楊曉東

（華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 概 況

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多生產(chǎn)礦井保持高強(qiáng)度開(kāi)采，造成了安全隱患的增加。目前，采用井工方式生產(chǎn)的礦井絕大多數(shù)實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化開(kāi)采，配套各種尺寸的帶式輸送機(jī)運(yùn)輸煤炭。帶式輸送機(jī)因其運(yùn)輸量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)距較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，但在帶式輸送機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，易出現(xiàn)主輥筒打滑、膠帶被卡住、托輥被卡住等現(xiàn)象，或者膠帶上的遺留積煤被卡住之后與膠帶摩擦生熱，這類情況易造成膠帶火災(zāi)，嚴(yán)重影響井下職工人身安全，制約煤礦的安全平穩(wěn)發(fā)展。

基于此，根據(jù)華陽(yáng)二礦井下帶式輸送機(jī)情況，以煤- 膠帶摩擦生熱致災(zāi)為基礎(chǔ)建立物理模型，進(jìn)行物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，利用YRH700 紅外熱成像儀對(duì)煤- 膠帶摩擦過(guò)程中的溫度變化規(guī)律進(jìn)行研究。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

此次物理相似模擬實(shí)驗(yàn)主要使用YRH700 本質(zhì)安全紅外熱成像儀和等比例膠帶輸送機(jī)摩擦起火模擬器等設(shè)備，如圖1、圖2 所示。

圖1 YRH700 紅外熱成像儀Fig.1 YRH700 infrared thermal imager

圖2 等比例膠帶輸送機(jī)摩擦起火模擬器Fig.2 Equal proportion belt conveyor friction fire simulator

YRH700 紅外測(cè)溫儀利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡接收熱源產(chǎn)生的紅外輻射能量，將分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器之間對(duì)物體的紅外熱像進(jìn)行掃描，并聚焦在單元或分光探測(cè)器上，由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換或標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)通過(guò)顯示屏示紅外熱像圖。此次物理相似模擬實(shí)驗(yàn)中，YRH700 紅外測(cè)溫儀采用非制冷焦平面紅外探測(cè)器，將被測(cè)物體的紅外熱譜圖像以高清晰度、高靈敏度的偽彩圖像方式呈現(xiàn)，可多點(diǎn)測(cè)溫，并可將圖像、視頻和語(yǔ)音存儲(chǔ)在Micro SD 卡內(nèi)，便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行深度分析和統(tǒng)計(jì)。YRH700 紅外熱成像儀的主要工作參數(shù)如下：

外形尺寸/mm 283×6103×160

質(zhì)量/g 1 000

分辨率/℃ ≥0.1

測(cè)溫模式 點(diǎn)/線/區(qū)域

測(cè)溫范圍/℃ 0～700

輻射率 0.01～1.0

等比例膠帶輸送機(jī)摩擦起火模擬器由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、2 個(gè)輥筒、支架和膠帶組成。其中1 個(gè)輥筒與電機(jī)相連作為驅(qū)動(dòng)輥筒，帶動(dòng)膠帶運(yùn)轉(zhuǎn)，控制膠帶的松緊，實(shí)現(xiàn)膠帶松動(dòng)與輥筒發(fā)生摩擦的實(shí)驗(yàn)，以及不同壓力下的膠帶與輥筒的摩擦實(shí)驗(yàn)；兩輥筒之間的托輥可以轉(zhuǎn)動(dòng)也可以使其固定不動(dòng)，當(dāng)托輥固定不動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)托輥與膠帶之間的摩擦實(shí)驗(yàn)。

3 物理相似模擬及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)礦井實(shí)際情況和要求，選用華陽(yáng)二礦二號(hào)井的瘦煤作煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將煤塊與膠帶摩擦生熱的區(qū)域作為研究對(duì)象，YRH700 選擇點(diǎn)測(cè)溫、線測(cè)溫和區(qū)域測(cè)溫模式同步進(jìn)行。具體操作步驟為：①通過(guò)卡件將煤塊固定在非電機(jī)側(cè)的膠帶上方，保持煤塊相切于膠帶表面；②使用金屬三腳架固定紅外熱成像儀，與膠帶間距2 m，使鏡頭與實(shí)驗(yàn)區(qū)域始終保持水平，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前開(kāi)機(jī)預(yù)熱10 min；③調(diào)整參數(shù)設(shè)置為溫度25 ℃，濕度60%，風(fēng)速2.5 m/s；④實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)時(shí)成像與結(jié)果分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行45 min，根據(jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)溫度場(chǎng)典型變化進(jìn)行成像拍照，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 煤與膠帶摩擦熱紅外成像圖Fig.3 Thermal infrared imaging of coal and tape friction

從圖3 中可以看出，隨著摩擦?xí)r間的增加，煤塊和膠帶的溫度逐漸升高。由于煤塊固定，而膠帶不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，在煤塊和膠帶接觸的部位出現(xiàn)了一條“高溫帶”，且隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，煤塊周邊的高溫區(qū)域向外擴(kuò)展，“高溫帶”的寬度也在不斷拓寬。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選擇圖中點(diǎn)01 圖中和點(diǎn)02 位置進(jìn)行點(diǎn)測(cè)溫。點(diǎn)01 的位置為煤塊上方15 cm 處，掌握煤與膠帶摩擦溫度最高點(diǎn)上方一定位置處的溫度場(chǎng)變化情況；點(diǎn)02 的位置為煤塊左側(cè)30 cm 和后方30 cm 的交匯點(diǎn)處，掌握煤與膠帶摩擦最高點(diǎn)平行位置處的溫度場(chǎng)變化情況，獲得煤與膠帶摩擦實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度最高點(diǎn)周邊的溫度場(chǎng)變化規(guī)律。

對(duì)圖中點(diǎn)測(cè)溫模式下的點(diǎn)01 和點(diǎn)02 的溫度變化進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4 所示。同時(shí)對(duì)線測(cè)溫模式下的最高溫度變化和區(qū)域測(cè)溫模式下的最高溫度變化進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5 所示。

圖4 點(diǎn)測(cè)溫模式下測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.4 The change rule of measuring point temperature with time under the point temperature measurement mode

圖5 線測(cè)溫模式和區(qū)域測(cè)溫模式下最高溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.5 The variation of the maximum temperature with time under the line temperature measurement mode and the regional temperature measurement mode

從圖4 中可以看到，采取點(diǎn)測(cè)溫模式時(shí)，整個(gè)區(qū)域內(nèi)觀測(cè)01 點(diǎn)和02 點(diǎn)兩個(gè)點(diǎn)位的溫度變化?？梢钥吹?，兩個(gè)點(diǎn)位的溫度隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)出總體上升、局部起伏的變化規(guī)律，01 點(diǎn)位的溫度增加先快后慢，整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間的最低溫度為5.6 ℃，最高溫度為12.7 ℃，平均溫度為9.5 ℃；02 點(diǎn)位的溫度增加亦為先快后慢，波動(dòng)起伏的幅度較點(diǎn)位01 更甚，整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間的最低溫度為6.0 ℃，最高溫度為13.8 ℃，平均溫度為9.8 ℃。

從圖5 中可以看到，采用線測(cè)溫模式和采用區(qū)域測(cè)溫模式時(shí)，線測(cè)溫最高溫度的變化趨勢(shì)和區(qū)域測(cè)溫中最高溫度的變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)出總體增加、局部起伏的變化規(guī)律。需要注意的是，該先測(cè)溫模式中的“線”指的是在YRH700 紅外熱成像儀的鏡頭中的掃描范圍內(nèi)設(shè)置的測(cè)溫線，而非在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的膠帶上刻畫(huà)的固定的測(cè)溫線。在線測(cè)溫模式下，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，最高溫度的閾值為[6.2℃,31.1 ℃]，最高溫度的平均值為23 ℃；在區(qū)域測(cè)溫模式下，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，最高溫的閾值為[6.6 ℃，51.8 ℃]，最高溫度的平均值為38.3 ℃。

根據(jù)圖5 中對(duì)區(qū)域測(cè)溫模式下的最高溫度值進(jìn)行非線性擬合，從圖中可以看出，隨著煤與膠帶摩擦?xí)r間的增加，區(qū)域01 中最高溫度值持續(xù)上升，且隨著隨時(shí)間的增加溫度升高速率逐漸降低。橡膠皮帶的燃點(diǎn)為350℃左右，若本實(shí)驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行下去，由擬合公式計(jì)算得出將在75.76 d 時(shí)膠帶被點(diǎn)燃，造成膠帶發(fā)火事故。但是，在井下實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，被卡住的煤塊往往體積較大，其與膠帶摩擦?xí)r的接觸面積更大，摩擦生熱致災(zāi)的時(shí)間呈幾何級(jí)降低，可以小時(shí)來(lái)計(jì)量。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)溫度場(chǎng)的高溫隨著膠帶與煤摩擦?xí)r間的增長(zhǎng)，高溫由點(diǎn)到線再到面，熱量從中心向四周擴(kuò)散，形成溫度梯度的變化。隨著煤與膠帶摩擦?xí)r間的增加，溫度會(huì)持續(xù)上升。在本實(shí)驗(yàn)條件下，由于本次實(shí)驗(yàn)中所選用的煤塊體積較小且實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限，只能通過(guò)擬合式得出在本實(shí)驗(yàn)條件下的膠帶發(fā)火時(shí)間，為75.76 d。但是，在井下實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，被卡住的煤塊往往體積較大，與膠帶摩擦?xí)r的接觸面積更大，發(fā)熱量更大，摩擦致災(zāi)的時(shí)間將大大縮短。因此，關(guān)注井下煤與膠帶摩擦生熱致災(zāi)，采取針對(duì)性措施進(jìn)行防范，才能降低膠帶發(fā)火概率，保障井下安全生產(chǎn)。