瓦斯煤尘爆炸主动快速抑爆技术研究

2021-01-14黄子超

装备制造技术 2020年8期

黄子超

(中煤科工集团重庆研究院有限公司火灾爆炸防治研究分院，重庆400037)

在我国一次能源结构中，煤炭将长期是主体能源，但高瓦斯、瓦斯突出矿井占我国煤矿总数的46%。虽然“十三五”以来，煤矿安全生产形势好转，但瓦斯煤尘爆炸危险并没有得到根本解决，“十二五”和“十三五”期间，全国共发生一次性死亡10 人以上的重特大事故起数、死亡人数都没有明显的下降［1］。据统计，瓦斯事故造成的死亡人数占煤矿事故死亡人数的三分之一左右，瓦斯事故起数在重特大事故中比例极高［1］。依据近年来的《全国煤矿事故分析报告》(2006 年-2013 年)，在瓦斯事故中，瓦斯爆炸事故占较大瓦斯事故起数和死亡人数的55.1%和60.7%，占重、特大瓦斯事故的73.0%和82.8%。

隔抑爆技术将爆炸控制在初始阶段或一定范围内，是控制煤矿井下瓦斯煤尘爆炸事故灾害的重要技术措施。响应时间是影响隔抑爆效果的关键因素之一，响应时间越快，越能在短时间内形成有效隔抑爆屏障，控制爆炸灾害范围。传统被动式隔爆设施启动慢、隔爆介质屏障持续时间短，隔爆效果不理想。论文研究快速、主动探测爆炸火焰信息及控制技术，并快速启动控制措施，将爆炸事故控制在初始阶段，为矿井安全生产及管理提供了技术支持和安全保障。

1 煤矿井下隔抑爆技术现状

1.1 被动式隔爆技术

隔抑爆技术按作用原理分为被动式和主动式两大类，被动式隔爆技术是依赖爆炸产生的冲击波动力来抛撒或掀翻消焰剂形成一定范围的隔爆屏障，扑灭滞后于冲击波传播的火焰，阻止爆炸传播。主动隔爆技术依靠对爆炸信息的超前探测，输出控制信号快速喷撒抑制剂，在巷道空间内形成一定浓度的抑爆带，将爆炸火焰控制在初始阶段，保障井下人员和设施的安全。

煤矿控制瓦斯煤尘爆炸传播最早使用撒布岩粉方法，但随着采煤机械化的推广及瓦斯治理需要，巷道通风量及风速增大，撒布岩粉技术措施会造成粉尘飞扬，污染工作环境，威胁人员健康，已逐渐被淘汰。

隔爆水槽(水袋)在世界各主要产煤国得到了不同程度的开发和应用。我国从1980 年起研究并推广应用隔爆水槽、隔爆水袋，同时写入《煤矿安全规程》，是目前瓦斯矿井、煤尘爆炸性矿井普遍应用的隔爆措施，对提升矿井安全起到了一定的作用。隔爆水棚使用方便，具有较好的冷却降温、稀释可燃气浓度、隔绝热辐射的作用。然而，隔爆水棚受安装位置、动作时间等多因素影响，形成有效隔爆水幕的动作时间和爆炸火焰到达时间很难一致［2］，隔爆效果并不明显。而且，现场使用过程中存在水量容易蒸发、被煤粉污染、有效隔爆水幕的持续时间短等不利因素，造成灭火效率低。另外，煤矿井下硐室、掘进机等单点危险源，不利于隔爆水棚的安装使用。

1.2 主动式自动抑爆技术

发展主动快速抑爆技术及装备，是响应党和政府“遏制重特大事故，提升防灾减灾救灾能力”重要举措。煤矿井下主动抑爆技术已列入国家应急局“四个一批”推荐目录。

主动隔爆技术作为煤矿控制瓦斯煤尘爆炸危害的主要手段之一，主要包括主动喷水抑爆技术、主动喷粉抑爆技术以及主动喷惰性气体抑爆技术。世界上各主要产煤国均非常重视，相继研制了实时快速喷射抑爆装置来抑制爆炸火焰。英国研制了以压缩空气推动活塞喷水的MK-Ⅱ型抑爆装置，能在180 ms 内将水扩散到巷道空间；美国在研制了以爆破抛撒为原理的Cardox 型抑爆装置，形成粉雾时间180～490 ms；南非上个世纪90 年代末研制了HS 系列机载式阻燃抑爆系统和道路屏障系统［3］。近年来俄罗斯研发了巷道GBXT 自动化隔爆装置，开启速度可达到25 ms。国外这些产品隔抑爆设备中，应用广泛的是南非HS 公司研发的HS 系列主动抑爆系统。该系列系统在爆炸发生瞬间启动隔绝设备前后空间并扑灭爆炸和燃烧，从而阻断瓦斯煤尘爆炸传播反应链，将可能发生的瓦斯煤尘事故扼杀于萌芽状态。

2 主动抑爆技术的工作原理

主动式抑爆技术是在爆炸发生的初期，依靠快速自动探测爆炸信息和自动用物理化学方法，快速形成高浓度抑爆屏障，吸收火焰的能量，将火焰扑灭或阻隔。基于主动抑爆技术，国内研究机构研制了不同原理的自动抑爆装置［4］。

自动抑爆装置主要由紫外(红外)火焰传感器、控制器、抑爆器、直流稳压电源、矿用通信电缆等组成，其工作原理如图1 所示。当作业监测区出现瓦斯煤尘爆炸时，红外或紫外火焰传感器超前探测爆炸信号并传送到控制单元分析，由控制器发出指令使抑爆器动作，触发抑爆器内贮存的高能压缩气体或触发化学反应产生高压驱动气体快速喷撒抑爆介质，迅速生成有效的抑爆屏障，抑爆屏障对爆炸产生的冲击波压力和火焰进行降压灭火，抑制或隔绝瓦斯煤尘爆炸的传播，实现主动抑爆［5］。

图1 主动抑爆技术工作原理图

3 主动探测快速响应抑爆技术

3.1 爆炸火焰信息快速、准确响应技术

火焰传感器主要由外壳、电路板、玻璃窗、感光元件等组成，当火焰传感器检测到爆炸火焰信号时，快速探测并输出信号给控制器。

就CH4气体来说，火焰光谱波段从190 nm 开始，紫外到红外的范围内均有，虽然紫外的发光强度比较弱，但灵敏度比较大，有足够的光电流输出。基于爆炸火焰光谱的特点，为保证传感器的灵敏度、快速响应、抗干扰能力，光敏元件选用远紫外光探测原理。

太阳光的紫外波段截止在290 nm，红外波段截止在13 μm。爆炸火焰传感器紫外光电管的光谱响应为 185 ～ 260 nm［6］，在远紫外光的范围，因此该紫外光电管对太阳光不敏感。在爆炸初始时刻，由于火焰中的远紫外照射，紫外光电管的电子吸收了入射远紫外光子的能量逸出光阴极表面，在阴极电场作用下向阳极运动，从而产生电信号，达到检测爆炸火焰的目的。由于远紫外光能量高，输出电流大，在爆炸火焰初期能够快速感应，从接收到火焰信号到输出电信号的响应时间可达到1 ms 内。火焰传感器的工作原理如图2 所示。

图2 传感器工作原理图

火焰传感器光敏元器件设计选用双紫外光电管，两者为与的关系，即当两个均探测到信号时，其输出电路才会有输出。传感器配置了背景光探测，能够智能判别爆炸火焰信息和环境光源，防止火焰信号触发错误，从而造成整个装置的误动作。传感器电路设置有故障信号判断与输出电路，在控制器上可以监测传感器的运行状况。

3.2 控制技术

控制器接收爆炸火焰探测器信号，经过判断分析后决定是否触发抑爆器和隔爆器。控制器是一个以先进的微处理器为核心的微型计算机系统，是隔抑爆装置的信号中枢。

控制器集多种功能于一身，实现爆炸火焰信号的实时接收、判别及隔抑爆系统终端的实时控制，具有信息判断、储存、自身状态诊断等辅助功能。控制器主要由数据采集模块、显示模块、实时控制模块、数据存储模块、红外遥控模块、RS485 通信模块、看门狗模块、分布式电源模块、EMI 处理模块等组成。控制器通过RS485 通信接口与上位机监控软件实现数据交换。控制器的电路工作原理如图3 所示。

图3 控制器工作原理图

控制器的核心处理单元选用智能芯片XC9536的CPLD，该芯片是可编程的逻辑器件，负责对火焰传感器的信号采样、设备故障信号采样等。爆炸信号的所有信息接收和输出控制都通过该芯片完成，处理单元响应时间快，逻辑控制准确，从接收火焰信号，经逻辑判断并输出控制信号的时间间隔≤4 ms。

控制器逻辑程序采用智能化设计，能够自动检测传感器、抑爆器、电源等设备工作状况，及时提供故障信息。控制器采用可编程的单片机，实现信息集中处理和部分控制。控制部分分为采样操作控制、通信转换控制、信息调用存储控制和显示控制等。控制器环境适应性强、最多可接2 台火焰探测器、4 台抑爆器，并能够对传感器探测关系、抑爆器接入数量进行设置，能够保存多组触发记录，重要的数据可随时间存储、回放。

3.3 抑爆器快速触发技术

煤矿井下安全保障主动抑爆技术的最终执行部分为抑爆器。为提高抑爆剂喷撒动作时间和有效抑爆屏障的形成时间，抑爆器采用储压式工作原理，即在正常工作状态下抑爆罐体内储存抑爆消焰剂和高压驱动气体。抑爆罐体与喷撒机构之间采用快速开启阀门密封连接。储压式抑爆器相对于产气原理的抑爆器，节省了气体发生器反应和压力上升时间，喷撒响应时间快，提高了消焰剂快速成雾效果。

快开阀门为常闭结构，当有瓦斯(煤尘)爆炸事故发生时，快开阀接收到控制单元发出的触发信号后快速打开，消焰剂随之在高压惰性气体作用下快速喷出，在爆炸初始时刻或者在爆炸火焰到达前形成隔抑爆云幕，起到扑灭或阻隔爆炸火焰的作用。快开阀门的结构示意图如图4 所示，其依靠外部电流信号的触发，点爆触发器，在内部瞬间产生高压气体，推动活塞移动拉断阀杆，从而实现罐体与喷撒机构连通。