煤礦井下用機(jī)械式隔爆裝置隔爆效果試驗(yàn)及結(jié)果分析

樊小濤

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

目前，煤炭依然是我國的主要能源，而瓦斯煤塵爆炸事故是煤炭開采過程中最容易發(fā)生群死群傷的重大事故之一，會(huì)嚴(yán)重破壞礦井設(shè)施，威脅礦工生命安全[1-4]。

我國是世界上瓦斯煤塵爆炸事故較為嚴(yán)重的國家之一，煤礦爆炸事故時(shí)有發(fā)生。為了減弱和隔絕瓦斯煤塵爆炸事故影響，我國從“六五”開始，不斷進(jìn)行隔抑爆技術(shù)的研究，并取得了一定成果，研制出被動(dòng)式隔爆水槽、隔爆水袋和自動(dòng)噴粉抑爆裝置等一系列隔抑爆裝備[5-6]。

一般而言，依靠火焰、壓力等傳感器對(duì)爆炸信息的超前探測(cè)，利用電信號(hào)控制抑爆器動(dòng)作，達(dá)到抑制爆炸形成及傳播的技術(shù)產(chǎn)品被稱為主動(dòng)抑爆裝置，一般由傳感器、控制器、抑爆器、電源等組成，其具有形成有效抑爆屏障快(一般為毫秒級(jí))、體積小、便于移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是日常運(yùn)行及維護(hù)成本較高，例如ZYBH型自動(dòng)噴粉抑爆裝置就是利用這種技術(shù)研發(fā)的一種裝備。而利用爆炸沖擊波直接觸發(fā)裝置動(dòng)作，從而達(dá)到隔絕爆炸傳播的技術(shù)產(chǎn)品被稱為被動(dòng)隔爆裝置，如隔爆水槽、隔爆水袋就是在爆炸沖擊波到來時(shí)通過對(duì)其自身的摧毀后噴出水霧，將爆炸火焰隔斷的一種技術(shù)裝備[7-9]，由于其價(jià)格低廉，也是我國目前應(yīng)用最為廣泛的隔抑爆產(chǎn)品。

機(jī)械式隔爆裝置也是利用爆炸自身沖擊波進(jìn)行被動(dòng)隔爆，以隔絕爆炸火焰的傳播，其采用純機(jī)械原理設(shè)計(jì)，無電氣元部件，日常運(yùn)行不產(chǎn)生能耗，維護(hù)成本較低。近些年該種技術(shù)裝置被廣泛使用，并在技術(shù)方面得到了多次升級(jí)改造，其如何正確使用及使用后的隔爆效果值得進(jìn)一步研究。

1 機(jī)械式隔爆裝置結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

機(jī)械式隔爆裝置是一種無源裝置，一般由沖擊波接收器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、高壓氣腔、儲(chǔ)粉機(jī)構(gòu)、吊掛裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)械式隔爆裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該裝置無需外接設(shè)備，無需供電，不受外界光、電磁、聲波等因素干擾，可獨(dú)立成為一個(gè)體系進(jìn)行運(yùn)作，經(jīng)安裝后無需人員值守，當(dāng)感知到爆炸沖擊波來臨時(shí)能夠自動(dòng)觸發(fā)動(dòng)作。經(jīng)過改裝，該裝置也可接入監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)隔爆過程進(jìn)行監(jiān)控。

1.2 工作原理

針對(duì)大型試驗(yàn)巷道內(nèi)瓦斯引起煤塵爆炸傳播規(guī)律的研究表明[10-13]，爆炸初期瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥趬毫鞑ニ俣?，但隨著爆炸的發(fā)展，瓦斯的爆炸將沉積煤塵充分揚(yáng)起，形成適合爆炸條件的粉塵云，使得煤塵參與到爆炸中，此時(shí)爆炸壓力沖擊波傳播速度大大增加，超越火焰的傳播速度。機(jī)械式隔爆裝置就是利用爆炸沖擊波先于火焰到來的原理進(jìn)行隔爆工作的，在與爆源一定距離處，爆炸壓力沖擊波陣面將超前于火焰?zhèn)鞑リ嚸娴竭_(dá)，將機(jī)械式隔爆裝置安裝于此，利用先期到達(dá)的沖擊波機(jī)械式自動(dòng)推動(dòng)開啟高壓氣腔，將儲(chǔ)粉機(jī)構(gòu)中的干粉噴出(一般采用超細(xì)干粉)[14-16]，將正好傳播到此位置的火焰陣面與后續(xù)火焰?zhèn)鞑ソ橘|(zhì)進(jìn)行隔離，使得爆炸火焰不再傳播，爆炸沖擊力減弱，達(dá)到隔爆的目的。機(jī)械式隔爆裝置工作原理如圖2所示。

圖2 機(jī)械式隔爆裝置工作原理示意圖

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司的大型地下爆炸試驗(yàn)巷道進(jìn)行，巷道斷面為半圓拱形，斷面積7.2 m2，全長896 m，其中可供爆炸試驗(yàn)的主巷長710 m，用鋼筋混凝土澆筑，在起爆室的端頭分別設(shè)置了雙重隔爆門，門關(guān)閉后巷道形成一端封閉、一端開放的狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)，爆炸從封閉端起爆后沿巷道向開口端傳播，這樣近似地模擬了煤礦井下掘進(jìn)工作面發(fā)生瓦斯煤塵爆炸的實(shí)際狀態(tài)。沿巷道內(nèi)兩側(cè)壁上對(duì)稱布置有測(cè)試用壁龕(測(cè)試盒)，壁龕之間用埋設(shè)在壁內(nèi)的鋼管連通，管內(nèi)鋪設(shè)測(cè)試信號(hào)電纜，壁龕蓋板上可安裝壓力、火焰等爆炸參量傳感器。巷道頂部和兩幫設(shè)置有煤塵架，用于試驗(yàn)時(shí)鋪設(shè)爆炸性煤塵。試驗(yàn)巷道還配套有點(diǎn)火系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、循環(huán)攪拌系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等。大型地下爆炸試驗(yàn)巷道如圖3所示。

(a)巷道斷面圖

(b)試驗(yàn)巷道布置示意圖

采用XC-G0110爆炸綜合測(cè)試系統(tǒng)對(duì)巷道側(cè)壁壓力和火焰信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，該系統(tǒng)采用PXIe硬件系統(tǒng)平臺(tái)完成，能夠支持瞬態(tài)電壓信號(hào)的高速采集和后續(xù)時(shí)域分析。由64路高速同步采樣通道、16路普通同步采樣通道、32路熱電偶輸入通道、各種爆炸參量檢測(cè)傳感裝置(如火焰、壓力、溫度等)等構(gòu)成的集測(cè)量、控制、分析、處理為一體的專門測(cè)量爆炸參量的綜合性測(cè)試系統(tǒng)，其每個(gè)通道每秒最高可采集60兆個(gè)采樣點(diǎn)，并可根據(jù)試驗(yàn)需要設(shè)置采樣長度、采樣頻率及采集模式等。爆炸綜合測(cè)試系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 爆炸綜合測(cè)試系統(tǒng)原理圖

試驗(yàn)采用CYG系列高頻動(dòng)態(tài)壓力變送器為壓力采集傳感器，在測(cè)試過程中通過數(shù)據(jù)線接入爆炸綜合測(cè)試系統(tǒng)。壓力采集傳感器適于在-50～120 ℃環(huán)境范圍內(nèi)，輸出信號(hào)范圍為三線制0～5 V，準(zhǔn)確度等級(jí)(包括線性、遲滯、重復(fù)性)為滿量程誤差0.5%。采用紫外火焰?zhèn)鞲衅?，其可探測(cè)5 m遠(yuǎn)1 cd火焰信號(hào)，所測(cè)波形為矩形波，火焰到達(dá)時(shí)間以所測(cè)波形上升沿時(shí)間為準(zhǔn)。

3 隔爆效果試驗(yàn)及結(jié)果

由于暫無機(jī)械式隔爆裝置相關(guān)國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗(yàn)方法和規(guī)模均參照MT 694—1997《煤礦用自動(dòng)隔爆裝置通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

采用50 m3瓦斯+煤塵與空氣的混合爆炸物，分別在未安裝隔爆裝置、安裝1套隔爆裝置(每套滅火粉量25 kg)和安裝2套隔爆裝置的情況下進(jìn)行爆炸試驗(yàn)，測(cè)試各種情況下爆炸壓力、火焰?zhèn)鞑サ陌l(fā)展?fàn)顩r和裝置隔爆效果。

根據(jù)對(duì)爆炸傳播規(guī)律的分析[17-21]，結(jié)合隔爆裝置的工作原理，將隔爆裝置安裝在距隔爆門60 m處的巷道頂部，噴口朝向與爆炸傳播方向一致。在距離爆源10、20、30、40、60、80、100、120 m處的巷道側(cè)面壁龕內(nèi)，分別安裝高頻動(dòng)態(tài)壓力變送器和紫外火焰?zhèn)鞲衅?，用于測(cè)試爆炸側(cè)面壓力值和火焰?zhèn)鞑サ竭_(dá)位置。測(cè)試傳感器實(shí)物安裝如圖5所示。

圖5 測(cè)試傳感器實(shí)物安裝圖

在主平巷中距離爆源7～80 m內(nèi)采用定量散布的方法將煤粉鋪設(shè)在巷道兩幫、地面及懸掛的煤塵架上。試驗(yàn)采用煤粉的粒度為0.074～0.100 mm，煤的揮發(fā)分為35%～40%，煤塵用量按照150 g/m3計(jì)算后布滿巷道空間[22]。

試驗(yàn)用爆炸氣體為瓦斯，其主要成分為甲烷，是一種無色無味但易爆炸的氣體。試驗(yàn)布置示意圖如圖6所示。

圖6 隔爆試驗(yàn)布置示意圖

圖6中陰影部分為起爆室，在距隔爆門7 m處采用厚度為0.25 mm的塑料薄膜將斷面進(jìn)行封閉，封閉空間體積為50 m3，內(nèi)部充入瓦斯與空氣的混合氣體；CH表示試驗(yàn)時(shí)壓力變送器或火焰?zhèn)鞲衅鞯陌惭b位置；機(jī)械式隔爆裝置以沖擊波接收器為起點(diǎn)，安裝在距隔爆門60 m處，裝置噴粉口朝向巷道出口方向，噴粉口距隔爆門約67 m。起爆點(diǎn)設(shè)置在距離隔爆門2.0 m遠(yuǎn)、距離地面1.9 m高處，采用3根8#工業(yè)電雷管用引火藥頭作為點(diǎn)火源引爆瓦斯氣體，引火藥頭通過導(dǎo)線引到安全地帶，采用電觸發(fā)。

3.2 試驗(yàn)過程

1)按照甲烷體積分?jǐn)?shù)9.0%計(jì)算所需瓦斯氣體量，并向起爆室充入適量瓦斯，開啟循環(huán)攪拌系統(tǒng)，充分?jǐn)噭蛲咚?、空氣混合氣體，多次測(cè)量起爆室內(nèi)甲烷濃度，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在8.5%～10.0%時(shí)，氣體配置結(jié)束。

2)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行安全檢查，在確定無誤后，撤離所有人員到安全地帶，然后啟動(dòng)點(diǎn)火裝置，在引爆瓦斯的同時(shí)啟動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)爆炸壓力、火焰數(shù)據(jù)采集和記錄。

3)檢查試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)巷道進(jìn)行清理，準(zhǔn)備下次試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)共進(jìn)行6次，其中未安裝隔爆裝置情況下瓦斯煤塵爆炸試驗(yàn)2次，安裝1套隔爆裝置情況下試驗(yàn)2次，安裝2套隔爆裝置情況下試驗(yàn)2次。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 瓦斯煤塵爆炸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)當(dāng)不安裝隔爆裝置時(shí)，爆炸正常傳播，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x超過距爆源點(diǎn)100 m，爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣染^大。

2)當(dāng)安裝1套隔爆裝置時(shí)，沖擊波峰值有一定減弱，但火焰陣面仍能穿透滅火粉區(qū)域，阻斷火焰?zhèn)鞑サ男Ч^差，主要原因是滅火粉劑量不足，噴出后干粉濃度不足以隔斷爆炸火焰陣面。

3)當(dāng)安裝2套隔爆裝置時(shí)，爆炸沖擊波和火焰的傳播得到較好的壓制，火焰陣面無法穿越滅火粉區(qū)域，火焰熄滅，隔爆裝置后部側(cè)面壓力峰值急速下降，主要原因是噴射出來的滅火粉劑量充足，噴出后干粉濃度達(dá)到了一定數(shù)值，將火焰與后續(xù)空間的可燃混合物進(jìn)行了有效隔離，阻斷了爆炸傳播，隔爆效果良好。

4 結(jié)論

1)試驗(yàn)研究表明，機(jī)械式隔爆裝置達(dá)到了預(yù)期隔爆效果。當(dāng)隔爆裝置噴粉口距巷道隔爆門約67 m，安裝2套隔爆裝置時(shí)，在距巷道隔爆門80 m處未探測(cè)到火焰信號(hào)，即火焰未超過隔爆裝置后13 m。產(chǎn)生這個(gè)偏移是因?yàn)闆_擊波傳播速度比火焰要快，對(duì)滅火粉有一個(gè)帶動(dòng)作用，使得噴射出的滅火粉被沖擊波往前帶走一定距離，即使滅火劑達(dá)到所需濃度，也并不能立刻將爆炸火焰完全抑制住，火焰在隔爆裝置后方還需傳播一定的距離，才能被完全撲滅。

2)隔爆裝置對(duì)爆炸沖擊波也有明顯的抑制作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)安裝2套隔爆裝置時(shí)，爆炸壓力峰值衰減達(dá)到73%，大大降低了爆炸的強(qiáng)度和破壞性。

3)通過本次對(duì)機(jī)械式隔爆裝置隔爆效果的試驗(yàn)分析，認(rèn)為安裝2套隔爆裝置能夠有效地隔絕50 m3瓦斯+煤塵爆炸的傳播，隔爆效果良好。研究成果也可為該類裝置在井下的正確安裝使用提供技術(shù)指導(dǎo)。