劉 璽

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

瓦斯爆炸與煤塵爆炸作為礦井的重大災(zāi)害事故，一旦發(fā)生將會(huì)給煤礦企業(yè)帶來(lái)巨大的災(zāi)難，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。煤礦隔爆技術(shù)是預(yù)防瓦斯、煤塵爆炸的三道防線之一，也是最后一道防線，因此，通過(guò)設(shè)置井下自動(dòng)隔爆裝置成為有效抑制煤塵瓦斯爆炸，降低爆炸災(zāi)害損失的重要途徑[3]。

傳統(tǒng)的隔爆裝置存在隔爆效果差，失效情形多，裝置維護(hù)工作量大以及安裝移動(dòng)困難等問(wèn)題[4-6]。自動(dòng)隔爆裝置采用新型滅火介質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水、巖粉等，隔爆的穩(wěn)定性得到增強(qiáng)；同時(shí)配置沖擊波接收板，以沖擊波作為自動(dòng)隔爆裝置的高速啟動(dòng)信號(hào)，達(dá)到超前隔爆效果；此外，煤礦自動(dòng)隔爆裝置以純機(jī)械設(shè)計(jì)，摒棄電器類元件，在降低人工維護(hù)成本、增強(qiáng)裝置安裝靈活性的同時(shí)，提升了自動(dòng)隔爆裝置自身的安全性。

1 隔爆技術(shù)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)自動(dòng)隔爆技術(shù)研究較為成熟的國(guó)家有俄羅斯、德國(guó)、英國(guó)、南非等國(guó)家。其中南非研制生產(chǎn)的用于瓦斯抑爆的HS型抑爆系統(tǒng)[7]技術(shù)含量高，以其主動(dòng)檢測(cè)、高速啟動(dòng)、自動(dòng)滅火的特性來(lái)抑制瓦斯和煤塵爆炸的擴(kuò)散，比同類型產(chǎn)品反應(yīng)更加迅速靈敏、噴發(fā)更加有效可靠、延遲時(shí)間也進(jìn)一步降低。但是，該產(chǎn)品仍然沒(méi)有解決帶電帶傳感器產(chǎn)品在井下使用的諸多弊端，由于這類裝置均帶有電氣部件或傳感器多，在井下潮濕環(huán)境條件下易于損壞，安全隱患大，維護(hù)難度大，安裝位置受限，而且造價(jià)高，結(jié)構(gòu)、安裝調(diào)試更復(fù)雜、加工精度要求更高、技術(shù)更難掌握。此外，由于電氣零部件還可能產(chǎn)生新的安全隱患，因此在煤礦井下應(yīng)用具有一定的局限性。

1.2 國(guó)內(nèi)隔爆技術(shù)

研究現(xiàn)狀：我國(guó)在煤礦隔爆技術(shù)的研究方面雖然已經(jīng)取得重要進(jìn)展，但總體而言，我國(guó)煤礦隔爆技術(shù)與世界先進(jìn)水平相比依然相對(duì)滯后。國(guó)內(nèi)使用的隔爆水袋，隔爆水槽等產(chǎn)品雖具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，但隔爆效果不穩(wěn)定，隔爆失效情形多，受爆炸條件和外在因素影響嚴(yán)重，并且此類裝置需要日常維護(hù)、加水除塵、移動(dòng)頻繁，從而增加了井下施工人員工作量[8]。隨著煤礦機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)自動(dòng)隔爆裝置進(jìn)行了更深入的研究。季曉華[9]等人針對(duì)隔爆裝置中配氣速度慢、體積大等問(wèn)題設(shè)計(jì)了應(yīng)用于隔爆實(shí)驗(yàn)裝置中的新型自動(dòng)配氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高精度配置多種氣體；蔣曙光[10]利用真空吸氣原理設(shè)計(jì)真空腔體結(jié)構(gòu)，有效熄滅了瓦斯爆炸火焰，抑制了瓦斯爆炸波；趙益[11]等人針對(duì)自動(dòng)隔爆技術(shù)的局限性，設(shè)計(jì)氣體反沖式固體隔爆裝置，對(duì)井下爆炸后的二次爆炸或多次爆炸發(fā)揮隔爆作用；喻健良[12]通過(guò)研究多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸氣體的抑制作用，發(fā)現(xiàn)絲網(wǎng)的層數(shù)，絲網(wǎng)數(shù)量越多，絲徑越大，開口與體積空間率越小，對(duì)爆炸的抑制性能越好。

應(yīng)用現(xiàn)狀：目前我國(guó)煤礦使用的隔爆裝置為被動(dòng)式的居多，該類型隔爆裝置在爆炸發(fā)生時(shí)，通過(guò)接受爆炸沖擊作為動(dòng)力，使自身遭受破壞從而觸發(fā)裝置動(dòng)作，釋放裝置內(nèi)的滅火介質(zhì)，以達(dá)到抑制爆炸的效果。但是被動(dòng)隔爆裝置作為一次性的隔爆裝置，無(wú)重復(fù)使用性，對(duì)于煤塵瓦斯爆炸衍生的二次爆炸不具備隔爆功能[13]，無(wú)法為安全生產(chǎn)提供強(qiáng)有力保障。因此，自動(dòng)隔爆裝置在煤礦的應(yīng)用成為保證煤礦與人員安全的不可或缺的技術(shù)。

2 自動(dòng)隔爆裝置

2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

裝置結(jié)構(gòu)：自動(dòng)隔爆裝置由主體、錨固件、推桿、懸掛裝置、沖擊波接收裝置(接收板)、礦井條件下專用緊固結(jié)構(gòu)等部分組成。同時(shí)在裝置主體內(nèi)部可存放35 kg的滅火粉。自動(dòng)隔爆裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-巷道頂板；2-滅火介質(zhì)云霧；3-主體；4-錨固件；5-推桿；6-懸掛裝置；7-沖擊波接收裝置(接收板)；8-礦井條件下專用緊固結(jié)構(gòu)；9-沖擊波鋒面；10-爆炸火焰鋒面

工作原理：當(dāng)煤礦井下發(fā)生瓦斯或煤塵爆炸時(shí)，由于爆炸形成的充氣波的傳播速度大于爆炸火焰的傳播速度，爆炸沖擊波最先抵達(dá)自動(dòng)隔爆裝置的接收板，接收板接收沖擊波信號(hào)后帶動(dòng)推桿后移動(dòng)，觸動(dòng)主體內(nèi)部的鎖緊裝置，從而觸發(fā)裝置動(dòng)作。在25 ms內(nèi)，使儲(chǔ)存在主體內(nèi)的滅火介質(zhì)迅速噴出，形成有效長(zhǎng)度在30 m以上，濃度超過(guò)110 g/m3的滅火介質(zhì)云霧團(tuán)。該云霧團(tuán)可在巷道空氣中穩(wěn)定懸浮370 s以上，在爆炸火焰到達(dá)之前形成穩(wěn)定的隔爆屏障，從而抑制爆炸火焰的進(jìn)一步擴(kuò)散。

2.2 滅火原理

煤礦自動(dòng)隔爆裝置采用超細(xì)干粉作為滅火劑是由于該類滅火劑粒徑小，流動(dòng)性較強(qiáng)，同時(shí)具有良好的抗復(fù)燃性、彌散性和電絕緣性，并且當(dāng)超細(xì)干粉滅火劑遇到爆炸火焰時(shí)，可利用物理、化學(xué)雙重滅火機(jī)對(duì)火焰進(jìn)行阻隔、熄滅。超細(xì)干粉滅火劑爆炸火焰到達(dá)之前形成隔斷保護(hù)屏障，實(shí)現(xiàn)了被保護(hù)物與空氣的隔絕，阻斷再次燃燒所需的氧氣，以物理方式防止復(fù)燃；另外，超細(xì)干粉滅火劑通過(guò)與燃燒物火焰接觸，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，能迅速奪取燃燒自由基與熱量，從而切斷燃燒鏈，實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰的撲滅；同時(shí)超細(xì)干粉滅火劑與火焰反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的玻璃狀物質(zhì)吸附在被保護(hù)物表面形成一層隔離層，從而隔離氧氣，避免火焰復(fù)燃[14-16]。

2.3 自動(dòng)隔爆裝置優(yōu)勢(shì)分析

自動(dòng)隔爆裝置相對(duì)于傳統(tǒng)的隔爆水袋等裝置，在隔爆的穩(wěn)定性、滅火性能等多方面展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)，在節(jié)能降耗的同時(shí)，為煤礦的井下安全提供了更為穩(wěn)固的保障。

隔爆性能穩(wěn)定可靠：自動(dòng)隔爆裝置打破了與爆炸源距離的限制，充分利用沖擊波傳播速度與火焰?zhèn)鞑サ乃俣炔钸M(jìn)行超前探測(cè)，可在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)迅速啟動(dòng)隔爆裝置，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的隔爆水袋因沖擊波和火焰?zhèn)鞑ゴ嬖跁r(shí)間差而造成的失效問(wèn)題。同時(shí)，自動(dòng)隔爆裝置基于自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，在接受首次爆炸沖擊后，依舊可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)于二次或多次爆炸進(jìn)行不間斷的抑制與阻隔，使自動(dòng)隔爆裝置自身的性能得以提升。

隔爆效果明顯：自動(dòng)隔爆裝置可使用90%的粒徑小于20 μm的超細(xì)干粉代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水、巖粉等作為滅火介質(zhì)，在增強(qiáng)噴射的有效范圍的同時(shí)，持續(xù)飄散充滿整個(gè)空間，并且隨著沖力繼續(xù)擴(kuò)散增大滅火范圍，并持續(xù)阻隔，避免了保護(hù)盲區(qū)出現(xiàn)；超細(xì)干粉與爆炸火焰進(jìn)行物理、化學(xué)雙重混合反應(yīng)對(duì)火焰進(jìn)行熄滅，切斷火焰的傳播途徑，從而降低爆炸損失。

裝置維護(hù)工作量?。鹤詣?dòng)隔爆裝置以純機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不配備任何電氣元件，且檢修周期較長(zhǎng)，避免日常人工維護(hù)，大幅節(jié)約了人力、物力、財(cái)力。

裝置安裝移動(dòng)靈活：自動(dòng)隔爆裝置采用錨桿直接吊掛，并可安裝于架線電機(jī)車和單軌電機(jī)車巷道或一般巷道，也可安裝于傾角大于18°的傾斜巷道、不規(guī)則巷道、小段面巷道等，突破了傳統(tǒng)隔爆裝置安裝條件限制，優(yōu)化了隔爆裝置配備的靈活性，對(duì)于傳統(tǒng)的隔爆裝置難覆蓋區(qū)域提供了有力的安全保障。

適用爆炸強(qiáng)度范圍廣：相對(duì)于只適用于弱爆范圍的傳統(tǒng)隔爆裝置，自動(dòng)隔爆裝置的適用爆炸強(qiáng)度得到提高，即可用于弱爆至強(qiáng)爆全范圍，進(jìn)而消除了因爆炸強(qiáng)度不同而引起的傳統(tǒng)隔爆裝置的失效問(wèn)題，有效確保了巷道工作人員的人身安全。

3 自動(dòng)隔爆裝置的應(yīng)用

3.1 分類安裝

自動(dòng)隔爆裝置的安裝符合《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定、安裝標(biāo)準(zhǔn)及要求，對(duì)于不同長(zhǎng)度的掘進(jìn)巷道，自動(dòng)隔爆裝置的安裝方式與配置數(shù)量都有不同的要求與規(guī)定。

掘進(jìn)巷道長(zhǎng)度L小于30 m 時(shí)：需在與掘進(jìn)巷道聯(lián)通的主巷道兩側(cè)，且距離掘進(jìn)巷道60～75 m處，各自設(shè)置一個(gè)自動(dòng)隔爆裝置，如圖2所示。

圖2 L<30 m時(shí)自動(dòng)隔爆裝置的安裝

30 m≤L≤120 m時(shí)：在距離掘進(jìn)巷道兩側(cè)60～75 m處主巷道處各自放置一個(gè)自動(dòng)隔爆裝置的同時(shí)，需在掘進(jìn)巷道內(nèi)且距離掘進(jìn)工作面30～60 m處放置一個(gè)自動(dòng)隔爆裝置，如圖3所示。

圖3 30 m≤L≤120 m時(shí)自動(dòng)隔爆裝置的安裝

120 m≤L≤360 m時(shí)：在掘進(jìn)巷道內(nèi)且距離掘進(jìn)工作面30～60 m處放置一個(gè)自動(dòng)隔爆裝置，并在距離該隔爆裝置60～240 m處放置另一個(gè)自動(dòng)隔爆裝置，如圖4所示。

圖4 120 m≤L≤360 m時(shí)自動(dòng)隔爆裝置的安裝

L≥600 m時(shí)：在掘進(jìn)巷道內(nèi)切距離掘進(jìn)工作面30～60 m處放置一個(gè)自動(dòng)隔爆裝置的同時(shí)，以間距為240 m，在掘進(jìn)巷道內(nèi)放置另外2個(gè)自動(dòng)隔爆裝置，如圖5所示。

圖5 L≥600 m時(shí)自動(dòng)隔爆裝置的安裝

3.2 實(shí)際應(yīng)用

自動(dòng)隔爆裝置依據(jù)國(guó)家《煤礦安全規(guī)程》安裝標(biāo)準(zhǔn)及要求在陜西黃陵二號(hào)煤礦采、掘進(jìn)工作面進(jìn)行安裝應(yīng)用。該類自動(dòng)隔爆裝置有效覆蓋了黃陵二號(hào)煤礦的大面積區(qū)域，經(jīng)測(cè)試，該類自動(dòng)隔爆裝置接受沖擊波后可迅速啟動(dòng)，正常運(yùn)轉(zhuǎn)，噴射長(zhǎng)距離、持續(xù)的超細(xì)干粉抑爆介質(zhì)，為該區(qū)域的隔爆提供了強(qiáng)有力的安全保障，確保了井下工作人員的人身安全，促進(jìn)了黃陵二號(hào)煤礦安全生產(chǎn)工作的穩(wěn)定進(jìn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

煤礦自動(dòng)隔爆裝置利用爆炸沖擊波與火焰?zhèn)鞑サ乃俣炔?，?shí)現(xiàn)了超前隔爆，提高隔爆裝置的穩(wěn)定性；煤礦自動(dòng)隔爆裝置在25 ms內(nèi)啟動(dòng)裝置，通過(guò)噴射長(zhǎng)度在30 m以上，濃度超過(guò)110 g/m3，懸浮時(shí)間在370 s以上的滅火介質(zhì)，有效抑制爆炸火焰的傳播，保證了煤礦工作人員的安全；煤礦自動(dòng)隔爆裝置以純機(jī)械結(jié)構(gòu)打造，具有維護(hù)工作量小、安裝靈活等特點(diǎn)，并且適用于井下任何條件，對(duì)煤礦開展“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”起到了積極的推動(dòng)作用。