魏春榮，徐敏強(qiáng)，孫建華，姜天文

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱，150001；2.黑龍江科技學(xué)院安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027)

瓦斯抽采是煤礦瓦斯治理工作的一種基本方法，同時(shí)也是瓦斯利用的基礎(chǔ)手段。為了保證安全、高效地抽采和利用瓦斯，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：干式抽放瓦斯泵的吸氣側(cè)管路系統(tǒng)和利用系統(tǒng)中均必須裝設(shè)有防回火、防回氣和防爆炸作用的“三防”安全裝置。即一旦泵房管路系統(tǒng)發(fā)生瓦斯爆炸不至于波及到井下，如果地面利用系統(tǒng)出現(xiàn)瓦斯爆炸亦不能蔓延到泵房，可將爆炸的破壞和影響限制在最小范圍內(nèi)。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，此類裝置并無防回氣的功能，僅能防止爆炸傳播和蔓延，僅是一種阻爆或隔爆裝置[1]。

1 現(xiàn)有管路阻爆裝置的類型與阻爆原理

目前我國在用的瓦斯抽采和利用系統(tǒng)的管路阻爆裝置可概括為兩種類型，自動(dòng)滅火阻爆裝置和機(jī)械式阻爆裝置，機(jī)械式阻爆裝置又有干式與濕式二種。

1.1 機(jī)械式(濕式)阻爆裝置

各礦用的濕式阻爆裝置的大小和規(guī)格不完全相同，有方筒形，也有圓筒形。見圖1所示，其阻爆原理為：當(dāng)正常排放瓦斯時(shí)，瓦斯通過水封后再排出，如果瓦斯管路發(fā)生爆炸或燃燒，由于火焰被水封隔絕而熄滅，同時(shí)爆炸波沖破防爆蓋的膠皮板釋放了爆炸能量，遏制了爆炸(火焰)的傳播，可有效地保護(hù)井下、瓦斯用戶或泵房的安全[2]。

1.2 機(jī)械式(干式)阻爆裝置

干式阻爆裝置中有能夠通過氣體的不同材質(zhì)的阻火層，如金屬網(wǎng)、波紋板、多孔板或其他充填物，阻火層通道的孔隙均小于瓦斯的不傳爆間隙和熄火直徑。當(dāng)爆炸火焰進(jìn)入阻火層時(shí)即可在其通道內(nèi)熄滅，使用時(shí)將阻爆裝置串聯(lián)在瓦斯管路上[3]。

1-進(jìn)瓦斯管 2-注水口 3-防爆膠皮蓋 4-出瓦斯管 5-水箱 6-水位計(jì) 7-放水口 8-水封

圖1 機(jī)械式濕式阻爆裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 自動(dòng)滅火阻爆裝置

自動(dòng)裝置主要由傳感器、控制器、滅火瓶及噴嘴等組成，滅火阻爆系統(tǒng)見圖2。如管道內(nèi)發(fā)生瓦斯爆炸時(shí)，傳感器接收到紅外光信號(hào)，經(jīng)前置放大后傳輸?shù)娇刂破?，控制器?duì)信號(hào)進(jìn)行處理和二次放大并發(fā)出滅火指令；滅火系統(tǒng)接到指令后在5ms內(nèi)把滅火瓶閥門打開，噴灑滅火劑，將管道內(nèi)的爆炸火焰撲滅，從而阻止了爆炸的傳播與蔓延[2]。

1-爆源 2-瓦斯管路 3-傳感器 4-控制器 5-滅火瓶 6-噴嘴

圖2 滅火阻爆系統(tǒng)示意圖

2 現(xiàn)有阻爆裝置的應(yīng)用情況分析

自動(dòng)滅火阻爆裝置的技術(shù)先進(jìn)，靈敏度高、可靠性好[3-4]。其優(yōu)點(diǎn)是采用體積很小的傳感器安在管壁上,幾乎無阻力,利于抽放瓦斯。其缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜、價(jià)格昂貴,占用空間較大，大型抽放礦井應(yīng)用較為適宜；此外，因自動(dòng)滅火阻爆裝置噴灑劑是液態(tài)或者氣態(tài)，所以噴灑時(shí)間精確控制是個(gè)難點(diǎn)，一旦超前或者延后都會(huì)影響阻爆效果。

目前大多數(shù)的中、小型抽放礦井采用的是機(jī)械式阻爆裝置[5-6]，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、維護(hù)方便、安全可靠。其缺點(diǎn)是：對(duì)于干式阻爆裝置由于其阻火層通過率小，致使管路系統(tǒng)阻力較大，影響瓦斯抽放效果，另外阻火層空隙極易被粉塵、雜物及凝水堵塞，需要定期清理，頗為麻煩；對(duì)于濕式阻爆裝置，由于瓦斯是經(jīng)過“水浴”后排出，在負(fù)壓作用下水箱里的水容易被抽走，要不斷地向水箱補(bǔ)水，否則將失去阻爆作用。

3 新型固體材料管路阻隔爆裝置設(shè)計(jì)

為了解決現(xiàn)有瓦斯抽放管道阻爆裝置存在的不足，設(shè)計(jì)了一種基于新型固體材料的瓦斯抽放管道泄壓阻爆裝置。它包括瓦斯管道、控制單元、溫度傳感器、壓力傳感器、兩組通道封閉裝置和阻爆單元。

1-瓦斯管道 2-控制單元 3-溫度傳感器 4-壓力傳感器 7-壓力表8-抽真空口 51-電磁閥 52-擋板 61-圓筒型殼體 62-左擋板 63-阻爆材料層 64-右擋板

圖3 新型瓦斯抽放阻隔爆裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1-2-阻爆管路 7-壓力表 8-抽真空口 61- 圓筒型殼體

圖4 新型瓦斯抽放阻隔爆裝置結(jié)構(gòu)A-A向剖視圖

3.1 結(jié)構(gòu)及原理

一種瓦斯抽放管道泄壓阻爆裝置，包括瓦斯管道1、控制單元2、溫度傳感器3、壓力傳感器4、兩組通道封閉裝置和阻爆單元。

瓦斯管道1由一號(hào)連接管路1-1、二號(hào)連接管路1-3和阻爆管路1-2組成，所述一號(hào)連接管路1-1的一端與阻爆管路1-2的一端連通；阻爆管路1-2的另一端與二號(hào)連接管路1-3的一端連接；阻爆管路1-2的軸向截面的左、右兩邊均為圓弧型；

阻爆單元包括圓筒型殼體61、半球型脆性材料左擋板62、兩組阻爆材料層63和半球型右擋板64。圓筒型殼體61的左側(cè)開口采用半球型脆性材料左擋板62密封，圓筒型殼體61的右側(cè)開口采用半球型右擋板64密封，半球型脆性材料左擋板62與半球型右擋板64的開口方向相對(duì)設(shè)置。兩組阻爆材料層63平行設(shè)置在圓筒型殼體61內(nèi)，且兩組阻爆材料層63將圓筒型殼體61縱向分隔成三個(gè)封閉的空間，阻爆材料層63由泡沫陶瓷層和金屬網(wǎng)組成，金屬網(wǎng)包覆在泡沫陶瓷的外表面上，阻爆材料層63中可加入滅火材料，進(jìn)一步加強(qiáng)阻爆材料層63的阻爆能力。圓筒型殼體61上開有抽真空口，通過抽真空口將阻爆單元內(nèi)部抽為真空，真空腔體內(nèi)存在一定壓強(qiáng)的負(fù)壓，具有良好的泄壓、熄火、阻爆效果。壓力表7固定在圓筒型殼體61上，壓力表7用于采集阻爆單元內(nèi)部的壓力。擋板52為紫銅擋板，防止閉合時(shí)撞擊產(chǎn)生火花。

兩組通道封閉裝置的結(jié)構(gòu)相同，每組通道封閉裝置均由一個(gè)電磁閥51、彈性裝置和一個(gè)擋板52組成，擋板52的一端與電磁閥51鉸接，電磁閥51通電時(shí)，擋板52壓縮彈性裝置并吸附在電磁閥51上，在電磁閥51斷電時(shí)，擋板52的另一端在彈性裝置的作用力下彈至并搭接在半球型脆性材料左擋板62上；擋板52的長度小于或等于一號(hào)連接管路1-1的內(nèi)徑的1/2；兩組通道封閉裝置相對(duì)設(shè)置在二號(hào)連接管路1-3的內(nèi)壁上，該兩組通道封閉裝置的擋板52在電磁閥斷電時(shí)在彈性裝置的作用下彈開并搭接在半球型右擋板64上。

阻爆單元6固定在阻爆管路1-2中，且將阻爆管路1-2分為左、右兩個(gè)瓦斯通道。兩組通道封閉裝置相對(duì)設(shè)置在一號(hào)連接管路1-1的內(nèi)壁上，且分別位于所述兩個(gè)瓦斯通道口處?？刂茊卧?、溫度傳感器3和壓力傳感器4均固定在一號(hào)連接管路1-1的內(nèi)壁上，溫度傳感器3的溫度采集信號(hào)輸出端與控制單元2的溫度采集信號(hào)輸入端連接，壓力傳感器4的壓力采集信號(hào)輸出端與控制單元壓力采集信號(hào)輸入端連接，控制單元的控制信號(hào)輸出端同時(shí)與兩個(gè)電磁閥51的控制信號(hào)輸入端連接。擋板52為具有抗壓、抗爆能力的擋板。一號(hào)連接管路1-1與阻爆管路1-2之間、阻爆管路1-2與二號(hào)連接管路1-3之間均采用緊密配合螺紋連接。

在正常未發(fā)生爆炸情況下，該裝置通過兩個(gè)瓦斯通道進(jìn)行正常的抽放瓦斯工作。在爆炸情況下，爆炸沖擊波和火焰會(huì)向前傳播，當(dāng)安設(shè)在前方的溫度傳感器3和壓力傳感器4接收到信號(hào)時(shí)，會(huì)傳送給控制單元2進(jìn)行信號(hào)處理，處理后，信號(hào)傳送到電磁閥，電磁閥制動(dòng)擋板閉合，此時(shí)，爆炸氣體將不再通過瓦斯通道，在沖擊波能量急劇增加時(shí)，會(huì)壓迫半球型右擋板64進(jìn)行真空氣體泄壓、熄火、阻爆動(dòng)作，同時(shí)安設(shè)在真空腔體內(nèi)的阻爆材料層63，也進(jìn)行淬火、阻爆動(dòng)作，在雙重阻爆作用下，對(duì)抽放瓦斯管道中具有很好的阻爆效果，完成一次泄壓阻爆過程。

3.2 殼體尺寸設(shè)計(jì)

阻隔爆裝置1-2殼體設(shè)計(jì)必須滿足一定的技術(shù)要求，可采用鑄鐵、鑄鋁、鑄鋼等材料來制造。保證能耐腐蝕，此外，在內(nèi)部爆炸壓力作用下，阻隔爆裝置殼體不得發(fā)生破裂和永久性變形，并能承受0.9MPA以上的水壓實(shí)驗(yàn)，在水壓試驗(yàn)中，阻隔爆裝置內(nèi)部墊片及其他部位1min內(nèi)應(yīng)無滲漏和破裂或塑性變形等發(fā)生。對(duì)塑性材料制成的阻隔爆裝置殼體，其厚度可按下式來計(jì)算[7]：

(1)

式中：SB為阻火器殼體厚度，m；D為殼體中最大內(nèi)徑，cm；σL為材料允許拉應(yīng)力，Mpa；P為設(shè)計(jì)壓力，一般可取公稱壓力，Mpa；C為附加裕量，cm。

阻隔爆裝置殼體尺寸會(huì)直接影響流體阻力的大小，通常情況下，殼體外形尺寸如圖5，阻隔爆裝置殼體直徑(D)應(yīng)比與其配合使用的管道公稱直徑(d)大4倍(即D≈4d)，阻火層距離阻隔爆裝置殼體前、后端的長度分別為L′≈(0.5-1.5)D和L″≈(0.5-1.5)D，波紋阻隔爆裝置殼體外形參考尺寸見表1[8-9]。

圖5 通常阻爆器殼體外形尺寸

表1 波紋型阻火器殼體參考尺寸

設(shè)計(jì)新型固體材料阻爆裝置殼體外形尺寸設(shè)計(jì)符合上述要求，弧形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更有利于減少瓦斯抽放管路的摩擦阻力，參數(shù)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 新型阻爆器殼體外形尺寸設(shè)計(jì)

4 新型管路阻隔爆裝置特點(diǎn)

一種瓦斯抽放管道泄壓阻爆裝置，包括PLC控制柜、溫度壓力傳感器、智能擋片、真空腔體、阻爆材料、特殊材料擋板，其特征在于：

1)真空腔體內(nèi)安有阻爆材料，其兩端用特殊材料擋板密封，整個(gè)真空腔體裝置固定在特制瓦斯管道中。特制瓦斯管道內(nèi)安設(shè)溫度壓力傳感器和智能擋片，通過PLC控制柜接收、處理溫度壓力傳感器傳送的信號(hào)，來控制智能擋片的閉合，在特制瓦斯管道內(nèi)還設(shè)有密封壓力表和抽真空口。

2)智能擋片是由紫銅材質(zhì)做成，防止在閉合時(shí)撞擊產(chǎn)生火花。

3)阻爆材料是金屬網(wǎng)和泡沫陶瓷的組合體，具有良好的阻爆功效[10]。

4)真空腔體具有良好的泄壓、熄火、阻爆功效。

5)特殊材料擋板具有抗壓、抗爆的能力。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的新型阻隔爆裝置體積小，成本低，因阻爆材料屬于固體，解決了自動(dòng)阻隔爆裝置難精確控制阻爆裝置動(dòng)作時(shí)間問題。該裝置在未發(fā)生瓦斯爆炸時(shí)，瓦斯抽采氣體通過兩個(gè)瓦斯通道進(jìn)行正常的抽放瓦斯工作，克服了機(jī)械式阻爆裝置

阻火層通過率小、管路系統(tǒng)阻力較大、阻火層空隙易被堵塞的缺點(diǎn)；解決了濕式阻爆裝置需定期維修和補(bǔ)水的困擾。該阻爆裝置動(dòng)作迅速、靈敏，具有良好阻爆效果，大中小型礦井中均可使用，有一定的應(yīng)用前景。

[1] 趙輝.掘進(jìn)工作面的新型高效瓦斯自動(dòng)排放裝置[J].煤礦機(jī)電，2010(3):7-9.

[2] 邴吉杰.淺議瓦斯管路系統(tǒng)中阻爆裝置的應(yīng)用[J].煤礦安全，2000(7):11-12.

[3] 徐超,王偉杰,劉輝輝.淺析機(jī)械阻火器在瓦斯抽放系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].山西焦煤科技，2009(9):14-16.

[4] 潘峰.隔(抑)爆裝置在平頂山礦區(qū)的應(yīng)用[J].煤礦安全，2005,36(8)：15-18.

[5] 童宇,劉天生.淺議井下瓦斯爆炸阻爆技術(shù)的應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā)，24 (4):85-86.

[6] 王從銀,何學(xué)秋.瓦斯爆炸阻隔爆裝置失效原因的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2001,11(2):60-64.

[7] 王海福,馮順山.防爆學(xué)原理[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 2004: 119-121.

[8] 馬志遠(yuǎn). 瓦斯抽放系統(tǒng)管路摩擦阻力計(jì)算公式的探討[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2008,35(5):73-83

[9] 劉紀(jì)坤,王翠霞,崔永國,等. 高低負(fù)壓結(jié)合的西馮街煤礦瓦斯抽放系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦安全，2001(3):55-58.

[10] 孫建華. 基于多孔介質(zhì)的煤礦瓦斯阻隔爆技術(shù)研究 [D].北京:中國礦業(yè)大學(xué)(北京),2011.