機械運行性能及其表層的化學穩定性將會獲得大幅度提升，而生成的磷化薄膜也具備相應的黏附性，可以與后續涂抹的防銹油緊密貼合，能夠進一步提高防爆層的防腐蝕、防銹蝕性能，可以起到保護設備的作用。

(2)熱管技術的實踐應用

熱管主要用于傳熱和散熱。工作人員可以在隔爆機中應用熱管技術，以此有效改善設備的散熱及傳熱性能，進一步提高機械設備的運行穩定性，還能夠確保電氣設備在處于爆炸性氣體環境中依然可以自動化運行。熱管技術的應用原理是通過相應介質吸收或釋放汽化潛熱，以此達到合理傳遞熱量、穩定散熱的目的。熱管的熱阻值極小，熱管技術是一種極其特殊的傳熱方式，能夠最大限度發揮出其傳熱性能，提高散熱及傳熱效率[4]。通常情況下，在隔爆型熱管散熱器的應用期間，熱管的主要工作便是傳輸熱量。而設備及各元器件在運行期間產生的熱量，大多會通過熱管與基板共同傳導。熱管與基板的另一端連接在冷凝段上，在常規運行時，元器件運行期間生成的熱量，將通過對流形式或輻射形式傳輸至工作環境中，熱管中的工作介質達到飽和狀態后，將蒸汽凝結成液體，再通過熱管內部的芯毛細結構回流至熱管的蒸發段，便能實現散熱傳熱，達到保護設備的目的，避免設備運行過熱引起的爆炸事故。熱管散熱器和整個防爆電氣設備的電箱，會形成一個幾乎沒有缺陷的整體式防爆殼結構，既可以妥善處理爆炸性氣體環境中多個電氣設備運行而散熱不良引起的散熱風險，還可以解決電氣設備運行期間的防爆問題，以此確保井下各個電氣設備的穩定運行，也能夠進一步提高各類機械設備的自動化運行水平，使防爆電氣設備滿足井下現場作業的實際需求。

(3)電氣設備智能化技術的實踐應用

井下作業環境惡劣。許多礦井使用的防爆型電器設備在研發、創新方面都受到了不同程度的制約，也在一定程度上影響了自動化集中控制系統的發展。在各類新材料、新技術、新理念持續更新的背景下，這類限制使得我國煤礦行業的發展面臨尷尬的局面。而近些年，部分防爆電氣設備廠家突破了重重環境限制，設計出了組合式、模塊化、小型化的人工智能化防爆電氣設備，其保護功能更加完善、性能更加可靠，操作及控制方式相對多元，可以隨意組合、搭配，能夠滿足井下作業自動化集中控制的需求，還具備故障自檢功能，為我國井下防爆領域的發展譜寫了一頁嶄新的篇章。利用大批量的自動化集中控制系統，能大大減少井下作業的人力成本，也能有效規避部分人工作業時難以避免的技術失誤或人為操作誤差。將自動化集中控制系統與人工智能化煤礦井下防爆電氣設備結合應用，實現了現代化智慧礦井的建設，能大幅度提升井下作業的安全系數。

人工智能化組合型防爆電氣設備中，采用了智能化傳感技術及微處理技術，可以通過數字通信系統，對電氣設備目前的運行情況實時在線監管、診斷等。且人工智能化組合型防爆電氣設備具有功能一體化、模塊化、可視化特征，整個系統處于信息共享下，還具備就地診斷、遠程診斷功能，可以實現網絡化控制及程序化操作。功能一體化，指所有的在線監測系統、可視化設備及傳感器等功能一體化，而模塊化功能，可以使其具備隨意更換、調換的功能，其內部搭載的可視化系統，能夠實現設備內部的可視化監控以及組態畫面與設備外部視頻的可視化，可以實時監控整個設備運行過程，了解各個元器件的實際工作情況，便于及時察覺危險因素，并做出及時應對，避免事故發生或事故擴大。總而言之，人工智能化組合型防爆電氣設備，可以通過對設備運行情況的系統監測，完成設備的故障處理，并提出相應的故障建議，能夠最大限度地完成爆炸品事故的防范、預處理，使設備運行達到最理想的狀態。

(4)隔爆外殼防爆技術

隔爆外殼具有較強的耐爆性和抑爆性，能有效遏制由設備自身高溫或設備電火花引起的爆炸事故。在防爆電氣設備外側使用隔爆外殼，可以將電氣運行期間產生的電火花與外界自然環境隔離開來，以免電火花噴射至具有爆炸性氣體或可燃性氣體的環境中，導致火災或爆炸發生。

(5)安全電路防爆技術

在防爆電氣設備運行過程中盡可能選用小電源、小電壓，提高電路自身的安全系數。如果電路中電流過大，則應適當調整電路電阻，達到減小電流的目的，或加大整個電路中的能耗，削弱元件能量，將電路控制在安全范圍內，以便在一定程度上排除爆炸隱患。同理，在設置防爆電氣設備的運行電路時，也可以加設超前切斷電源系統，給整個電氣設備的電流通路加設一道安全防護措施。在某處電流值超出閾值時，便自動跳閘、斷電。通常，超前切斷電源系統多用于電氣設備某處絕緣層損毀或發生機械損壞時，此時及時斷電，便可將設備運行及電路造成的爆炸風險扼殺在搖籃中[5]。

(6)正壓外殼技術

防爆電氣設備也可以使用正壓外殼，通過其壓力平衡原理，達到防止設備自爆等目的。在系統內部壓力高于周圍爆炸性壓力或強壓性壓力時，在壓力平衡后，正壓外殼便可以杜絕可燃性氣體進入外殼內部，實現防爆。

(7)外殼充油技術

在井下作業時，在防爆電氣設備外殼內充油，也可以在一定程度上避免設備爆炸。這類油的存在并不會導致設備燃燒，反而可以隔絕內部熱源和外界的可燃物，可以達到防爆目的。

(8)外部填砂技術

針對設備自爆的問題，可以通過在設備外部進行填砂處理的方式解決，能有效避免設備自爆引起的周圍環境爆炸。在設備內部爆炸或發生電火花時，在外殼覆蓋的沙土能夠隔絕設備內部的熱量，降低了內部熱量點燃外界可燃氣體的風險。

4.結束語

煤礦井下作業的安全防護尤為重要。各煤礦企業務必要加大對井下作業的安全管理，以免發生安全事故造成嚴重的經濟損失或人員傷亡事件。防爆電氣設備可以在一定程度上降低井下作業的爆炸風險，繼而提高煤礦井下作業的安全系數。為此，煤礦企業務必要加強井下防爆管理力度，積極使用冷磷化工藝技術、熱管技術、智能化技術、隔爆外殼防爆技術、安全電路防爆技術、正壓外殼技術、外殼充油技術、外部填砂技術等各類先進技術，與此同時，加大對新設備及新技術的研發力度，促進我國煤礦產業的可持續發展。