陳廣泰，劉正元，楊寶珠，李爭，陸夢羽，陳闖

(中車大連機(jī)車研究所有限公司， 遼寧 大連 116021)

0 引言

人類對礦產(chǎn)資源的使用至少有50萬年的歷史。21世紀(jì)初，礦產(chǎn)資源的開采、運(yùn)輸、提煉雖然已經(jīng)逐漸邁向全面機(jī)械化，但礦山事故依然居高不下。據(jù)煤礦安全網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，僅2019年上半年，全國煤礦企業(yè)發(fā)生事故67起，死亡108人[1]。其中礦山運(yùn)輸類事故15起，死亡15人。2020年上半年，全國煤礦企業(yè)發(fā)生事故48起，死亡74人。其中，礦山運(yùn)輸類事故12起，死亡13人。安全需要完備的技術(shù)保障措施。本文將以礦用自卸車為例著重研究重型礦卡火災(zāi)防控相關(guān)問題。

1 重型礦卡火災(zāi)防控技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

重型礦卡技術(shù)復(fù)雜程度高、設(shè)備價值量大、安全要求高、維護(hù)檢修困難。全球具備成熟研發(fā)和制造能力的僅有卡特彼勒CATERPILLAR、小松KOMATSU、日立HITACHI、特雷克斯TEREX和利勃海爾LIEBHERR等幾家知名企業(yè)。

國外火災(zāi)防控技術(shù)研究較早，但針對于重型礦卡的火災(zāi)研究卻很少。德國Siemens-Cerberus、美國安素公司、3M公司、AFEX公司均是全球較早一批生產(chǎn)制造滅火系統(tǒng)的公司并已經(jīng)成熟運(yùn)用于重型礦卡。美國安素公司、AFEX公司生產(chǎn)制造的干粉滅火系統(tǒng)代表著世界的領(lǐng)先水平。隨著技術(shù)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了水基滅火裝置、泡沫干粉聯(lián)用滅火裝置和氣體滅火裝置。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

一臺重型礦卡的內(nèi)燃系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)非常復(fù)雜，堪比一臺電傳動內(nèi)燃機(jī)車。國內(nèi)重型礦卡的主要生產(chǎn)廠家有中國中車、湘潭電機(jī)、本溪重汽、徐工、北方股份等龍頭企業(yè)[2]。其配備的火災(zāi)防控系統(tǒng)以安素公司的超細(xì)干粉為主，而國內(nèi)沒有公司具備此技術(shù)。為填補(bǔ)我國消防行業(yè)的空白，政府開始高度重視火災(zāi)防控技術(shù)，加大對消防行業(yè)研究開發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證、生產(chǎn)制造的投入，得以縮短了我國消防技術(shù)與國際先進(jìn)水平的差距。但在重型礦卡火災(zāi)防控系統(tǒng)上仍要以進(jìn)口為主，缺乏特種運(yùn)輸行業(yè)的火災(zāi)防控體系。

2 重型礦卡火災(zāi)的主要成因

礦山環(huán)境惡劣，機(jī)械晝夜運(yùn)作潛在火災(zāi)危險(xiǎn)性極高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，重型礦卡起火事故有發(fā)動機(jī)起火、馬達(dá)起火、排氣管起火、輪胎起火、駕駛室起火、電器柜起火、電控柜起火等[3]。這些事故可根據(jù)火源類型分為兩種：油液火、電氣火。由于重型礦卡主要以柴油發(fā)動機(jī)提供動力，其自卸、動力轉(zhuǎn)向、舉升等大多數(shù)工況下采用液力機(jī)械傳動，車體遍布各種液壓油管及柴油輸油管，所以油液泄露便成為了其主要起火原因，這種事故概率的占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電氣火。兩種火災(zāi)成因總結(jié)如下：

1) 發(fā)動機(jī)輸油管路中的霧化柴油，液壓系統(tǒng)中的霧化液壓油以及其他管路中的油液，常常由于管路的破損使油液滴濺乃至噴射接觸到發(fā)動機(jī)或渦輪增壓器排氣管、制動系統(tǒng)剎車盤、制動電阻等高溫物體表面導(dǎo)致的油液高溫接觸火災(zāi)；神華集團(tuán)黑岱溝煤礦2011年由于液壓油噴射到溫度極高的渦輪增壓器及排煙管而引起的火災(zāi)發(fā)生了5起[4]。

2) 由于作業(yè)環(huán)境惡劣，作業(yè)強(qiáng)度大、工作時間長等原因?qū)е碌碾姎庠O(shè)備過載、線纜破損、老化漏電、線端松動，從而使線纜短路、高溫自燃引起設(shè)備起火。

3 重型礦卡火災(zāi)防控系統(tǒng)的發(fā)展需求與方向

3.1 發(fā)展需求

重型礦卡由于其運(yùn)用環(huán)境惡劣，工作強(qiáng)度大，油液、脂類大量存在等原因?qū)е缕浠馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)相較于其他工程車輛都高。重型礦卡對火災(zāi)安全防控需求十分迫切，火災(zāi)防控系統(tǒng)已成為礦卡重要組成部分。

礦卡由于其自身儲存大量油液、工作時高溫發(fā)熱部件多、工作區(qū)域遠(yuǎn)離市區(qū)難以救援等原因，礦卡火災(zāi)的早期火災(zāi)探測報(bào)警技術(shù)變得尤為重要，然而我國針對該領(lǐng)域的火災(zāi)探測報(bào)警技術(shù)尚不成熟。有一半重型礦卡甚至不配有任何探測報(bào)警系統(tǒng)。探測報(bào)警系統(tǒng)需要由探測器與報(bào)警控制器兩部分組成。國產(chǎn)探測器性能不穩(wěn)定且以民用為主，受制于傳感器技術(shù)水平，能穩(wěn)定用于監(jiān)測礦卡火災(zāi)的國產(chǎn)火災(zāi)探測器以及與之匹配的報(bào)警控制器仍然匱乏。

當(dāng)?shù)V卡擁有了火災(zāi)探測器報(bào)警系統(tǒng)時，其應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步具備相應(yīng)的自動滅火技術(shù)?；馂?zāi)探測報(bào)警可及早地疏散人員，而滅火技術(shù)則是為了將火災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失降到最低。我國滅火技術(shù)發(fā)展迅猛，在建筑消防方面可謂是世界前沿，但是針對于半封閉環(huán)境的大型運(yùn)輸設(shè)備選擇卻很少。其主要是缺乏專用的滅火劑和灌裝容器。高沖擊振動環(huán)境與極端溫度條件對于灌裝設(shè)備具有很大的考驗(yàn)。

綜上所述，重型礦卡使用的火災(zāi)防控系統(tǒng)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)需求：能對火情精準(zhǔn)、快速地探測，合理的判斷邏輯，在最短時間內(nèi)響應(yīng)；長期穩(wěn)定的運(yùn)行，在火災(zāi)發(fā)生時能高效、可靠地滅火；滅火后設(shè)備的可恢復(fù)性、絕緣性、腐蝕性以及易清潔性都需要進(jìn)行考慮，盡量減少對設(shè)備的二次傷害。

3.2 發(fā)展方向

現(xiàn)階段重型礦卡火災(zāi)防控系統(tǒng)應(yīng)該向著全自動、智能化、可視化方向發(fā)展。滅火裝置、探測裝置、控制裝置、視頻監(jiān)控裝置集成的火災(zāi)防控系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)手持式滅火器。全自動火災(zāi)防控系統(tǒng)在火災(zāi)初期既可及時發(fā)現(xiàn)火情又可實(shí)時顯示設(shè)備狀況并自動釋放滅火劑撲滅大火，有效地避免了火災(zāi)發(fā)生時人為滅火的不可靠問題。

經(jīng)過多年的發(fā)展，針對重型礦卡的火災(zāi)防控設(shè)施逐漸完善，現(xiàn)主要使用的傳統(tǒng)手持干粉滅火劑、進(jìn)口CO2火災(zāi)防控系統(tǒng)、干粉火災(zāi)防控系統(tǒng)、混合液體火災(zāi)防控系統(tǒng)[5]尚未完全考慮災(zāi)后設(shè)備可恢復(fù)性和對環(huán)境污染程度。所以滅火劑應(yīng)當(dāng)選擇新型的無腐蝕、無殘留氣體火災(zāi)防控系統(tǒng)。

火災(zāi)發(fā)生時不能及時探測火災(zāi)、撲滅火災(zāi)并抑制火災(zāi)復(fù)燃的火災(zāi)防控系統(tǒng)將逐漸被淘汰。我國的火災(zāi)防控系統(tǒng)正向?qū)I(yè)化、系統(tǒng)化體系發(fā)展。使用多物理量復(fù)合探測技術(shù)、優(yōu)化邏輯控制，配以專用的新型滅火藥劑，是實(shí)現(xiàn)超早期火災(zāi)探測、防控的必經(jīng)之路。

4 重型礦卡火災(zāi)防控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

火災(zāi)防控系統(tǒng)主要由探測、報(bào)警控制、滅火執(zhí)行以及諸如遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和報(bào)警聯(lián)動等其他聯(lián)動裝置等構(gòu)成[6]。為保障人民生命安全，減少國家經(jīng)濟(jì)損失，維護(hù)社會穩(wěn)定發(fā)展，加強(qiáng)重型礦卡火災(zāi)防控系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)研究,以及綠色智能等產(chǎn)品技術(shù)的開發(fā)，具有十分重要的意義。

4.1 重型礦卡的火災(zāi)分析技術(shù)

火災(zāi)分析可分為火災(zāi)重建與火災(zāi)預(yù)測，而火災(zāi)模型搭建是其中最重要的步驟，是評估火災(zāi)和驗(yàn)證防火性能的主要手段?；馂?zāi)建模要基于化學(xué)與物理基本定律，否則無法準(zhǔn)確解釋火災(zāi)。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，火勢將會受到流場的嚴(yán)重影響。因此在模型搭建時，模型結(jié)構(gòu)簡化程度不同、流場流動假設(shè)不同，將會得出不同的火災(zāi)模型。

火災(zāi)模型可分為用數(shù)學(xué)方程組建立的數(shù)學(xué)模型與按照一定比例復(fù)制的物理模型。由于復(fù)雜的幾何圖形不能始終與原始圖形保持一致，因此研究人員必須評估與記錄幾何圖形基本元素，在了解各個模型物理基礎(chǔ)上，進(jìn)行模型搭建。

圖1是根據(jù)某型號礦用自卸車進(jìn)行的火災(zāi)模型建立。首先根據(jù)礦車真實(shí)機(jī)械模型進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)簡化，獲得我們要研究的火災(zāi)發(fā)生場所的結(jié)構(gòu)簡化模型，然后通過對環(huán)境參數(shù)(風(fēng)速、溫度、氣壓等)進(jìn)行調(diào)整，最后設(shè)置所需的測溫點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對溫度監(jiān)測。通過仿真軟件進(jìn)行流場仿真，可以預(yù)測或重建溫度變化趨勢、煙氣流場等數(shù)據(jù)。

圖1 流場切片圖

有關(guān)于火災(zāi)的發(fā)展，目前研究領(lǐng)域只能在某種程度上針對基本特征進(jìn)行建模?；馂?zāi)的發(fā)展階段可分為初期、發(fā)展、猛烈、下降、熄滅五個基本階段，隨環(huán)境條件的不同，這五個階段會演化出形式各異的火災(zāi)發(fā)展曲線。其中火災(zāi)初期階段與發(fā)展階段是發(fā)現(xiàn)、撲滅火災(zāi)的黃金時期，是火災(zāi)建模最關(guān)注的研究點(diǎn)。

4.2 火災(zāi)探測與感知

火災(zāi)探測技術(shù)依靠兩部分，一是傳感器技術(shù)，二是邏輯處理技術(shù)。

傳感器是能測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成輸出的器件或裝置[7]?；馂?zāi)探測技術(shù)均依靠傳感器檢測、傳輸和放大，火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧、火焰和高溫等介質(zhì)的變化，該變化通常會以電流信號或者電壓信號形式傳出，通過探測器本體或者控制器預(yù)設(shè)程序計(jì)算后發(fā)出火災(zāi)信號、報(bào)告火災(zāi)發(fā)生位置等信息。目前火災(zāi)探測器根據(jù)檢測對象的不同，可分為感煙、感溫、輻射、氣體以及復(fù)合探測器。這幾類探測器僅吸氣探測器、感煙探測器可以較早地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，但經(jīng)長期使用上述兩種探測器極易因外界因素引起誤報(bào)，故復(fù)合多類型探測器的方式是目前解決誤報(bào)、漏報(bào)最可靠的方法。

礦山運(yùn)輸設(shè)備長期處于多塵環(huán)境，感溫、感煙探測器的維護(hù)成本較高，所以現(xiàn)有的礦山運(yùn)輸設(shè)備多采用免維護(hù)的線型感溫電纜或點(diǎn)式定溫探測裝置，作為火災(zāi)防控系統(tǒng)的“感官”。線性感溫電纜內(nèi)部有兩根彈性鋼絲，每根鋼絲外面包有一層感溫且絕緣的材料[8]，在正常監(jiān)視狀態(tài)下，兩根鋼絲處于絕緣狀態(tài)，當(dāng)周邊環(huán)境溫度上升到預(yù)定動作溫度時，溫度敏感材料破裂，兩根鋼絲產(chǎn)生短路，輸入模塊檢查到短路信號后會報(bào)警[9]。此種探測器本身靈敏度、控制器對其的邏輯控制直接影響火災(zāi)防控系統(tǒng)的有效性。我國現(xiàn)階段生產(chǎn)的探測器雖然價格低廉，但誤報(bào)率高、響應(yīng)慢，無法完全取代進(jìn)口探測器。

4.3 火災(zāi)防控系統(tǒng)控制策略

火災(zāi)防控系統(tǒng)設(shè)計(jì)以精準(zhǔn)、簡單、高效為原則，通過早期預(yù)警、聯(lián)動控制，實(shí)現(xiàn)精確噴射，可為設(shè)備提供全面的防護(hù)保障?；馂?zāi)防控系統(tǒng)主要分為三大組成部分，即控制系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、滅火執(zhí)行系統(tǒng)。由不同傳感器構(gòu)成的火災(zāi)探測系統(tǒng)時刻監(jiān)視著周圍環(huán)境的溫度、煙氣、火焰變化。發(fā)生火災(zāi)時，探測系統(tǒng)可迅速響應(yīng)并傳遞信號到控制器。通過控制器內(nèi)部集成的算法進(jìn)行邏輯判斷，一旦判斷為火災(zāi)，一方面輸出動作信號，控制滅火執(zhí)行系統(tǒng)動作，撲滅火災(zāi)；另一方面發(fā)出消防聯(lián)動信號及報(bào)警信號，通知相關(guān)人員緊急撤離。

電動輪礦用自卸車主要保護(hù)區(qū)域集中在柴油機(jī)、電傳動系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、柴油管路、液壓管路、閥組、電線電纜等部位。針對以上部位布置探測器與滅火劑管路是十分必要的。圖2是某礦用自卸車滅火執(zhí)行裝置的示意圖。

圖2 某礦用自卸車滅火執(zhí)行裝置

圖3為某電動輪礦用自卸車火災(zāi)防控系統(tǒng)拓?fù)鋱D，該系統(tǒng)分別在前后輪、增壓器、液壓泵、制動器布置探頭，時刻監(jiān)控火情。探測器串聯(lián)接入控制器，火災(zāi)發(fā)生時探測器發(fā)送電流信號到控制器，進(jìn)而通過控制器控制滅火器噴射。

圖3 某礦用自卸車火災(zāi)防控系統(tǒng)

4.4 適用于重型礦卡環(huán)境下的環(huán)保型滅火劑

重型礦卡存在大量可燃液體：潤滑油、柴油、潤滑脂、液壓油及其他可燃物[10]。當(dāng)這些運(yùn)輸設(shè)備“人歇車不歇”的晝夜工作時，發(fā)動機(jī)缸體、排氣裝置以及制動產(chǎn)生大量的熱，而許多油管、電線電纜與這些高溫裝置接觸緊密，存在著很大的火災(zāi)隱患。

根據(jù)NFPA潔凈氣體滅火系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[11]，將礦用運(yùn)輸設(shè)備使用到的滅火劑統(tǒng)計(jì)如下：

低成本、環(huán)保、易攜帶的CO2滅火劑、干粉滅火劑是目前在礦山機(jī)械運(yùn)用最廣泛的滅火劑，但降溫效果有限，且無法抑制復(fù)燃。表1中水基、泡沫滅火劑主要針對A類火，在礦山運(yùn)輸設(shè)備復(fù)雜的火災(zāi)環(huán)境和電動輪附近使用容易造成二次電氣災(zāi)害，且施救后難以清理。從表2中可知,以全氟己酮為代表的清潔氣體滅火劑不僅滅火性能優(yōu)良，而且符合環(huán)境保護(hù)要求，具有良好的電氣絕緣性能，尤其是揮發(fā)后不會產(chǎn)生任何腐蝕作用和破壞作用，滅火的同時設(shè)備狀態(tài)保持正常，逐步應(yīng)用在重型礦卡中。

表1 滅火劑分類

表2 超細(xì)干粉與全氟己酮對比分析

全氟己酮滅火劑用量計(jì)算：

確定保護(hù)區(qū)的容積V=(L×W×H)m3；滅火劑濃度取為4.5%，滅火系統(tǒng)的滅火設(shè)計(jì)濃度不應(yīng)小于滅火濃度的1.3倍，固最小設(shè)計(jì)濃度為5.85%；計(jì)算滅火劑設(shè)計(jì)用量：

(1)

式中:W為滅火設(shè)計(jì)用量或惰化設(shè)計(jì)用量,kg；C1為滅火設(shè)計(jì)濃度或惰化設(shè)計(jì)濃度,%；S為滅火劑過熱蒸汽在101 kPa大氣壓和防護(hù)區(qū)最低環(huán)境溫度下的比容,m3/kg；V為防護(hù)區(qū)的凈容積，m3；K為海拔高度修正系數(shù)，可按本規(guī)范附錄B的規(guī)定取值。

滅火劑過熱蒸汽在101 kPa大氣壓和防護(hù)區(qū)最低環(huán)境溫度下的比容，應(yīng)按下式計(jì)算：

S=0.066 4+0.000 274 1·T

幾種典型化學(xué)滅火劑與滅火系統(tǒng)的性能對比詳見表3[12]。

表3 滅火劑性能對比表

4.5 遠(yuǎn)程監(jiān)測與車地一體化控制

采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、車載信息采集技術(shù)、無線通信技術(shù)、流媒體傳輸技術(shù)和故障預(yù)測健康管理技術(shù)，把重型礦卡的火災(zāi)探測裝置采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)、定位信息、故障信息、視頻信息、車輛身份信息以及火災(zāi)信號報(bào)警信息處理整合后，利用APN(Access Point Name)專網(wǎng)無線傳輸技術(shù)實(shí)時傳至地面系統(tǒng)進(jìn)行分析處理[13]。當(dāng)無火災(zāi)發(fā)生時，地面系統(tǒng)對火災(zāi)防控設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測、智能運(yùn)維等信息進(jìn)行綜合應(yīng)用。當(dāng)?shù)孛嫦到y(tǒng)一旦接收到車載火災(zāi)探測信息及火災(zāi)報(bào)警信號后，迅速啟動車地?zé)o線通信裝置，包括視頻聯(lián)動、揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)，實(shí)時進(jìn)行遠(yuǎn)程火災(zāi)精準(zhǔn)一體化現(xiàn)場督導(dǎo)指揮控制。

系統(tǒng)主要包括位于車載端的火災(zāi)探測裝置、數(shù)據(jù)采集傳輸裝置、通信裝置和專用車載天線及配套線纜；位于地面監(jiān)測中心的車地?cái)?shù)據(jù)無線通信接入設(shè)備和智能手持終端模塊；車地?zé)o線傳輸方式采用專用APN物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字化礦山WLAN或5G無線局域網(wǎng)進(jìn)行火災(zāi)實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)、視頻文件及事件記錄文件的傳輸[13]。

系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)測與車地一體化控制組成

隨著智能化自動駕駛系統(tǒng)的發(fā)展，火災(zāi)防控系統(tǒng)還需要進(jìn)一步與礦車智能化自動駕駛系統(tǒng)進(jìn)行無縫融合。

5 結(jié)論

重型礦卡火災(zāi)造成的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡是礦山開采及運(yùn)輸工作的痛點(diǎn)，因此火災(zāi)防控極其重要。在機(jī)械化普及，電傳動設(shè)備大規(guī)模應(yīng)用的發(fā)展背景下，若不配備相應(yīng)的自動火災(zāi)防控設(shè)備，火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)將不會得到有效控制。

以火情智能感知和新型滅火劑等關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)的國產(chǎn)自主設(shè)計(jì)重型礦卡用火災(zāi)防控系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠使礦用自卸車等運(yùn)輸設(shè)備的重大火災(zāi)事故得到有效控制，保障安全生產(chǎn)。