黃子超

(中煤科工集團(tuán)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(guó)一次能源結(jié)構(gòu)中，煤炭將長(zhǎng)期是主體能源，但高瓦斯、 瓦斯突出礦井占我國(guó)煤礦總數(shù)的46%。雖然“十三五”以來，煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)好轉(zhuǎn)，但瓦斯煤塵爆炸危險(xiǎn)并沒有得到根本解決，“十二五”和“十三五”期間，全國(guó)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(jì)，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(guó)煤礦事故分析報(bào)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(shí)間是影響隔抑爆效果的關(guān)鍵因素之一，響應(yīng)時(shí)間越快，越能在短時(shí)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(dòng)式隔爆設(shè)施啟動(dòng)慢、隔爆介質(zhì)屏障持續(xù)時(shí)間短，隔爆效果不理想。論文研究快速、主動(dòng)探測(cè)爆炸火焰信息及控制技術(shù)，并快速啟動(dòng)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(dòng)式隔爆技術(shù)

隔抑爆技術(shù)按作用原理分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩大類，被動(dòng)式隔爆技術(shù)是依賴爆炸產(chǎn)生的沖擊波動(dòng)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(dòng)隔爆技術(shù)依靠對(duì)爆炸信息的超前探測(cè)，輸出控制信號(hào)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(jī)械化的推廣及瓦斯治理需要，巷道通風(fēng)量及風(fēng)速增大，撒布巖粉技術(shù)措施會(huì)造成粉塵飛揚(yáng)，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(guó)得到了不同程度的開發(fā)和應(yīng)用。我國(guó)從1980 年起研究并推廣應(yīng)用隔爆水槽、 隔爆水袋，同時(shí)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(duì)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?xì)鉂舛?、隔絕熱輻射的作用。然而，隔爆水棚受安裝位置、動(dòng)作時(shí)間等多因素影響，形成有效隔爆水幕的動(dòng)作時(shí)間和爆炸火焰到達(dá)時(shí)間很難一致［2］，隔爆效果并不明顯。而且，現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間短等不利因素，造成滅火效率低。另外，煤礦井下硐室、掘進(jìn)機(jī)等單點(diǎn)危險(xiǎn)源，不利于隔爆水棚的安裝使用。

1.2 主動(dòng)式自動(dòng)抑爆技術(shù)

發(fā)展主動(dòng)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(dòng)抑爆技術(shù)已列入國(guó)家應(yīng)急局“四個(gè)一批”推薦目錄。

主動(dòng)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(dòng)噴水抑爆技術(shù)、主動(dòng)噴粉抑爆技術(shù)以及主動(dòng)噴惰性氣體抑爆技術(shù)。世界上各主要產(chǎn)煤國(guó)均非常重視，相繼研制了實(shí)時(shí)快速噴射抑爆裝置來抑制爆炸火焰。英國(guó)研制了以壓縮空氣推動(dòng)活塞噴水的MK-Ⅱ型抑爆裝置，能在180 ms 內(nèi)將水?dāng)U散到巷道空間；美國(guó)在研制了以爆破拋撒為原理的Cardox 型抑爆裝置，形成粉霧時(shí)間180～490 ms；南非上個(gè)世紀(jì)90 年代末研制了HS 系列機(jī)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(dòng)化隔爆裝置，開啟速度可達(dá)到25 ms。國(guó)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(dòng)抑爆系統(tǒng)。該系列系統(tǒng)在爆炸發(fā)生瞬間啟動(dòng)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(dòng)抑爆技術(shù)的工作原理

主動(dòng)式抑爆技術(shù)是在爆炸發(fā)生的初期，依靠快速自動(dòng)探測(cè)爆炸信息和自動(dòng)用物理化學(xué)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?dòng)抑爆技術(shù)，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)研制了不同原理的自動(dòng)抑爆裝置［4］。

自動(dòng)抑爆裝置主要由紫外(紅外)火焰?zhèn)鞲衅鳌⒖刂破?、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(dāng)作業(yè)監(jiān)測(cè)區(qū)出現(xiàn)瓦斯煤塵爆炸時(shí)，紅外或紫外火焰?zhèn)鞲衅鞒疤綔y(cè)爆炸信號(hào)并傳送到控制單元分析，由控制器發(fā)出指令使抑爆器動(dòng)作，觸發(fā)抑爆器內(nèi)貯存的高能壓縮氣體或觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生高壓驅(qū)動(dòng)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(duì)爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力和火焰進(jìn)行降壓滅火，抑制或隔絕瓦斯煤塵爆炸的傳播，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)抑爆［5］。

圖1 主動(dòng)抑爆技術(shù)工作原理圖

3 主動(dòng)探測(cè)快速響應(yīng)抑爆技術(shù)

3.1 爆炸火焰信息快速、準(zhǔn)確響應(yīng)技術(shù)

火焰?zhèn)鞲衅髦饕赏鈿?、電路板、玻璃窗、感光元件等組成，當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到爆炸火焰信號(hào)時(shí)，快速探測(cè)并輸出信號(hào)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(qiáng)度比較弱，但靈敏度比較大，有足夠的光電流輸出。基于爆炸火焰光譜的特點(diǎn)，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(yuǎn)紫外光探測(cè)原理。

太陽(yáng)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(yuǎn)紫外光的范圍，因此該紫外光電管對(duì)太陽(yáng)光不敏感。在爆炸初始時(shí)刻，由于火焰中的遠(yuǎn)紫外照射，紫外光電管的電子吸收了入射遠(yuǎn)紫外光子的能量逸出光陰極表面，在陰極電場(chǎng)作用下向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電信號(hào)，達(dá)到檢測(cè)爆炸火焰的目的。由于遠(yuǎn)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(hào)到輸出電信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到1 ms 內(nèi)?；鹧?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(jì)選用雙紫外光電管，兩者為與的關(guān)系，即當(dāng)兩個(gè)均探測(cè)到信號(hào)時(shí)，其輸出電路才會(huì)有輸出。傳感器配置了背景光探測(cè)，能夠智能判別爆炸火焰信息和環(huán)境光源，防止火焰信號(hào)觸發(fā)錯(cuò)誤，從而造成整個(gè)裝置的誤動(dòng)作。傳感器電路設(shè)置有故障信號(hào)判斷與輸出電路，在控制器上可以監(jiān)測(cè)傳感器的運(yùn)行狀況。

3.2 控制技術(shù)

控制器接收爆炸火焰探測(cè)器信號(hào)，經(jīng)過判斷分析后決定是否觸發(fā)抑爆器和隔爆器?？刂破魇且粋€(gè)以先進(jìn)的微處理器為核心的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是隔抑爆裝置的信號(hào)中樞。

控制器集多種功能于一身，實(shí)現(xiàn)爆炸火焰信號(hào)的實(shí)時(shí)接收、判別及隔抑爆系統(tǒng)終端的實(shí)時(shí)控制，具有信息判斷、儲(chǔ)存、自身狀態(tài)診斷等輔助功能?？刂破髦饕蓴?shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、實(shí)時(shí)控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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?？刂破魍ㄟ^RS485 通信接口與上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換?？刂破鞯碾娐饭ぷ髟砣鐖D3 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(fù)責(zé)對(duì)火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘?hào)采樣、設(shè)備故障信號(hào)采樣等。爆炸信號(hào)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(shí)間快，邏輯控制準(zhǔn)確，從接收火焰信號(hào)，經(jīng)邏輯判斷并輸出控制信號(hào)的時(shí)間間隔≤4 ms。

控制器邏輯程序采用智能化設(shè)計(jì)，能夠自動(dòng)檢測(cè)傳感器、抑爆器、電源等設(shè)備工作狀況，及時(shí)提供故障信息。控制器采用可編程的單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)信息集中處理和部分控制?？刂撇糠址譃椴蓸硬僮骺刂啤⑼ㄐ呸D(zhuǎn)換控制、信息調(diào)用存儲(chǔ)控制和顯示控制等?？刂破鳝h(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、 最多可接2 臺(tái)火焰探測(cè)器、4 臺(tái)抑爆器，并能夠?qū)鞲衅魈綔y(cè)關(guān)系、抑爆器接入數(shù)量進(jìn)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(shí)間存儲(chǔ)、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(dòng)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(dòng)作時(shí)間和有效抑爆屏障的形成時(shí)間，抑爆器采用儲(chǔ)壓式工作原理，即在正常工作狀態(tài)下抑爆罐體內(nèi)儲(chǔ)存抑爆消焰劑和高壓驅(qū)動(dòng)氣體。抑爆罐體與噴撒機(jī)構(gòu)之間采用快速開啟閥門密封連接。儲(chǔ)壓式抑爆器相對(duì)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(shí)間，噴撒響應(yīng)時(shí)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(dāng)有瓦斯(煤塵)爆炸事故發(fā)生時(shí)，快開閥接收到控制單元發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)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(shí)刻或者在爆炸火焰到達(dá)前形成隔抑爆云幕，起到撲滅或阻隔爆炸火焰的作用。快開閥門的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示，其依靠外部電流信號(hào)的觸發(fā)，點(diǎn)爆觸發(fā)器，在內(nèi)部瞬間產(chǎn)生高壓氣體，推動(dòng)活塞移動(dòng)拉斷閥桿，從而實(shí)現(xiàn)罐體與噴撒機(jī)構(gòu)連通。

圖4 快開閥結(jié)構(gòu)圖

快開閥門是儲(chǔ)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(shí)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(diǎn)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(duì)環(huán)境的安全性?？扉_閥門閥桿在高壓力下在毫秒時(shí)間內(nèi)快速斷開，形成通路。抑爆器快開閥門整體動(dòng)作時(shí)間≤5 ms。

快開閥設(shè)計(jì)有4 個(gè)出口，每個(gè)出口連接導(dǎo)管連接至噴撒機(jī)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(dòng)抑爆裝置的整體響應(yīng)時(shí)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(diǎn)火藥頭模擬爆炸火源照射傳感器窗口，觸發(fā)火焰?zhèn)鞲衅?，?dāng)抑爆器接收到觸發(fā)信號(hào)后快速噴撒消焰劑。試驗(yàn)采用高速攝影機(jī)拍攝整個(gè)試驗(yàn)過程，拍攝幀率為≥1000fps。裝置整體響應(yīng)時(shí)間為點(diǎn)火源產(chǎn)生時(shí)刻與抑爆器開始噴撒的時(shí)間差。通過高速攝像機(jī)拍攝畫面可以分析得到整機(jī)響應(yīng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)方法如圖5 所示。

圖5 快開閥結(jié)構(gòu)圖

表1 機(jī)載式抑爆裝置響應(yīng)時(shí)間記錄表

在抑爆裝置3 次響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)中，傳感器均探測(cè)到爆炸火焰信息并輸出感應(yīng)信號(hào)，抑爆器均可靠觸發(fā)，整體響應(yīng)時(shí)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(jì)了故障判別性能，能夠快速、準(zhǔn)確探測(cè)爆炸火焰信息；采用智能芯片，進(jìn)行了智能化邏輯控制設(shè)計(jì)，形成了快速可靠控制技術(shù)；抑爆器采用儲(chǔ)壓式原理，利用快速開啟閥減少了動(dòng)作及成霧時(shí)間，形成了主動(dòng)快速抑爆技術(shù)。

基于紫外光探測(cè)、 快開觸發(fā)的主動(dòng)抑爆響應(yīng)時(shí)間縮短，在發(fā)生瓦斯煤塵爆炸危險(xiǎn)時(shí)，可以在短時(shí)間內(nèi)在巷道空間形成粉體云幕，有效地?fù)錅绫ɑ鹧?，控制爆炸事故及波及范圍?/p>