赫爾穆特·斯帕特 艾伯特·于 牛德文

(1.山西蘭花漢斯瓦斯抑爆設(shè)備有限公司,山西省晉城市,048000;2.晉城市安全生產(chǎn)技術(shù)協(xié)會(huì),山西省晉城市,048000)

應(yīng)對(duì)現(xiàn)代煤礦開采安全的主動(dòng)抑爆系統(tǒng)

赫爾穆特·斯帕特1艾伯特·于1牛德文2

(1.山西蘭花漢斯瓦斯抑爆設(shè)備有限公司,山西省晉城市,048000;2.晉城市安全生產(chǎn)技術(shù)協(xié)會(huì),山西省晉城市,048000)

HS煤礦主動(dòng)抑爆系統(tǒng)源于軍用技術(shù),基于智能化超高速特性,能夠有效地抑制瓦斯和煤塵爆炸的破壞性形成與擴(kuò)展,是煤礦防治瓦斯和煤塵技術(shù)上的重大突破。

瓦斯/煤塵爆炸 被動(dòng)隔爆裝置 主動(dòng)抑爆系統(tǒng)

1 應(yīng)對(duì)現(xiàn)代煤礦開采帶來(lái)的安全挑戰(zhàn)

隨著科技的發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn),機(jī)械化開采在現(xiàn)代煤礦中得到了越來(lái)越廣泛的推廣應(yīng)用,而且正在趨于向著大功率和自動(dòng)化的方向發(fā)展。

憑借著大量現(xiàn)代化開采設(shè)備的應(yīng)用,不僅極大地提高了生產(chǎn)效率,而且所開采的煤層和地質(zhì)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。大強(qiáng)度和高難度的煤層開采必然帶來(lái)安全生產(chǎn)上的新問(wèn)題,尤其是對(duì)于防治威脅煤礦安全的“第一殺手”——瓦斯的難度更為突顯。

因此,現(xiàn)代化開采帶動(dòng)煤炭行業(yè)進(jìn)步的同時(shí)也為煤礦安全帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。大功率機(jī)械化采礦形成的大強(qiáng)度落煤,不僅造成瓦斯涌出量及煤塵揚(yáng)起量急劇加大,同時(shí)由于機(jī)械碰巖不可避免地會(huì)產(chǎn)生火花。這實(shí)際上形成了采用傳統(tǒng)方式防治瓦斯爆炸無(wú)法解決的新的礦井安全隱患,一旦這些危險(xiǎn)因素(燃料、氧氣、點(diǎn)火源)耦合,即可造成瓦斯或煤塵爆炸事故。

傳統(tǒng)方式的瓦斯爆炸防治手段主要是消除瓦斯爆炸的條件,因此也被稱為消爆手段。在消爆手段面臨無(wú)法克服的缺陷的情況下,就需要一種有效的抑爆手段,用來(lái)解決機(jī)械化開采帶來(lái)的安全隱患,以彌補(bǔ)傳統(tǒng)隔(抑)爆手段的不足?；谕咚购兔簤m爆炸對(duì)于煤礦的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,有效的隔(抑)爆手段應(yīng)當(dāng)達(dá)到以下目的:

(1)抑制爆炸、阻斷爆炸的擴(kuò)散和傳播;

(2)阻斷有毒有害氣體的形成;

(3)阻止破壞性沖擊波的形成;

(4)阻止溫度超出人類可承受范圍;

(5)拯救生命和礦井財(cái)產(chǎn)。

目前煤礦普遍推廣使用的隔爆技術(shù)是在20世紀(jì)第一代隔爆水袋基礎(chǔ)上改良而來(lái)的各種被動(dòng)隔爆裝置。被動(dòng)隔爆裝置的機(jī)理是依靠爆炸沖擊波的動(dòng)力,并利用沖擊波和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臅r(shí)間差,首先驅(qū)動(dòng)內(nèi)置消焰劑形成抑制帶以限制煤塵揚(yáng)起的程度,然后當(dāng)火焰來(lái)臨時(shí)在一定程度上抑制爆炸火焰以實(shí)現(xiàn)切斷爆炸反應(yīng)鏈。所有的被動(dòng)隔爆裝置受限于工作機(jī)理的制約,其作用范圍和效果非常有限,而且在實(shí)際使用中還受環(huán)境和人為因素的直接影響。綜合全球主要研究機(jī)構(gòu)的研究成果,被動(dòng)隔爆裝置普遍存在的局限性見(jiàn)表1。

表1 被動(dòng)隔爆裝置特性表

2 HS煤礦主動(dòng)抑爆系統(tǒng)的技術(shù)特性

在認(rèn)識(shí)到被動(dòng)隔爆系統(tǒng)的先天缺陷后,多數(shù)國(guó)際研究機(jī)構(gòu)于20世紀(jì)70年代開始在技術(shù)方面探索其他可能的替代技術(shù)和方向。1985年,M·法貝爾(M·Faber)和E·W·紹爾(E·W·Scholl)在悉尼發(fā)表的《自動(dòng)抑制混合源爆炸在煤礦井下的應(yīng)用報(bào)告》中首次提出了主動(dòng)抑爆技術(shù)的概念和技術(shù)設(shè)想雛形,隨后引起了多個(gè)國(guó)家和研究機(jī)構(gòu)的重視,并先后開展針對(duì)此概念的技術(shù)研究和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

1990年,南非國(guó)家工業(yè)技術(shù)研究委員會(huì)(CSIR)首次對(duì)基于軍用技術(shù)改進(jìn)的礦用主動(dòng)抑爆系統(tǒng)進(jìn)行了第一階段論證性測(cè)試,并取得了成功。1994年,在米德伯格煤礦瓦斯爆炸事故后,應(yīng)總統(tǒng)授權(quán)里昂委員會(huì)的要求,南非正式邀請(qǐng)各國(guó)研究機(jī)構(gòu)和公司參與煤礦用主動(dòng)抑爆系統(tǒng)和產(chǎn)品的研發(fā)及測(cè)試論證工作。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)7年時(shí)間的研發(fā)、改進(jìn)和測(cè)試,2001年,由HS設(shè)計(jì)與工程有限公司生產(chǎn)的EXPLOSPOT主動(dòng)抑爆系統(tǒng)成為了歷史上第一家,也是目前唯一一家通過(guò)國(guó)際礦業(yè)研究聯(lián)盟(GMRA)測(cè)試及南非國(guó)家綜合測(cè)試取得資格的主動(dòng)抑爆產(chǎn)品供應(yīng)廠商。

主動(dòng)抑爆技術(shù)是一種憑借傳感器捕捉并解析爆炸信號(hào),進(jìn)而主動(dòng)針對(duì)爆炸事故做出抑爆動(dòng)作的超高速阻燃抑爆技術(shù)。HS主動(dòng)抑爆系統(tǒng)的核心作用:

(1)抑制采掘面瓦斯和煤塵爆炸(抑爆作用);

(2)阻斷瓦斯和煤塵爆炸的擴(kuò)散(隔爆作用)。

為了證實(shí)HS主動(dòng)抑爆系統(tǒng)的實(shí)際效能,該公司建立了專用的測(cè)試設(shè)施,國(guó)際礦業(yè)研究聯(lián)盟及南非國(guó)家工業(yè)技術(shù)研究委員會(huì)就HS主動(dòng)抑爆系統(tǒng)的不同應(yīng)用進(jìn)行了測(cè)試和鑒定。西班牙、美國(guó)、澳大利亞和中國(guó)等國(guó)家以及第三方研究機(jī)構(gòu)也先后對(duì)HS主動(dòng)抑爆系統(tǒng)進(jìn)行了超過(guò)1000項(xiàng)不同環(huán)境和項(xiàng)目的測(cè)試,這些測(cè)試結(jié)構(gòu)均得到同樣的結(jié)果——HS主動(dòng)抑爆系統(tǒng)可以有效地抑制各種環(huán)境下的瓦斯和煤塵混合爆炸。

通過(guò)合理地進(jìn)行設(shè)置,HS主動(dòng)抑爆系統(tǒng)在抑制初期爆炸時(shí)可以有效地控制有毒有害氣體總量;阻止殺傷性沖擊波的生成;阻止升溫超出人類承受極限,最終實(shí)現(xiàn)拯救生命和挽救財(cái)產(chǎn)損失的目的。

HS主動(dòng)抑爆系統(tǒng)的主要應(yīng)用特征見(jiàn)表2。

通過(guò)對(duì)比HS主動(dòng)抑爆系統(tǒng)和被動(dòng)隔爆裝置的特點(diǎn),可以清楚地發(fā)現(xiàn),HS主動(dòng)抑爆系統(tǒng)不僅可以克服被動(dòng)隔爆裝置的先天缺陷,而且通過(guò)合理布置和使用,HS主動(dòng)抑爆系統(tǒng)可以有效地控制煤礦爆炸事故,最大限度地挽救工人的生命和煤礦財(cái)產(chǎn)。

表2 HS主動(dòng)抑爆系統(tǒng)特性表

3 HS主動(dòng)抑爆系統(tǒng)的推廣應(yīng)用

HS煤礦主動(dòng)抑爆系統(tǒng)是專門針對(duì)瓦斯和煤塵爆炸而開發(fā)的超高速主動(dòng)抑爆裝置,該系統(tǒng)以其獨(dú)特的技術(shù)性能實(shí)現(xiàn)了真正意義上的抑爆,在瓦斯和煤塵爆炸防治技術(shù)上具有突破性。

(1)智能化識(shí)別。先進(jìn)的傳感技術(shù)和信號(hào)辨識(shí)技術(shù)可以準(zhǔn)確和迅速的判定信號(hào),辨識(shí)爆炸和燃燒信號(hào),并且對(duì)煤礦井下所有已知偽信號(hào)源免疫。

(2)超高速啟動(dòng)。先進(jìn)的超高速啟動(dòng)結(jié)構(gòu)具有全球最快的響應(yīng)速度,可以在2 ms內(nèi)打開抑爆裝置。

(3)全自動(dòng)抑爆。先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、啟動(dòng)、數(shù)據(jù)記錄全程自動(dòng)化,正常使用無(wú)需人為操作。系統(tǒng)內(nèi)置黑匣子可以確保系統(tǒng)參數(shù)和數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄和保存。

(4)程序化自檢。先進(jìn)的集成自動(dòng)檢測(cè)功能為設(shè)備提供了全時(shí)段適時(shí)性能自檢,確保了系統(tǒng)運(yùn)作正常。

(5)模塊化設(shè)計(jì)。在高可靠性設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝技術(shù)上,系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案,確保了礦用環(huán)境下使用的靈活性和便捷性。

(6)單元化產(chǎn)品。根據(jù)不同的煤礦作業(yè)環(huán)境和隔(抑)爆需求,HS產(chǎn)品具有三大系列產(chǎn)品,分別是機(jī)載系列、支架系列和巷道系列。高度整合的單元化產(chǎn)品便于用戶在不同環(huán)境下使用產(chǎn)品,用戶可根據(jù)不同作業(yè)環(huán)境和防護(hù)強(qiáng)度需要組合使用,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的隔(抑)爆效果。

根據(jù)HS主動(dòng)抑爆系統(tǒng)所具有的技術(shù)性能,為了發(fā)揮好其功效,經(jīng)過(guò)對(duì)中國(guó)煤礦實(shí)際情況的調(diào)查,在安裝使用中應(yīng)做好以下3點(diǎn):

(1)構(gòu)建抑爆防護(hù)系統(tǒng)。在礦井存在爆炸危險(xiǎn)的高危區(qū),如采掘工作面,設(shè)置為區(qū)域性防護(hù)系統(tǒng),并分別設(shè)置主動(dòng)抑爆區(qū)與輔助抑爆區(qū)。主動(dòng)抑爆區(qū)的系統(tǒng)設(shè)置,如機(jī)載式系統(tǒng)和支架式系統(tǒng),主要作用于主動(dòng)抑爆,阻止爆炸的發(fā)展;輔助抑爆區(qū)的系統(tǒng)設(shè)置在采掘工作面所屬巷道中的巷道式系統(tǒng),主要作用于屏障隔爆,阻止爆炸向外擴(kuò)散。此外,對(duì)一些有必要進(jìn)行抑爆防護(hù)的高危點(diǎn),如煤倉(cāng)口、轉(zhuǎn)載點(diǎn)、配電點(diǎn)等,設(shè)置為點(diǎn)位性防護(hù)系統(tǒng)。建立智能化礦井,可將抑爆防護(hù)系統(tǒng)管理集成于全礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中。

(2)系統(tǒng)組合聯(lián)動(dòng)。單套抑爆系統(tǒng)設(shè)備之間使用專用電纜連接為組合聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。支架式系統(tǒng)以及同一道位置的巷道式系統(tǒng)的安裝均應(yīng)使之互聯(lián)。前者互聯(lián),可以依據(jù)采煤工作面發(fā)生爆炸(或燃燒)時(shí)的初始情況,進(jìn)行單臺(tái)或多臺(tái)智能選擇性的啟動(dòng);后者互聯(lián),可以使設(shè)置在同一道的多臺(tái)巷道式系統(tǒng)同步啟動(dòng),以達(dá)到最優(yōu)的屏障隔爆效果。

(3)人工緊急啟動(dòng)阻燃。HS主動(dòng)抑爆系統(tǒng)備有配置緊急啟動(dòng)裝置的接口。在礦井發(fā)生燃燒時(shí),若其能量不足以啟動(dòng)系統(tǒng)的滅火釋放裝置,且采用人工滅火方法又不能控制火勢(shì)的情況下,就要操作抑爆系統(tǒng)設(shè)備的緊急啟動(dòng)阻燃裝置進(jìn)行滅火。

HS主動(dòng)抑爆系統(tǒng)不僅在2001年通過(guò)了國(guó)際礦業(yè)研究聯(lián)盟及南非國(guó)家認(rèn)證,還先后通過(guò)了西班牙、美國(guó)、德國(guó)和中國(guó)等國(guó)家及其他獨(dú)立第三方認(rèn)證。該產(chǎn)品先后為英美礦業(yè)集團(tuán)、南非沙索爾集團(tuán)等世界頂級(jí)礦業(yè)公司裝備使用,同時(shí)通過(guò)久益(JOY)公司標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)證并順利列入其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化配件序列。HS主動(dòng)抑爆系統(tǒng)設(shè)備由山西省晉城市引進(jìn)中國(guó)后,于2009年12月份通過(guò)中國(guó)國(guó)家安全標(biāo)志認(rèn)證,目前已在晉城市部分煤礦正式安裝使用。

現(xiàn)代煤礦技術(shù)裝備需要向著不斷提高生產(chǎn)力和生產(chǎn)率的方向發(fā)展,同時(shí)也必須兼顧生產(chǎn)安全問(wèn)題,對(duì)于發(fā)展過(guò)程中的安全挑戰(zhàn)和隱患必須予以足夠的重視。主動(dòng)抑爆系統(tǒng)是現(xiàn)代煤礦安全的重要組成部分,HS主動(dòng)抑爆系統(tǒng)是彌補(bǔ)現(xiàn)有消爆手段不足的最佳解決方案。

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Evaluation of active explosion suppression system for modern coal mining safety

Helmuth Spath1,Albert S.Yu1,Niu Dewen2
(1.Shanxi Lanhua HS Suppression System Co.,Ltd.,Jincheng,Shanxi 048000,China;2.Jincheng Association of Technology Work Safety,Jincheng,Shanxi 048000,China)

The HS mine active suppression system,derived from military technology and based on intelligent high speed activation can provide an effective and practical method for the elimination of the devastating effects of a gas/coal dust explosion in a mining operation.This is a major breakthrough in gas/coal dust explosions prevention technology.

gas/coal dust explosion,passive isolation equipment,active explosion suppression system

TD712.7 TD713.5

A

赫爾穆特·斯帕特(1949-),男,南非國(guó)籍,資深高級(jí)工程師,火災(zāi)和爆炸防護(hù)裝置專利技術(shù)發(fā)明人。

(責(zé)任編輯 溫子伯)