馬 驪 Louis 李素麗 鄔劍明 白云龍 王俊峰

(1.晉城澤泰安全評(píng)價(jià)中心,山西省晉城市,048000;2.山西蘭花漢斯瓦斯抑爆設(shè)備有限公司,山西省晉城市,048000;3.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024)

HS煤礦用主動(dòng)抑爆防火技術(shù)的試驗(yàn)研究＊

馬 驪1,2Louis2李素麗2鄔劍明3白云龍3王俊峰3

(1.晉城澤泰安全評(píng)價(jià)中心,山西省晉城市,048000;2.山西蘭花漢斯瓦斯抑爆設(shè)備有限公司,山西省晉城市,048000;3.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024)

通過(guò)對(duì)HS主動(dòng)抑爆防火系統(tǒng)的主動(dòng)抑爆響應(yīng)時(shí)間、噴粉抑爆時(shí)間及管道爆炸模擬試驗(yàn)研究,表明該系統(tǒng)在爆炸時(shí)的火焰鋒面還處在正常燃燒速度范圍內(nèi),能及時(shí)噴出抑爆介質(zhì)(氮?dú)夂土姿徜@鹽),撲滅火焰,抑制災(zāi)害擴(kuò)大,系統(tǒng)反應(yīng)速度快,具有較好抑爆效果。

煤礦防滅火 HS主動(dòng)抑爆技術(shù) 瓦斯爆炸

煤礦井下瓦斯、煤塵爆炸主要是連續(xù)爆炸形式,極大的增加了事故的災(zāi)難性和劇烈程度。為了減輕災(zāi)害程度,我國(guó)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,在高瓦斯礦井、有煤塵爆炸危險(xiǎn)煤層的礦井中,井下相關(guān)地點(diǎn)安設(shè)隔絕、抑制爆炸的設(shè)施。

目前,我國(guó)較多的煤礦采取隔(抑)爆技術(shù)措施,主要是在巷道設(shè)置水棚、巖粉棚等設(shè)施,其作用原理是借助于已形成的爆炸沖擊波或爆風(fēng)的沖擊力,使隔爆設(shè)施動(dòng)作(傾倒或擊碎),將消焰劑(巖粉、水等)彌撒于巷道空間,阻隔爆炸火焰的傳播,實(shí)現(xiàn)隔絕瓦斯、煤塵連續(xù)爆炸的目的。但這種系統(tǒng)是被動(dòng)的抑爆防火系統(tǒng)。主動(dòng)式的瓦斯、煤塵抑爆系統(tǒng)一直以來(lái)都是國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研究技術(shù)南非HS主動(dòng)抑爆防火系統(tǒng)首次將傳統(tǒng)的煤礦被動(dòng)隔爆轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)抑爆,在南非等國(guó)家的部分煤礦進(jìn)行了推廣使用,起到了一定的抑爆效果。

1 HS主動(dòng)抑爆防火技術(shù)

HS主動(dòng)抑爆防火系統(tǒng)是由南非漢默斯·斯帕思(HelmuthSpath簡(jiǎn)稱:HS)研發(fā)的一種主動(dòng)抑爆防火系統(tǒng)。它的原理為:當(dāng)煤礦某個(gè)地點(diǎn)發(fā)生瓦斯(煤塵)爆炸(燃燒)時(shí),主動(dòng)抑爆防火系統(tǒng)能在最短時(shí)間內(nèi),通過(guò)設(shè)備上的火焰?zhèn)鞲衅魈綔y(cè)到礦井中的瓦斯(煤塵)爆炸(燃燒),并將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部傳輸;控制盒校驗(yàn)輸入數(shù)據(jù)后自動(dòng)發(fā)出指令啟動(dòng)高壓容器,將高壓容器中的抑爆物質(zhì)在極短時(shí)間內(nèi)釋放,形成物理屏障,撲滅火焰,減少受災(zāi)范圍,降低有害氣體的產(chǎn)生,保障煤礦井下工作人員的人身安全和煤礦財(cái)產(chǎn)安全。主動(dòng)抑爆防火系統(tǒng)原理及構(gòu)造見(jiàn)圖1和圖2。

2 HS主動(dòng)抑爆防火系統(tǒng)試驗(yàn)

為了深入研究瓦斯、煤塵爆炸過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ニ俣?證實(shí)HS礦井主動(dòng)抑爆防火系統(tǒng)的抑爆防火作用,2009年9月,山西蘭花漢斯瓦斯抑爆設(shè)備有限公司在南非科勞珀斯堡斯(Kloppersbos)爆炸研究中心試驗(yàn)場(chǎng)地,多次進(jìn)行?2.5m管道瓦斯、煤塵爆炸及抑爆試驗(yàn)。

2.1 抑爆設(shè)備響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)

抑爆設(shè)備響應(yīng)時(shí)間為從火焰?zhèn)鞲衅靼l(fā)現(xiàn)火源信號(hào)起到控制盒發(fā)出指令啟動(dòng)高壓容器之間的時(shí)間。測(cè)定抑爆設(shè)備響應(yīng)時(shí)間的試驗(yàn)方法如圖3所示,使用示波器分別接收火焰?zhèn)鞲衅靼l(fā)現(xiàn)火源信號(hào)、控制盒發(fā)出指令啟動(dòng)高壓容器信號(hào),示波器可以將電信號(hào)變換、并在屏面上描繪出被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值變化曲線,計(jì)算出兩種信號(hào)的時(shí)間間隔。利用示波器觀察出信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線見(jiàn)圖4。

由圖4可知,第1條曲線為火焰?zhèn)鞲衅餍盘?hào)曲線,在x1處發(fā)現(xiàn)火源信號(hào);第2條曲線為控制盒發(fā)出指令信號(hào)曲線,在x2處接收到指令信號(hào)。當(dāng)接收信號(hào)發(fā)生變化時(shí),兩條波形均發(fā)生較明顯的變化。通過(guò)比較,從火焰?zhèn)鞲衅靼l(fā)現(xiàn)火源信號(hào),到控制盒發(fā)出指令啟動(dòng)高壓容器信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間為|x1-x2|=975.6μs(<1ms)。

2.2 抑爆設(shè)備噴粉抑爆時(shí)間試驗(yàn)

用木板搭建成一端封閉、一端開(kāi)口,高2.5 m,寬2.5m,長(zhǎng)5.0m的模擬巷道空間?？臻g后部某個(gè)斷面放置抑爆設(shè)備,并使排放噴嘴處于該斷面的中央。抑爆設(shè)備前點(diǎn)燃瓦斯,起動(dòng)抑爆設(shè)備進(jìn)行噴粉試驗(yàn),并用高速攝影儀(每秒可拍攝畫(huà)面1000～1500楨)進(jìn)行拍攝。拍攝后,通過(guò)慢鏡頭回放,計(jì)算出從裝置噴粉至達(dá)到各種面積斷面物理屏障的具體時(shí)間。圖5為噴粉試驗(yàn)中毫秒級(jí)別捕捉的試驗(yàn)畫(huà)面。

試驗(yàn)后,通過(guò)對(duì)拍攝影像回放,從起動(dòng)噴粉、達(dá)到直徑2.5m圓形斷面和達(dá)到2.5m矩形斷面的物理屏障具體時(shí)間見(jiàn)表1。

圖5 噴粉試驗(yàn)圖

從設(shè)備起動(dòng)開(kāi)始噴粉;到形成直徑2.5m圓形斷面的物理屏障為134ms;形成2.5m矩形斷面的物理屏障為192ms。通過(guò)計(jì)算,設(shè)備橫向噴粉速度在15～20m/s之間。

表1 噴粉時(shí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)表ms

2.3 管道爆炸模擬試驗(yàn)

2.3.1 管道爆炸試驗(yàn)裝置

利用南非科勞珀斯堡斯(Kloppersbos)試驗(yàn)場(chǎng)地的瓦斯、煤塵爆炸試驗(yàn)管道,該管道為鋼制,長(zhǎng)200m,直徑2.5m。爆炸試驗(yàn)管道見(jiàn)圖6,爆炸試驗(yàn)管道結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

圖6 爆炸試驗(yàn)管道

如圖7所示,管道A端封閉,B端開(kāi)口,在距A端一定距離的C點(diǎn)(分別選在7.5m或14m的位置)敷設(shè)塑料薄膜,形成封閉的37m3和70 m3氣室。氣室充入瓦斯,充分?jǐn)嚢杈鶆?形成瓦斯?jié)舛葹?%左右的爆炸性混合氣體,距A端1m的地點(diǎn)安裝電子點(diǎn)火裝置。距A端1m、3m、5m、7m、9m、11m、16m、21m、26m、31m、36m、41m、51m、61m、71m、81m的位置分別安裝火焰?zhèn)鞲衅?用來(lái)采集爆炸后各點(diǎn)火焰?zhèn)鞑?shù)據(jù),數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸至數(shù)據(jù)采集設(shè)備。在進(jìn)行抑爆試驗(yàn)時(shí),根據(jù)需要分別在距A端5m、7m或12m的位置放置抑爆設(shè)備(距點(diǎn)火源4m、6m或11m的位置)。

圖7 爆炸試驗(yàn)管道結(jié)構(gòu)圖

2.3.2 管道爆炸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

瓦斯爆炸時(shí),最初著火(爆炸)產(chǎn)生以一定速度運(yùn)行的火焰鋒面,同時(shí)產(chǎn)生壓力很高的沖擊波。爆炸前存在于巷道中的以及沖擊波作用后產(chǎn)生的爆炸性混合氣體均被火焰鋒面引燃?；鹧驿h面是沿巷道運(yùn)動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)帶和燒熱的氣體,它的傳播速度為1～2.5m/s(正常燃燒速度)至2500m/s(爆轟速度),一般為500～700m/s?；鹧娴膫鞑ニ俣扰c瓦斯量和濃度有關(guān)。

在管道的試驗(yàn)中,分別進(jìn)行10次各種試驗(yàn)條件下的瓦斯未抑爆、抑爆試驗(yàn),其中3次為未抑爆試驗(yàn),7次為抑爆試驗(yàn),且在各次抑爆試驗(yàn)中,均有效的進(jìn)行爆炸火焰攔截抑爆。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,數(shù)據(jù)分析如下。

(1)以試驗(yàn)4為例,密封塑料薄膜設(shè)在14m的位置,形成70m3瓦斯爆炸氣室,點(diǎn)火位置、抑爆設(shè)備安裝位置分別距管道封閉端1m、5m。進(jìn)行管道瓦斯點(diǎn)火爆炸試驗(yàn)后,從1m位置傳感器發(fā)現(xiàn)火源信號(hào)開(kāi)始(0s),5m位置傳感器發(fā)現(xiàn)火源信號(hào)時(shí)間為0.283s,7m及以后位置的傳感器未發(fā)現(xiàn)火源信號(hào)。

比較表1、表2中的數(shù)據(jù)可以看出:從發(fā)現(xiàn)瓦斯燃燒開(kāi)始,到設(shè)備起動(dòng)形成直徑2.5m圓形斷面的物理屏障為止的時(shí)間為t動(dòng)=134ms;火焰鋒面?zhèn)鞑ブ猎O(shè)備位置(5m)的時(shí)間為t火=283ms。物理屏障形成時(shí)間小于火焰鋒面?zhèn)鞑r(shí)間,抑爆成功。

(2)在部分抑爆試驗(yàn)中,抑爆設(shè)備安裝位置后仍然發(fā)現(xiàn)火源,如試驗(yàn)7,抑爆設(shè)備安裝在7m位置,試驗(yàn)時(shí)9m位置仍發(fā)現(xiàn)火源,11m位置才未發(fā)現(xiàn)火源,這是由于爆炸后氣體體積膨脹將物理屏障整體向后推動(dòng)的原因(見(jiàn)圖8)。

表2 200m管道中瓦斯爆炸未抑爆、抑爆試驗(yàn)各傳感器發(fā)現(xiàn)火源時(shí)間

續(xù)表:

圖8 管道爆炸分區(qū)圖

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)研究表明,南非HS主動(dòng)抑爆防火系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間小于1ms,抑爆設(shè)備橫向噴粉速度在15～20m/s之間。在管道爆炸模擬的試驗(yàn)中,分別進(jìn)行10次各種試驗(yàn)條件下的瓦斯未抑爆、抑爆試驗(yàn),其中3次為未抑爆試驗(yàn),7次為抑爆試驗(yàn),且在各次抑爆試驗(yàn)中,均有效的進(jìn)行爆炸火焰攔截抑爆。

(2)HS主動(dòng)抑爆防火系統(tǒng)抑爆核心技術(shù),是在瓦斯爆炸時(shí)的火焰鋒面還處在正常燃燒速度時(shí)及時(shí)噴出抑爆介質(zhì)(氮?dú)夂土姿徜@鹽),撲滅火焰,抑制災(zāi)害擴(kuò)大,具有反應(yīng)速度快,抑爆效果好的優(yōu)點(diǎn)。

[1]于不凡等.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊(cè)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000

[2]馬驪,李躍忠,喻晟.關(guān)于HS礦井阻燃抑爆系統(tǒng)在我國(guó)煤礦應(yīng)用的探討[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2009(1)

[3]費(fèi)國(guó)云.瓦斯爆炸沿巷道傳播特性探討[J].煤礦安全,1996(2)

[4]牛德文.HS煤礦主動(dòng)抑爆系統(tǒng)的推廣使用問(wèn)題探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2009(37)

[5]張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術(shù).北京.煤炭工業(yè)出版社,2001(2007.4重印)

An experimental research on HS f ireproof ing technology based on active explosion inhibition in coal mine

Ma Li1 ,2，Louis2，Li Suli2，Wu J ianming3，Bai Yunlong3，Wang J unfeng3
( 1. Jincheng Zetai Safety Evaluation Center，Jincheng，Shanxi province 048000，China ;2. Shanxi Lanhua Hans Gas Flameproof Equipment Ltd.，Jincheng，Shanxi province 048000，China ;3. School of Mining Engineering，Taiyuan Politechnic University，Taiyuan，Shanxi province 030024，China)

An simulating experimental research has been undertaken on t he responding timeof active explosion inhibition，t he explosion inhibition time by powder spraying and pipe explosionof fireproofing system based on HS active explosion inhibition technology. It is shown t hatt he flame f ront of t his system is still in t he normal combustion speed range and this system sprayst he explosion inhibition media ( nit rogen gas and ammonium p ho sp hate ) in a timely manner todistinguish t he flame and get the disaster under cont rol when the explosion out bur st s. This systemis feat ured by fast response and good fire inhibition.

Fire protection and distinguishing in coal mines，HS active explosion inhibitiontechnology，gas explosion

TD753

A

國(guó)家科技部國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目2007DFA60810

馬驪(1974-),男,工程師,山西陽(yáng)城人,主要從事煤礦安全生產(chǎn)方面的教學(xué)、科研及技術(shù)管理工作。

(責(zé)任編輯 梁子榮)