黃子超

(中煤科工集團重慶研究院有限公司火災(zāi)爆炸防治研究分院，重慶400037)

在我國一次能源結(jié)構(gòu)中，煤炭將長期是主體能源，但高瓦斯、 瓦斯突出礦井占我國煤礦總數(shù)的46%。雖然“十三五”以來，煤礦安全生產(chǎn)形勢好轉(zhuǎn)，但瓦斯煤塵爆炸危險并沒有得到根本解決，“十二五”和“十三五”期間，全國共發(fā)生一次性死亡10 人以上的重特大事故起數(shù)、 死亡人數(shù)都沒有明顯的下降［1］。據(jù)統(tǒng)計，瓦斯事故造成的死亡人數(shù)占煤礦事故死亡人數(shù)的三分之一左右，瓦斯事故起數(shù)在重特大事故中比例極高［1］。依據(jù)近年來的《全國煤礦事故分析報告》(2006 年-2013 年)，在瓦斯事故中，瓦斯爆炸事故占較大瓦斯事故起數(shù)和死亡人數(shù)的55.1%和60.7%，占重、特大瓦斯事故的73.0%和82.8%。

隔抑爆技術(shù)將爆炸控制在初始階段或一定范圍內(nèi)，是控制煤礦井下瓦斯煤塵爆炸事故災(zāi)害的重要技術(shù)措施。響應(yīng)時間是影響隔抑爆效果的關(guān)鍵因素之一，響應(yīng)時間越快，越能在短時間內(nèi)形成有效隔抑爆屏障，控制爆炸災(zāi)害范圍。傳統(tǒng)被動式隔爆設(shè)施啟動慢、隔爆介質(zhì)屏障持續(xù)時間短，隔爆效果不理想。論文研究快速、主動探測爆炸火焰信息及控制技術(shù)，并快速啟動控制措施，將爆炸事故控制在初始階段，為礦井安全生產(chǎn)及管理提供了技術(shù)支持和安全保障。

1 煤礦井下隔抑爆技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 被動式隔爆技術(shù)

隔抑爆技術(shù)按作用原理分為被動式和主動式兩大類，被動式隔爆技術(shù)是依賴爆炸產(chǎn)生的沖擊波動力來拋撒或掀翻消焰劑形成一定范圍的隔爆屏障，撲滅滯后于沖擊波傳播的火焰，阻止爆炸傳播。主動隔爆技術(shù)依靠對爆炸信息的超前探測，輸出控制信號快速噴撒抑制劑，在巷道空間內(nèi)形成一定濃度的抑爆帶，將爆炸火焰控制在初始階段，保障井下人員和設(shè)施的安全。

煤礦控制瓦斯煤塵爆炸傳播最早使用撒布巖粉方法，但隨著采煤機械化的推廣及瓦斯治理需要，巷道通風量及風速增大，撒布巖粉技術(shù)措施會造成粉塵飛揚，污染工作環(huán)境，威脅人員健康，已逐漸被淘汰。

隔爆水槽(水袋)在世界各主要產(chǎn)煤國得到了不同程度的開發(fā)和應(yīng)用。我國從1980 年起研究并推廣應(yīng)用隔爆水槽、 隔爆水袋，同時寫入《煤礦安全規(guī)程》，是目前瓦斯礦井、煤塵爆炸性礦井普遍應(yīng)用的隔爆措施，對提升礦井安全起到了一定的作用。隔爆水棚使用方便，具有較好的冷卻降溫、稀釋可燃氣濃度、隔絕熱輻射的作用。然而，隔爆水棚受安裝位置、動作時間等多因素影響，形成有效隔爆水幕的動作時間和爆炸火焰到達時間很難一致［2］，隔爆效果并不明顯。而且，現(xiàn)場使用過程中存在水量容易蒸發(fā)、被煤粉污染、有效隔爆水幕的持續(xù)時間短等不利因素，造成滅火效率低。另外，煤礦井下硐室、掘進機等單點危險源，不利于隔爆水棚的安裝使用。

1.2 主動式自動抑爆技術(shù)

發(fā)展主動快速抑爆技術(shù)及裝備，是響應(yīng)黨和政府“遏制重特大事故，提升防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力”重要舉措。煤礦井下主動抑爆技術(shù)已列入國家應(yīng)急局“四個一批”推薦目錄。

主動隔爆技術(shù)作為煤礦控制瓦斯煤塵爆炸危害的主要手段之一，主要包括主動噴水抑爆技術(shù)、主動噴粉抑爆技術(shù)以及主動噴惰性氣體抑爆技術(shù)。世界上各主要產(chǎn)煤國均非常重視，相繼研制了實時快速噴射抑爆裝置來抑制爆炸火焰。英國研制了以壓縮空氣推動活塞噴水的MK-Ⅱ型抑爆裝置，能在180 ms 內(nèi)將水擴散到巷道空間；美國在研制了以爆破拋撒為原理的Cardox 型抑爆裝置，形成粉霧時間180～490 ms；南非上個世紀90 年代末研制了HS 系列機載式阻燃抑爆系統(tǒng)和道路屏障系統(tǒng)［3］。近年來俄羅斯研發(fā)了巷道GBXT 自動化隔爆裝置，開啟速度可達到25 ms。國外這些產(chǎn)品隔抑爆設(shè)備中，應(yīng)用廣泛的是南非HS 公司研發(fā)的HS 系列主動抑爆系統(tǒng)。該系列系統(tǒng)在爆炸發(fā)生瞬間啟動隔絕設(shè)備前后空間并撲滅爆炸和燃燒，從而阻斷瓦斯煤塵爆炸傳播反應(yīng)鏈，將可能發(fā)生的瓦斯煤塵事故扼殺于萌芽狀態(tài)。

2 主動抑爆技術(shù)的工作原理

主動式抑爆技術(shù)是在爆炸發(fā)生的初期，依靠快速自動探測爆炸信息和自動用物理化學方法，快速形成高濃度抑爆屏障，吸收火焰的能量，將火焰撲滅或阻隔?；谥鲃右直夹g(shù)，國內(nèi)研究機構(gòu)研制了不同原理的自動抑爆裝置［4］。

自動抑爆裝置主要由紫外(紅外)火焰?zhèn)鞲衅?、控制器、抑爆器、直流穩(wěn)壓電源、礦用通信電纜等組成，其工作原理如圖1 所示。當作業(yè)監(jiān)測區(qū)出現(xiàn)瓦斯煤塵爆炸時，紅外或紫外火焰?zhèn)鞲衅鞒疤綔y爆炸信號并傳送到控制單元分析，由控制器發(fā)出指令使抑爆器動作，觸發(fā)抑爆器內(nèi)貯存的高能壓縮氣體或觸發(fā)化學反應(yīng)產(chǎn)生高壓驅(qū)動氣體快速噴撒抑爆介質(zhì)，迅速生成有效的抑爆屏障，抑爆屏障對爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力和火焰進行降壓滅火，抑制或隔絕瓦斯煤塵爆炸的傳播，實現(xiàn)主動抑爆［5］。

圖1 主動抑爆技術(shù)工作原理圖

3 主動探測快速響應(yīng)抑爆技術(shù)

3.1 爆炸火焰信息快速、準確響應(yīng)技術(shù)

火焰?zhèn)鞲衅髦饕赏鈿ぁ㈦娐钒?、玻璃窗、感光元件等組成，當火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到爆炸火焰信號時，快速探測并輸出信號給控制器。

就CH4氣體來說，火焰光譜波段從190 nm 開始，紫外到紅外的范圍內(nèi)均有，雖然紫外的發(fā)光強度比較弱，但靈敏度比較大，有足夠的光電流輸出?；诒ɑ鹧婀庾V的特點，為保證傳感器的靈敏度、快速響應(yīng)、抗干擾能力，光敏元件選用遠紫外光探測原理。

太陽光的紫外波段截止在290 nm，紅外波段截止在13 μm。爆炸火焰?zhèn)鞲衅髯贤夤怆姽艿墓庾V響應(yīng)為 185 ～ 260 nm［6］，在遠紫外光的范圍，因此該紫外光電管對太陽光不敏感。在爆炸初始時刻，由于火焰中的遠紫外照射，紫外光電管的電子吸收了入射遠紫外光子的能量逸出光陰極表面，在陰極電場作用下向陽極運動，從而產(chǎn)生電信號，達到檢測爆炸火焰的目的。由于遠紫外光能量高，輸出電流大，在爆炸火焰初期能夠快速感應(yīng)，從接收到火焰信號到輸出電信號的響應(yīng)時間可達到1 ms 內(nèi)。火焰?zhèn)鞲衅鞯墓ぷ髟砣鐖D2 所示。

圖2 傳感器工作原理圖

火焰?zhèn)鞲衅鞴饷粼骷O(shè)計選用雙紫外光電管，兩者為與的關(guān)系，即當兩個均探測到信號時，其輸出電路才會有輸出。傳感器配置了背景光探測，能夠智能判別爆炸火焰信息和環(huán)境光源，防止火焰信號觸發(fā)錯誤，從而造成整個裝置的誤動作。傳感器電路設(shè)置有故障信號判斷與輸出電路，在控制器上可以監(jiān)測傳感器的運行狀況。

3.2 控制技術(shù)

控制器接收爆炸火焰探測器信號，經(jīng)過判斷分析后決定是否觸發(fā)抑爆器和隔爆器。控制器是一個以先進的微處理器為核心的微型計算機系統(tǒng)，是隔抑爆裝置的信號中樞。

控制器集多種功能于一身，實現(xiàn)爆炸火焰信號的實時接收、判別及隔抑爆系統(tǒng)終端的實時控制，具有信息判斷、儲存、自身狀態(tài)診斷等輔助功能。控制器主要由數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、實時控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、紅外遙控模塊、RS485 通信模塊、看門狗模塊、分布式電源模塊、EMI 處理模塊等組成。控制器通過RS485 通信接口與上位機監(jiān)控軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。控制器的電路工作原理如圖3 所示。

圖3 控制器工作原理圖

控制器的核心處理單元選用智能芯片XC9536的CPLD，該芯片是可編程的邏輯器件，負責對火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘柌蓸?、設(shè)備故障信號采樣等。爆炸信號的所有信息接收和輸出控制都通過該芯片完成，處理單元響應(yīng)時間快，邏輯控制準確，從接收火焰信號，經(jīng)邏輯判斷并輸出控制信號的時間間隔≤4 ms。

控制器邏輯程序采用智能化設(shè)計，能夠自動檢測傳感器、抑爆器、電源等設(shè)備工作狀況，及時提供故障信息?？刂破鞑捎每删幊痰膯纹瑱C，實現(xiàn)信息集中處理和部分控制。控制部分分為采樣操作控制、通信轉(zhuǎn)換控制、信息調(diào)用存儲控制和顯示控制等?？刂破鳝h(huán)境適應(yīng)性強、 最多可接2 臺火焰探測器、4 臺抑爆器，并能夠?qū)鞲衅魈綔y關(guān)系、抑爆器接入數(shù)量進行設(shè)置，能夠保存多組觸發(fā)記錄，重要的數(shù)據(jù)可隨時間存儲、回放。

3.3 抑爆器快速觸發(fā)技術(shù)

煤礦井下安全保障主動抑爆技術(shù)的最終執(zhí)行部分為抑爆器。為提高抑爆劑噴撒動作時間和有效抑爆屏障的形成時間，抑爆器采用儲壓式工作原理，即在正常工作狀態(tài)下抑爆罐體內(nèi)儲存抑爆消焰劑和高壓驅(qū)動氣體。抑爆罐體與噴撒機構(gòu)之間采用快速開啟閥門密封連接。儲壓式抑爆器相對于產(chǎn)氣原理的抑爆器，節(jié)省了氣體發(fā)生器反應(yīng)和壓力上升時間，噴撒響應(yīng)時間快，提高了消焰劑快速成霧效果。

快開閥門為常閉結(jié)構(gòu)，當有瓦斯(煤塵)爆炸事故發(fā)生時，快開閥接收到控制單元發(fā)出的觸發(fā)信號后快速打開，消焰劑隨之在高壓惰性氣體作用下快速噴出，在爆炸初始時刻或者在爆炸火焰到達前形成隔抑爆云幕，起到撲滅或阻隔爆炸火焰的作用?？扉_閥門的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示，其依靠外部電流信號的觸發(fā)，點爆觸發(fā)器，在內(nèi)部瞬間產(chǎn)生高壓氣體，推動活塞移動拉斷閥桿，從而實現(xiàn)罐體與噴撒機構(gòu)連通。

圖4 快開閥結(jié)構(gòu)圖

快開閥門是儲壓式抑爆器的核心部件，其開啟技術(shù)是影響隔抑爆系統(tǒng)噴撒響應(yīng)時間的關(guān)鍵?？扉_閥門殼體采用不銹鋼材質(zhì)，觸發(fā)器采用航天用電點火器，具有低溫觸發(fā)特性，可應(yīng)用于煤礦爆炸性環(huán)境，保證了打開瞬間對環(huán)境的安全性。快開閥門閥桿在高壓力下在毫秒時間內(nèi)快速斷開，形成通路。抑爆器快開閥門整體動作時間≤5 ms。

快開閥設(shè)計有4 個出口，每個出口連接導(dǎo)管連接至噴撒機構(gòu)，通過噴頭的導(dǎo)向作用，消焰劑在煤礦井下巷道斷面內(nèi)能快速形成有效的隔抑爆屏障。

4 自動抑爆裝置的整體響應(yīng)時間

將爆炸火焰?zhèn)鞲衅?、控制器、抑爆器、直流穩(wěn)壓電源通過礦用通信線纜連接，抑爆裝置處于正常工作狀態(tài)。

利用點火藥頭模擬爆炸火源照射傳感器窗口，觸發(fā)火焰?zhèn)鞲衅?，當抑爆器接收到觸發(fā)信號后快速噴撒消焰劑。試驗采用高速攝影機拍攝整個試驗過程，拍攝幀率為≥1000fps。裝置整體響應(yīng)時間為點火源產(chǎn)生時刻與抑爆器開始噴撒的時間差。通過高速攝像機拍攝畫面可以分析得到整機響應(yīng)時間。實驗方法如圖5 所示。

圖5 快開閥結(jié)構(gòu)圖

表1 機載式抑爆裝置響應(yīng)時間記錄表

在抑爆裝置3 次響應(yīng)時間實驗中，傳感器均探測到爆炸火焰信息并輸出感應(yīng)信號，抑爆器均可靠觸發(fā)，整體響應(yīng)時間均＜10 ms。

5 結(jié)語

為提高煤礦井下瓦斯煤塵爆炸防治水平，研究了雙紫外爆炸火焰感應(yīng)技術(shù)，設(shè)計了故障判別性能，能夠快速、準確探測爆炸火焰信息；采用智能芯片，進行了智能化邏輯控制設(shè)計，形成了快速可靠控制技術(shù)；抑爆器采用儲壓式原理，利用快速開啟閥減少了動作及成霧時間，形成了主動快速抑爆技術(shù)。

基于紫外光探測、 快開觸發(fā)的主動抑爆響應(yīng)時間縮短，在發(fā)生瓦斯煤塵爆炸危險時，可以在短時間內(nèi)在巷道空間形成粉體云幕，有效地撲滅爆炸火焰，控制爆炸事故及波及范圍。