司榮軍，王 磊，賈泉升

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039）

近年來(lái)，我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)形式持續(xù)好轉(zhuǎn)，但煤 礦致災(zāi)因素復(fù)雜多樣，安全生產(chǎn)事故還存在反復(fù)性、長(zhǎng)期性的問(wèn)題。瓦斯（煤塵）爆炸一直是煤礦危害最為嚴(yán)重的事故之一。自新中國(guó)成立以來(lái)，全國(guó)煤礦發(fā)生一次死亡百人以上的事故共25 起，其中有21 起是瓦斯（煤塵）爆炸事故，占事故總數(shù)的84%，占死亡總?cè)藬?shù)的87%。根據(jù)近年來(lái)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001—2016 年，我國(guó)煤礦發(fā)生的特大瓦斯煤塵爆炸事故共44 起，死亡2 761 人；2017—2019 年上半年，我國(guó)共發(fā)生煤礦事故356 起，死亡654 人，其中瓦斯（煤塵）爆炸事故49 起，死亡162 人。瓦斯（煤塵）爆炸事故不僅對(duì)礦工生命安全產(chǎn)生巨大威脅，也造成了國(guó)家財(cái)產(chǎn)的巨大損失。瓦斯（煤塵）爆炸事故的持續(xù)發(fā)生，使得我國(guó)專家學(xué)者加大了對(duì)瓦斯（煤塵）爆炸傳播規(guī)律及防控技術(shù)的研究力度。很多高校和科研院所利用自制管道，對(duì)管道內(nèi)瓦斯爆炸火焰和沖擊波的傳播規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并分析了管道特征對(duì)爆炸傳播的影響機(jī)理[1-9]。在大型巷道內(nèi)開(kāi)展了瓦斯爆炸傳播規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值仿真研究，為技術(shù)的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[10-13]。學(xué)者們對(duì)瓦斯爆炸抑制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，分析了水、抑爆粉劑、惰性氣體等對(duì)瓦斯爆炸的抑爆機(jī)理[14-21]。通過(guò)不斷的探索和研究，逐漸形成了較為成熟的瓦斯（煤塵）爆炸抑隔爆技術(shù)。該技術(shù)是以巷道（管道）內(nèi)瓦斯（煤塵）爆炸火焰、沖擊波傳播規(guī)律為基礎(chǔ)，通過(guò)一定的方式使抑制劑（水、粉劑、惰性氣體等）形成一定區(qū)域的抑制帶，從而撲滅爆炸火焰、隔絕爆炸傳播的技術(shù)。按照技術(shù)原理，瓦斯（煤塵）爆炸抑隔爆技術(shù)可以分為被動(dòng)式隔爆技術(shù)和主動(dòng)式抑隔爆技術(shù)。主動(dòng)式抑隔爆技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)煤礦低濃度瓦斯抽放管路、排空管路等進(jìn)行了大規(guī)模的應(yīng)用，取得了良好的效果；但主動(dòng)式抑隔爆技術(shù)在煤礦井下應(yīng)用還缺乏相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范支撐，因此應(yīng)用較少。被動(dòng)式隔爆技術(shù)是煤礦井下巷道隔絕瓦斯（煤塵）爆炸的主要手段，在國(guó)內(nèi)外煤礦得到推廣應(yīng)用。基于此，對(duì)瓦斯（煤塵）爆炸抑隔爆技術(shù)的研究歷程、技術(shù)及裝備特點(diǎn)進(jìn)行介紹，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 瓦斯（煤塵）爆炸傳播規(guī)律

目前發(fā)生的很多煤礦瓦斯爆炸事故都屬于可燃?xì)怏w爆燃問(wèn)題，即火焰以亞音速傳播，前驅(qū)沖擊波在火焰陣面前方形成擾動(dòng)，火焰在被擾動(dòng)的介質(zhì)中傳播，形成了火焰波和前驅(qū)沖擊波的兩波三區(qū)結(jié)構(gòu)。爆炸產(chǎn)生的火焰和沖擊超壓對(duì)礦井設(shè)施和人員生命安全造成損害，其發(fā)展變化特性決定了爆炸事故破壞程度的大小。為了應(yīng)用抑隔爆技術(shù)減小災(zāi)害范圍，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了爆炸傳播規(guī)律研究。其中，爆炸壓力波和火焰陣面的位置關(guān)系研究為被動(dòng)式隔爆技術(shù)及裝備研發(fā)提供了理論依據(jù)；爆炸壓力峰值及火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊妊芯縿t為主動(dòng)式抑隔爆裝備研發(fā)及應(yīng)用技術(shù)研究提供技術(shù)支撐。

爆炸沖擊波的直接沖擊和火焰灼燒對(duì)井下人員和設(shè)備設(shè)施的破壞非常顯著。部分學(xué)者對(duì)直管道和巷道內(nèi)的沖擊波和火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律進(jìn)行了研究[22-25]。如文獻(xiàn)[22]在直徑為500 mm 的大尺度管道內(nèi)開(kāi)展了瓦斯爆炸傳播規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)最大壓力峰值出現(xiàn)在封閉端，在0.7～1.9 MPa 之間；火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增加，在出口處達(dá)到最大。文獻(xiàn)[13]在斷面7.2 m2、總長(zhǎng)度896 m 的大型巷道內(nèi)開(kāi)展了不同體積量的瓦斯煤塵爆炸傳播實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)瓦斯爆炸火焰區(qū)長(zhǎng)度是瓦斯積聚區(qū)的3～6 倍，瓦斯煤塵爆炸火焰區(qū)長(zhǎng)度為煤塵區(qū)長(zhǎng)度的2 倍左右；與純瓦斯爆炸相比，有煤塵參與爆炸時(shí)壓力峰值更大，火焰速度更快，其威力和破壞程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于瓦斯爆炸。

部分學(xué)者還開(kāi)展了環(huán)境條件對(duì)瓦斯爆炸傳播規(guī)律影響的實(shí)驗(yàn)研究工作，研究發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛葘?duì)爆炸沖擊波超壓和火焰?zhèn)鞑ニ俣扔忻黠@影響[26-28]，并對(duì)爆炸超壓的振蕩特性進(jìn)行了研究[29]，分析了點(diǎn)火能量對(duì)瓦斯爆炸沖擊波和火焰的影響關(guān)系[29-32]。

拐彎、分叉、截面積突變等管道特征會(huì)對(duì)瓦斯爆炸傳播產(chǎn)生明顯的影響。近年來(lái)，學(xué)者們利用自制的管道，開(kāi)展相關(guān)研究工作。如文獻(xiàn)[33-35]開(kāi)展了不同拐彎角度的管道瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)沖擊波峰值超壓衰減率隨著管道拐彎角度的增大而增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃蠛鬁p小，經(jīng)過(guò)拐彎管道后迅速增加。文獻(xiàn)[36-41]開(kāi)展了分叉管路瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究發(fā)現(xiàn)管道分叉處為一擾動(dòng)源，誘導(dǎo)附加湍流，氣流的湍流度增大[37]，管道分岔對(duì)瓦斯爆炸的火焰和超壓都有增強(qiáng)的作用[38]。文獻(xiàn)[42-44]研究了管道截面積變化對(duì)瓦斯爆炸的影響，發(fā)現(xiàn)管道截面積突然變大會(huì)導(dǎo)致明顯的爆炸沖擊波超壓衰減[42]。

煤礦井下存在礦車、風(fēng)筒、支護(hù)設(shè)施設(shè)備，一旦發(fā)生瓦斯煤塵爆炸事故，這些設(shè)備作為障礙物會(huì)在一定程度上影響爆炸火焰和沖擊波的傳播規(guī)律。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了比較多的障礙物對(duì)瓦斯煤塵爆炸傳播的影響研究[45-53]，文獻(xiàn)[54-55]認(rèn)為障礙物的存在對(duì)瓦斯爆炸壓力和火焰的傳播速度具有顯著的激勵(lì)作用，在一定程度上能提高爆炸湍流火焰的傳播速度，文獻(xiàn)[56]認(rèn)為障礙物能降低瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑サ膶恿魉俣?。文獻(xiàn)[57-62]認(rèn)為，障礙物的存在一定程度上對(duì)瓦斯爆炸的壓力產(chǎn)生了激勵(lì)作用，增大了瓦斯爆炸的威力。文獻(xiàn)[63]認(rèn)為斷面變化影響了瓦斯爆炸的參數(shù)。文獻(xiàn)[64-68]認(rèn)為阻塞率對(duì)瓦斯爆炸壓力有一定的影響，且阻塞率為50%時(shí)影響效果最明顯。文獻(xiàn)[69]認(rèn)為阻塞率和障礙物層數(shù)是影響泡沫鐵鎳金屬阻抑瓦斯爆炸效果的主要因素。

2 主動(dòng)式抑隔爆技術(shù)

2.1 主動(dòng)式抑隔爆技術(shù)原理

主動(dòng)式抑隔爆技術(shù)是指通過(guò)對(duì)爆炸信號(hào)的超前探測(cè)，主動(dòng)噴灑抑爆劑，隔絕并熄滅火焰，終止爆炸火焰?zhèn)鞑サ募夹g(shù)。根據(jù)該技術(shù)研發(fā)的裝備，即主動(dòng)式抑隔爆裝備，一般由觸發(fā)探測(cè)器、控制器、抑爆器3 部分組成。其原理為；將探測(cè)器安裝在潛在爆源處，當(dāng)發(fā)生瓦斯（煤塵）爆炸時(shí)，探測(cè)器感知爆炸信息并迅速傳輸?shù)娇刂破?，控制器觸發(fā)抑爆器噴出抑爆劑，快速形成有效的抑爆劑云霧，與爆炸火焰充分接觸，吸收能量、破壞反應(yīng)鏈，加速火焰的熄滅，從而終止火焰在瓦斯、煤塵云中的繼續(xù)傳播。自動(dòng)抑隔爆裝置原理示意圖如圖1。

圖1 自動(dòng)抑隔爆裝置原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of automatic explosion suppression device

主動(dòng)式抑隔爆裝備按照應(yīng)用場(chǎng)所，可以分為管道式、機(jī)載式和巷道式；按照驅(qū)動(dòng)方式，可以分為儲(chǔ)壓式和產(chǎn)氣式；按照抑爆劑種類，又可以分為噴粉式、噴液式（噴水）以及噴惰性氣體式。

2.2 主動(dòng)式抑隔爆技術(shù)及裝備的研發(fā)歷程

為控制爆炸事故范圍、減小災(zāi)害，世界各主要產(chǎn)煤國(guó)不斷探索與創(chuàng)新抑隔爆技術(shù)，研發(fā)了具備實(shí)時(shí)響應(yīng)、快速噴灑特點(diǎn)的抑爆裝置。1984 年，原西德利用儲(chǔ)壓原理研發(fā)了粉氣混裝的BVS 型抑爆裝置，形成粉霧時(shí)間＜100 ms；1985 年，美國(guó)以爆破拋撒為原理研發(fā)了Cardox 型抑爆裝置，形成粉霧時(shí)間180～490 ms；1990 年，原蘇聯(lián)基于實(shí)時(shí)產(chǎn)氣原理研發(fā)了ΒΠУ 型抑爆裝置，形成粉霧時(shí)間100 ms；英國(guó)以水為抑爆劑，通過(guò)壓縮空氣推動(dòng)活塞噴水，研發(fā)了MK-Ⅱ型抑爆裝置，水?dāng)U散到巷道空間的時(shí)間＜180 ms。20 世紀(jì)90 年代末，南非研發(fā)了HS 系列機(jī)載式阻燃抑爆系統(tǒng)，能在爆炸發(fā)生30 ms 內(nèi)快速啟動(dòng)；近年來(lái)，俄羅斯研制出巷道GBXT 自動(dòng)化隔抑爆裝置，僅用25 ms 就可啟動(dòng)裝置[70]。

我國(guó)開(kāi)始研發(fā)主動(dòng)式抑隔爆技術(shù)及裝備的時(shí)間較早，中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱重慶煤科院）是最早開(kāi)始相關(guān)研究并取得系列成果的科研單位。通過(guò)“八五”科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目“防止瓦斯煤塵爆炸監(jiān)控報(bào)警及抑爆技術(shù)”，重慶煤科院成功研發(fā)了ZYB-S 型實(shí)時(shí)產(chǎn)氣式抑爆系統(tǒng)，是我國(guó)第1 臺(tái)抑爆系統(tǒng)，其信號(hào)探測(cè)方式為可見(jiàn)光探測(cè)，通過(guò)產(chǎn)氣式原理進(jìn)行抑爆劑，具備簡(jiǎn)單的故障檢測(cè)功能。ZYB-S 型實(shí)時(shí)產(chǎn)氣式抑爆系統(tǒng)如圖2。

圖2 ZYB-S 型實(shí)時(shí)產(chǎn)氣式抑爆系統(tǒng)Fig.2 ZYB-S real-time gas production explosion suppression system

通過(guò)“九五”科技攻關(guān)計(jì)劃“無(wú)電源觸發(fā)式抑爆裝置研究”、“自動(dòng)式隔爆裝置隔絕煤塵爆炸傳播研究”等專題項(xiàng)目，重慶煤科院成功研發(fā)了ZGB-Y 型自動(dòng)隔爆裝置、產(chǎn)氣式ZHY12 型自動(dòng)抑爆裝置、YBW-I 型無(wú)電觸發(fā)式抑爆裝備等設(shè)備。ZGB-Y 型自動(dòng)隔爆裝置如圖3。其中，ZGB-Y 型自動(dòng)隔爆裝置是國(guó)內(nèi)第1 套通過(guò)儲(chǔ)壓式原理實(shí)現(xiàn)抑爆劑噴灑的隔爆裝置，具備爆炸條件識(shí)別、延時(shí)運(yùn)算控制等功能；實(shí)時(shí)產(chǎn)氣式ZHY12 型自動(dòng)抑爆裝置可以在100 ms 內(nèi)形成有效噴粉屏障；YBW-I 型無(wú)電源觸發(fā)式抑爆裝備具有抑爆性能優(yōu)越、成本低廉、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。其中，ZHY12 實(shí)時(shí)產(chǎn)氣式自動(dòng)抑爆裝置通過(guò)研發(fā)改進(jìn)，在低矮斷面巷道中得到成功應(yīng)用[71]。根據(jù)研究成果，起草了煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT 694—1997《煤礦用自動(dòng)隔爆裝置通用技術(shù)條件》，對(duì)煤礦用自動(dòng)隔爆裝置的技術(shù)條件、測(cè)試要求等進(jìn)行了規(guī)定。

圖3 ZGB-Y 型自動(dòng)隔爆裝置Fig.3 ZGB-Y type automatic flameproof device

“十五”期間，重慶煤科院承擔(dān)了科研院所社會(huì)公益研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目“氣云和粉塵火災(zāi)爆炸預(yù)防及監(jiān)控技術(shù)”，研發(fā)了ZRXL 型燃?xì)馐礁煞圩詣?dòng)滅火抑爆系統(tǒng)。系統(tǒng)主要應(yīng)用于非煤領(lǐng)域，系統(tǒng)啟動(dòng)速度提高一倍以上，傳感器抗干擾能力增強(qiáng)。ZRXL 型燃?xì)馐礁煞圩詣?dòng)滅火抑爆系統(tǒng)如圖4。

圖4 ZRXL 型燃?xì)馐礁煞圩詣?dòng)滅火抑爆系統(tǒng)Fig.4 ZRXL gas-fired dry powder automatic fire suppression system

“十一五”期間，通過(guò)承擔(dān)《低濃度瓦斯安全輸送成套技術(shù)開(kāi)發(fā)與裝備研制》項(xiàng)目，重慶煤科院研制了技術(shù)成熟的ZYB 瓦斯管道輸送自動(dòng)噴粉抑爆裝置，并起草了安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AQ 1076—2009《煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、AQ 1079—2009《瓦斯管道輸送自動(dòng)噴粉抑爆裝置通用技術(shù)條件》，規(guī)范了瓦斯管道輸送自動(dòng)噴粉抑爆裝置的性能、技術(shù)要求、安裝工藝等。技術(shù)及裝置在山西、安徽、貴州等國(guó)內(nèi)10 余個(gè)省份的煤礦企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，有力保障了我國(guó)低濃度瓦斯的安全輸送及利用。ZYB 瓦斯管道輸送自動(dòng)噴粉抑爆裝置如圖5。

山西蘭花漢斯瓦斯抑爆設(shè)備有限公司引進(jìn)了南非漢斯HS 公司的主動(dòng)抑爆技術(shù)及系統(tǒng)[72]，在山西部分煤礦企業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用。

圖5 ZYB 瓦斯管道輸送自動(dòng)噴粉抑爆裝置Fig.5 ZYB gas pipeline automatic powder spraying and explosion suppression device

上述主動(dòng)式抑爆裝置（系統(tǒng)）所采用的抑爆介質(zhì)都是粉劑，其主要成分為磷酸二氫銨，高濃度粉劑云霧可以終止燃燒反應(yīng)鏈，熄滅火焰。為了豐富主動(dòng)式抑爆技術(shù)在煤礦的應(yīng)用，重慶煤科院研發(fā)了在煤礦井下采掘巷道應(yīng)用的水幕抑爆系統(tǒng)[73]。該系統(tǒng)探測(cè)到爆炸火焰信號(hào)后，由多組水幕設(shè)施噴灑水霧形成水霧帶，隔絕爆炸火焰的進(jìn)一步傳播，其特點(diǎn)是水霧帶隔絕效果好、成本低、安全環(huán)保，且水霧還具有降塵作用，能夠防止煤塵參與反應(yīng)形成二次爆炸。同時(shí)，還能夠隔絕有毒有害氣體的傳播。

為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和環(huán)境，“十二五”期間，重慶煤科院研發(fā)了ZYBRG8-2 瓦斯管道輸送二氧化碳抑爆裝置和ZYBQG10-2 瓦斯管道輸送七氟丙烷抑爆裝置，其抑爆介質(zhì)為二氧化碳、七氟丙烷等惰性氣體。ZYBRG8-2 瓦斯管道輸送二氧化碳抑爆裝置如圖6，ZYBQG10-2 瓦斯管道輸送七氟丙烷抑爆裝置如圖7。惰性氣體抑爆的原理主要是窒息和冷卻：一方面，氣態(tài)抑爆劑分子分布于燃燒物的周圍，起到隔離作用，降低單位空間內(nèi)氧氣濃度，并減少甲烷與氧氣的接觸，起到隔絕窒息的作用；另一方面，液態(tài)抑爆劑從裝置內(nèi)噴灑出并迅速轉(zhuǎn)變成氣態(tài)需要吸收大量的熱量，降低了保護(hù)區(qū)和燃燒爆炸反應(yīng)區(qū)的溫度，起到冷卻降溫的作用，降低燃燒反應(yīng)速率。該系列技術(shù)及裝置噴灑的抑爆介質(zhì)為氣相，對(duì)使用場(chǎng)所及環(huán)境無(wú)污染。

在“十二五”期間，重慶煤科院研發(fā)了應(yīng)用于煤礦井下巷道內(nèi)的主動(dòng)式抑爆技術(shù)及裝備。其中，ZYBJ 礦用機(jī)載式自動(dòng)噴粉抑爆裝置安裝于井下掘進(jìn)機(jī)上，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)頭附近產(chǎn)生爆炸火花時(shí)，在爆炸初始階段噴灑抑爆劑，具有整機(jī)響應(yīng)時(shí)間短、動(dòng)作靈敏、性能可靠、抑爆器噴撒滅火劑迅速等特點(diǎn)。ZYBJ型礦用機(jī)載式自動(dòng)噴粉抑爆裝置如圖8。ZYBH(A/B)巷道式自動(dòng)噴粉抑爆裝置安裝于井下平巷、轉(zhuǎn)載點(diǎn)或設(shè)備集中點(diǎn)附近，當(dāng)發(fā)生爆炸事故時(shí)，傳感控制器探測(cè)到火焰信號(hào)并分析后觸發(fā)抑爆器，抑爆器迅速噴射出抑爆劑云霧并形成隔離帶，將爆炸抑制或阻斷火焰?zhèn)鞑?，具有抑爆劑量大、噴粉滯后時(shí)間短、成霧時(shí)間快、有效覆蓋面大的特點(diǎn)。ZYBH（A）型巷道式自動(dòng)噴粉抑爆裝置基本構(gòu)成如圖9。

圖6 ZYBRG8-2 瓦斯管道輸送二氧化碳抑爆裝置Fig.6 ZYBRG8-2 gas pipeline transportation carbon dioxide explosion suppression device

圖7 ZYBQG10-2 瓦斯管道輸送七氟丙烷抑爆裝置Fig.7 ZYBQG10-2 gas pipeline transportation heptafluoropropane explosion suppression device

圖8 ZYBJ 型機(jī)載式自動(dòng)噴粉抑爆裝置Fig.8 ZYBJ airborne automatic powder spray explosion suppression device

機(jī)載式自動(dòng)噴粉抑爆裝置主要針對(duì)爆炸初期火焰進(jìn)行快速抑制，巷道式自動(dòng)噴粉抑爆裝置則針對(duì)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)的爆炸火焰進(jìn)行隔絕抑制。該系列技術(shù)及裝備的研發(fā)為煤礦井下瓦斯（煤塵）爆炸事故防治奠定了基礎(chǔ)。

圖9 ZYBH（A）型巷道式隔爆裝置基本構(gòu)成Fig.9 Basic composition of ZYBH（A）roadway explosionproof device

3 被動(dòng)式隔爆技術(shù)

3.1 被動(dòng)式隔爆技術(shù)原理

被動(dòng)式隔爆技術(shù)依靠瓦斯煤塵爆炸產(chǎn)生的沖擊波動(dòng)力來(lái)拋撒消焰劑，形成覆蓋一定區(qū)域的抑制帶，撲滅滯后于沖擊波傳播的火焰，阻止爆炸進(jìn)一步傳播。被動(dòng)式隔爆裝置就是基于這一技術(shù)原理研發(fā)，例如巖粉棚、水袋棚、水槽棚等，因其使用方便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，在世界各主要產(chǎn)煤國(guó)得到了較為廣泛的應(yīng)用。撒布巖粉方法是煤礦最早使用的控制瓦斯煤塵爆炸傳播的方法，波蘭、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家還制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。隨著研究的深入，又相繼研發(fā)了隔爆巖粉棚、隔爆水槽、隔爆水袋等隔爆措施。

根據(jù)瓦斯煤塵爆炸火焰、壓力傳播規(guī)律，在爆炸反應(yīng)初期，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫哂跊_擊波傳播速度，火焰陣面在前，沖擊波峰在后；隨著爆炸的進(jìn)一步發(fā)展，沖擊波速度快速增加，在距離爆源40 m 左右時(shí)，沖擊波趕上并超過(guò)火焰陣面；隨著傳播距離的增大，沖擊波與火焰陣面的間距越來(lái)越大。隔爆水槽、水袋就是利用爆炸所產(chǎn)生的沖擊波壓力擊碎水槽或使水袋脫鉤，使容器中的水形成覆蓋一定區(qū)域的水霧，撲滅隨后的火焰陣面，阻止爆炸繼續(xù)傳播。被動(dòng)式隔爆措施的原理決定了它只能適用于隔絕瓦斯（煤塵）爆炸火焰?zhèn)鞑?，而不適用于撲滅壓力很小的瓦斯燃燒火焰。

《煤礦安全規(guī)程》（2016）第一百八十八條規(guī)定：高瓦斯礦井、突出礦井和有煤塵爆炸危險(xiǎn)的礦井，煤巷和半煤巖巷掘進(jìn)工作面應(yīng)當(dāng)安設(shè)隔爆設(shè)施。隔爆水槽、隔爆水袋在我國(guó)已普遍使用。

3.2 巖粉棚

巖粉棚是在巷道中安設(shè)的裝載巖粉的設(shè)施，當(dāng)爆炸發(fā)生時(shí)，沖擊波掀翻巖粉棚使得巖粉飛揚(yáng)并形成抑制帶，隔絕爆炸傳播。巖粉棚的消焰劑是巖粉，其原料為石膏、白云石、石灰?guī)r等，巖粉中的可燃物含量應(yīng)小于5%，游離二氧化碳的含量不超過(guò)10%，材料不能含有毒物質(zhì)[74]。

目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的巖粉棚主要有惰性巖粉棚子和防潮巖粉棚子等。惰性巖粉棚子大多由若干巖粉槽或巖粉板組成，其隔爆機(jī)理為：爆炸發(fā)生時(shí)，爆風(fēng)鋒面到達(dá)巖粉棚子，巖粉揚(yáng)起形成濃厚的惰性巖粉云，對(duì)傳播著的火焰形成一種減速阻力，能阻止火焰對(duì)懸浮在空氣中但未燃燒的煤塵產(chǎn)生熱輻射，還能吸收部分煤塵爆炸所產(chǎn)生的熱量。由波蘭研制開(kāi)發(fā)的KDB 型惰性巖粉棚子就是一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、隔爆性好的巖粉棚子[75]。永煤集團(tuán)新橋煤礦借鑒波蘭研制的重型巴爾巴拉型巖粉棚，并對(duì)其在新橋煤礦的安裝和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究[76]。普通巖粉棚的巖粉受環(huán)境的影響，易受潮結(jié)塊而難以飛揚(yáng)形成有效抑制帶，削弱了撲滅火焰的效果。為解決普通巖粉棚易受潮的問(wèn)題，重慶煤科院對(duì)巖粉棚的防潮性進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。巖粉主要通過(guò)2 種方法進(jìn)行防潮，即內(nèi)防潮和外防潮。內(nèi)防潮主要通過(guò)在巖粉中添加化學(xué)試劑進(jìn)而起到防潮的作用，但巖粉制作復(fù)雜且成本高，不宜推廣使用；外防潮主要通過(guò)在巖粉槽的結(jié)構(gòu)上采取措施，將巖粉裝入泡沫塑料制作的槽子中并加蓋密封。防潮巖粉棚安裝簡(jiǎn)單，且?guī)r粉槽和巖粉制作簡(jiǎn)便，是煤礦理想的隔爆措施[77-78]。

早期英國(guó)使用的巖粉棚分為3 類，即輕型巖粉棚、中型巖粉棚和重型巖粉棚[79]，這是根據(jù)“為每平方米斷面巷道斷面提供的巖粉用量”來(lái)劃分的，3 種棚的巖粉用量分別為107.4、195、390.7 kg/m2。我國(guó)的巖粉棚分為重型和輕型2 類。重型巖粉棚作為主要巖粉棚，巖粉量不少于400 kg/m2；輕型巖粉棚作為輔助巖粉棚，巖粉量不少于200 kg/m2。

3.3 隔爆水槽和隔爆水袋

從20 世紀(jì)20 年代開(kāi)始，波蘭、西德、法國(guó)、英國(guó)、日本、蘇聯(lián)等國(guó)家就開(kāi)展了水棚隔絕煤塵爆炸的研究工作，并成為當(dāng)時(shí)世界主要產(chǎn)煤國(guó)隔絕煤塵爆炸的措施之一。我國(guó)從80 年代開(kāi)始相關(guān)工作，重慶煤科院、平頂山礦務(wù)局、鶴壁礦務(wù)局對(duì)隔爆水棚進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并逐步在煤礦進(jìn)行了推廣應(yīng)用[80]。

我國(guó)現(xiàn)在普遍使用的被動(dòng)式隔爆技術(shù)裝備分為隔爆水槽、隔爆水袋2 大類，水槽或水袋動(dòng)作瞬間如圖10。水的比熱容為4.2×103J/（kg·K），與火焰接觸，能大幅降低火焰溫度，使煤塵粒子之間的熱傳遞不能繼續(xù)進(jìn)行。水在高溫火焰作用下形成水蒸氣，水在蒸發(fā)過(guò)程中要大量吸收熱量。同時(shí)，所形成的水蒸氣能隔絕熱輻射，抑制了煤塵的加熱氧化反應(yīng)進(jìn)行。

圖10 水槽或水袋動(dòng)作瞬間Fig.10 Moment of action of the sink or water bag

周奠邦[81]通過(guò)研究認(rèn)為“啟動(dòng)棚子的爆炸波和火焰到達(dá)棚子的時(shí)間差、水霧在巷道斷面內(nèi)的擴(kuò)散狀態(tài)、水霧充滿巷道的長(zhǎng)度”是影響水袋棚動(dòng)作有效性的主要因素，并對(duì)水袋棚的安裝方式進(jìn)行了研究。秦文貴[82]對(duì)輔助隔爆水袋棚和主要隔爆水袋棚的安裝方法進(jìn)行了研究，并在煤礦進(jìn)行了推廣應(yīng)用。魏樂(lè)平[83]介紹了一種利用阻燃風(fēng)筒制作水槽棚的方法。李華安[84]對(duì)水袋棚材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形狀、架設(shè)方法和用水量等進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[85-88]針對(duì)不同煤礦的特點(diǎn)，對(duì)隔爆水袋棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝方法和安裝地點(diǎn)等進(jìn)行了介紹。為了克服水槽、水袋中的水易蒸發(fā)、易污染的缺點(diǎn)，蔡周全[89]對(duì)密封式隔爆水袋進(jìn)行了研究，并在直徑2 m、長(zhǎng)29 m 的圓形管道內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)。齊更亮、陳足章等[90]研發(fā)了通過(guò)水位傳感器監(jiān)測(cè)水槽水位的自動(dòng)注水裝置，該裝置還可以通過(guò)安全動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)將水量狀態(tài)顯示到地面計(jì)算機(jī)上。史澤華[91]研發(fā)了針對(duì)水槽（水袋）的滴灌式自動(dòng)補(bǔ)水裝置，該裝置不采用任何電氣設(shè)備，通過(guò)計(jì)算水量蒸發(fā)速度實(shí)現(xiàn)水槽（水袋）內(nèi)水量的損耗和補(bǔ)充處于大致的動(dòng)態(tài)平衡。隔爆水槽、隔爆水袋可按照材質(zhì)、安裝方式和安裝距離進(jìn)行不同分類。不同類型的隔爆水槽水袋如圖11。

雖然被動(dòng)式隔爆措施都是依靠爆炸壓力的作用形成水霧狀態(tài)的，但撒布水方式不同，對(duì)爆炸壓力大小的要求不同，就影響被動(dòng)式隔爆措施適用范圍。撒布水方式與安裝方式有關(guān)，也與材料有關(guān)。具體分為4 類：

圖11 不同類型的隔爆水槽水袋Fig.11 Different types of explosion-proof water tank water bags

1）掀翻方式。依靠沖擊波壓力掀翻水槽而撒布水。主要采用上托式安裝時(shí)作用原理，包括塑料水槽和泡沫水槽，其所需驅(qū)動(dòng)的爆炸壓力相對(duì)較小，一般大于5 kPa，但隨著水量增大，所需驅(qū)動(dòng)壓力隨之增大。安裝時(shí)注意保持棚間距，以方便水槽傾倒。

2）脫釣方式。依靠沖擊波壓力使水袋一邊脫釣撒布水的方式。它是各種吊掛式水袋的作用原理。其所需驅(qū)動(dòng)的爆炸壓力相對(duì)較小，一般大于5 kPa，隨著容水質(zhì)量增大，所需驅(qū)動(dòng)壓力隨之增大。安裝時(shí)特別注意掛鉤方向和角度，千萬(wàn)不可捆死水袋。

3）擊碎方式。依靠沖擊波壓力擊碎水槽撒布水。一般是嵌入式水槽安裝方式，水槽或強(qiáng)度不同，所需擊碎壓力不同，所需的爆炸壓力相對(duì)較大，一般大于9 kPa。塑料水槽較大，泡沫槽較小。

4）撕裂方式。依靠沖擊波壓力撕裂水袋撒布水。是密封式隔爆水袋作用原理。密封式隔爆水袋材料不同，所需爆炸波壓力不同，所需的爆炸壓力相對(duì)較大，一般大于9 kPa。安裝時(shí)注意保持架間距，使水袋有擺動(dòng)的間隔。

被動(dòng)式隔爆水槽、水袋是以隔爆水槽棚或隔爆水袋棚的形式在井下應(yīng)用，統(tǒng)稱為隔爆棚。隔爆棚按安裝位置分為主要隔爆棚及輔助隔爆棚，其中水袋棚不能作為主要隔爆棚；按安裝方式分為集中式安裝及分散式安裝。主要隔爆棚安裝地點(diǎn)包括：礦井兩翼，與井筒相通的主要運(yùn)輸大巷和回風(fēng)大巷；相鄰煤層之間的運(yùn)輸石門和回風(fēng)石門；相鄰采區(qū)之間的集中運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷。輔助隔爆棚的安裝地點(diǎn)包括：采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷；采區(qū)內(nèi)的煤巷、半煤巷掘進(jìn)巷道；采用獨(dú)立通風(fēng)、并有煤塵爆炸危險(xiǎn)的其它巷道；煤倉(cāng)與其相連的巷道間；裝載點(diǎn)與其相連的巷道間。

3.4 機(jī)械式隔爆裝置

機(jī)械式隔爆裝置是近年來(lái)出現(xiàn)的新型隔爆裝置，機(jī)械式隔爆裝置如圖12，其仍然基于被動(dòng)式隔爆原理研發(fā)，主要由沖擊波接收裝置、抑爆粉劑、料倉(cāng)、吊掛裝置等組成。機(jī)械式隔爆裝置采用錨桿連接的方式固定在巷道頂板上方，并根據(jù)巷道情況選擇裝置的布置方式、安裝數(shù)量等。當(dāng)煤礦井下發(fā)生瓦斯（煤塵）爆炸事故時(shí)，沖擊波接收裝置探測(cè)到爆炸壓力信號(hào)，觸發(fā)裝置動(dòng)作，高壓氣體攜帶抑爆粉劑噴出形成抑制帶，將爆炸隔離在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)并撲滅火焰，防止爆炸產(chǎn)生連鎖反映，引起危害更大的二次爆炸。

圖12 機(jī)械式隔爆裝置Fig.12 Mechanical explosion-proof device

早在1996 年，我國(guó)學(xué)者就提出了一種依據(jù)爆炸壓力信號(hào)噴灑抑爆劑的隔爆裝置設(shè)想[92]，雖然該裝置不屬于純機(jī)械式的范疇，但仍然為相關(guān)研究工作提供了思路。21 世紀(jì)初期，機(jī)械式隔爆裝置在俄羅斯、烏克蘭等國(guó)得到了推廣應(yīng)用，取得了良好的效果。2010 年開(kāi)始，我國(guó)企業(yè)引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，研發(fā)了機(jī)械式隔爆裝置，并在多家煤礦企業(yè)進(jìn)行了推廣應(yīng)用。

4 瓦斯（煤塵）爆炸抑隔爆技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

主動(dòng)式抑隔爆技術(shù)及裝備具備爆炸信號(hào)的智能探測(cè)功能，且能夠自動(dòng)噴灑抑制劑，快速形成抑制帶，其安裝方式較為靈活，因此在煤礦井下有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，主動(dòng)式抑隔爆技術(shù)在瓦斯抽放管路、排空管路上的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但在煤礦井下的應(yīng)用較少。所以，瓦斯（煤塵）爆炸抑隔爆技術(shù)在未來(lái)還應(yīng)該從以下幾個(gè)方面取得突破。

一方面，由于煤礦井下巷道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備設(shè)施眾多，一旦發(fā)生爆炸事故，爆炸火焰和沖擊波的傳播規(guī)律與小型管道存在很大的尺度效應(yīng)。因此，下一步需要開(kāi)展大型網(wǎng)絡(luò)巷道內(nèi)的瓦斯（煤塵）爆炸實(shí)驗(yàn)研究，探索實(shí)際工況條件爆炸火焰和沖擊波的傳播規(guī)律，以及障礙物對(duì)其的影響規(guī)律。夯實(shí)理論基礎(chǔ)，為主動(dòng)式抑隔爆技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用提供理論依據(jù)。目前，重慶煤科院正在制定能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤礦主動(dòng)式隔抑爆裝置應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，為主動(dòng)式抑隔爆技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

另一方面，由于未來(lái)我國(guó)煤礦將向智能化、無(wú)人化方向發(fā)展，瓦斯（煤塵）爆炸抑隔爆技術(shù)也應(yīng)該適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)。在信號(hào)探測(cè)方面，可以將爆炸火焰、溫度、壓力等信號(hào)有機(jī)結(jié)合，提升探測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性；在智能化判識(shí)方面，通過(guò)多元化的信號(hào)探測(cè)感知爆炸強(qiáng)度，智能判斷噴灑抑制劑的數(shù)量，在保證抑制效果的基礎(chǔ)上節(jié)約成本和提升效率。同時(shí)，還應(yīng)該針對(duì)不同的爆炸場(chǎng)景進(jìn)行有針對(duì)性地技術(shù)研發(fā)和提升，如采場(chǎng)區(qū)域、掘進(jìn)工作面、運(yùn)輸巷等，將被動(dòng)式隔爆技術(shù)與主動(dòng)式抑隔爆技術(shù)綜合應(yīng)用，將快速抑制技術(shù)與爆炸隔離技術(shù)有機(jī)結(jié)合，通過(guò)智能化手段實(shí)現(xiàn)分級(jí)啟動(dòng)和聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)瓦斯（煤塵）爆炸事故的有效控制。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）從基礎(chǔ)研究來(lái)看，小尺度管道內(nèi)的瓦斯（煤塵）爆炸火焰、沖擊波傳播規(guī)律研究較為成熟，水、粉劑、惰性氣體等抑爆介質(zhì)的阻燃抑爆機(jī)理基本摸清；但大型網(wǎng)絡(luò)巷道內(nèi)的瓦斯（煤塵）爆炸傳播規(guī)律，以及障礙物對(duì)其的影響機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

2）被動(dòng)式隔爆巖粉棚、水槽棚、水袋棚、管道式主動(dòng)噴粉（氣）抑爆裝置等技術(shù)成熟，并且有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等技術(shù)文件指導(dǎo)，在我國(guó)煤礦井下、瓦斯抽放管路、排空管路等區(qū)域及裝置上得到廣泛應(yīng)用；但主動(dòng)式抑隔爆裝置在煤礦井下的應(yīng)用還處于起步階段，還應(yīng)該深入開(kāi)展安裝方式、安裝數(shù)量、安裝位置等工藝研究，為下一步的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

3）必須看到，我國(guó)現(xiàn)有的抑隔爆裝備還存在智能化程度不高、應(yīng)用場(chǎng)所單調(diào)等缺點(diǎn)；為了適應(yīng)未來(lái)我國(guó)煤礦井下智能化、無(wú)人化的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)該將被動(dòng)式隔爆技術(shù)與主動(dòng)式抑隔爆技術(shù)綜合應(yīng)用，將快速抑制技術(shù)與爆炸隔離技術(shù)有機(jī)結(jié)合，通過(guò)智能化手段實(shí)現(xiàn)多區(qū)域裝備的分級(jí)啟動(dòng)和聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)瓦斯（煤塵）爆炸事故的有效控制。