ZGJFH型自動(dòng)隔爆裝置在煤礦井下的應(yīng)用

雷 武 ， 程文軍 ， 牛佳斌 ， 李鵬程 ， 劉曉雷

（山西新思備科技股份有限公司，山西 晉中 030600）

0 緒論

煤炭是我國(guó)基礎(chǔ)能源和重要原料，煤炭工業(yè)是關(guān)系國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈和能源安全的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。煤炭占我國(guó)化石能源儲(chǔ)量的90%以上，是穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、自主保障程度最高的能源[1]。但在煤礦生產(chǎn)過程中，瓦斯、煤塵爆炸都是威脅生命財(cái)產(chǎn)安全的巨大隱患。抑制爆炸、防止事故災(zāi)害范圍的擴(kuò)大，一直以來(lái)是我國(guó)乃至世界所有國(guó)家的重大研究課題。生產(chǎn)過程中瓦斯、煤塵爆炸等因素的隔爆措施是安全生產(chǎn)的必要保障[2]。

設(shè)置巖粉棚或隔爆水袋是我國(guó)目前主要在使用的隔爆技術(shù)措施。巖粉棚或隔爆水袋時(shí)常需要人工檢查設(shè)備的安全性除塵操作來(lái)確保設(shè)備的可用性，其抑爆效果不明顯[3]。為了改善傳統(tǒng)的設(shè)備使用效果，筆者研制了一款ZGJFH型自動(dòng)隔爆裝置，該裝置相關(guān)設(shè)備與器材均符合國(guó)家以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)組成

ZGJFH型自動(dòng)隔爆裝置利用壓力測(cè)試儀的推力探測(cè)探頭推動(dòng)觸發(fā)機(jī)構(gòu)，高壓氣槍噴射出高效的干粉滅火劑并形成爆炸阻斷煙霧，將爆炸源火焰撲滅，避免火焰繼續(xù)蔓延引發(fā)危害更大的二次爆炸，將瓦斯爆炸造成的危害降到最低[4]。隔爆裝置可以實(shí)現(xiàn)壓力檢測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，可以通過平板電腦實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)。其工作過程如圖1所示。

圖1 工作過程原理圖

1.1 壓力測(cè)試儀

傳感器作為獲取外部狀態(tài)信號(hào)的重要部分，用于數(shù)據(jù)信息的采集，然后將采集的信息經(jīng)過簡(jiǎn)單處理后傳送給控制器模塊。本裝置使用了徐州東方測(cè)控儀器有限公司生產(chǎn)的GPD20W型壓力測(cè)試儀，該傳感器可以將ZGJFH型自動(dòng)隔爆裝置儲(chǔ)氣腔內(nèi)空氣的壓力情況轉(zhuǎn)化為可以傳輸?shù)碾娦盘?hào)并傳遞給下一級(jí)設(shè)備。該傳感器的壓力測(cè)量范圍為0~20 MPa，傳感器有效傳輸距離為500 m。

1.2 無(wú)線模塊

該裝置采用了CC2340無(wú)線傳輸模塊，Chipcon公司生產(chǎn)的符合ZigBee技術(shù)的2.4 GHz射頻芯片CC2430，它是系統(tǒng)級(jí)ZigBee芯片，在架構(gòu)中，整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。該芯片可以提供8 路 8~14 bit輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，1個(gè)802.15.4媒體存取控制（MAC）定時(shí)器，一個(gè)通用16 bit和2個(gè)8 bit定時(shí)器，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能。它自身有一個(gè)高性能2.4 GHz DSSS射頻收發(fā)器和工業(yè)級(jí)的8051單片機(jī)控制器，所以該芯片在很少的外圍部件配合下就能順利實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能。CC2430可以提高系統(tǒng)性能，并滿足以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段的應(yīng)用，同時(shí)符合低成本、低功耗的要求。

1.3 礦用平板電腦

本裝置采用了徐州東方測(cè)控儀器有限公司生產(chǎn)的礦用平板電腦，該電腦通過安標(biāo)國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心的礦用安全檢測(cè)，可以滿足井下壓力的觀測(cè)需求。

1.4 通信

在現(xiàn)代煤礦的井下，無(wú)線傳輸信號(hào)較為先進(jìn)，傳統(tǒng)的有線通信方式線路繁雜，鋪設(shè)線路繁雜，在鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)候速度很慢，尤其是在使用初期易于形成安全上的盲點(diǎn)。但是對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)采用的是無(wú)線通信方式，在系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，具有的抗干擾性強(qiáng)，且鋪設(shè)布線簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度低[5]。

信息通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸?shù)竭_(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)后，匯聚節(jié)點(diǎn)要將信息進(jìn)行系統(tǒng)的處理，然后傳送到地面監(jiān)控系統(tǒng)部分，這部分通信方式采用有線傳輸方式。匯聚節(jié)點(diǎn)與主控制系統(tǒng)部分之間的傳輸距離不會(huì)太遠(yuǎn)，而且考慮到主控部分的通信接口的方式一般會(huì)有基于Modbus協(xié)議的RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)，這種接口的主要特點(diǎn)是多點(diǎn)和雙向通信功能，并且多個(gè)發(fā)送器可以利用在同一條總線發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣大大增加了通信功能，同時(shí)也擴(kuò)展了總線共模范圍，傳輸距離達(dá)到500 m，是一種一主多從的異步通信總線。同時(shí)考慮到節(jié)點(diǎn)控制器模塊的片上編程，因此這里采用基于RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議[6]。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 ZGJFH型自動(dòng)隔爆裝置結(jié)構(gòu)及原理

ZGJFH型自動(dòng)隔爆裝置主要由接收盤、開啟機(jī)構(gòu)、壓力表、儲(chǔ)粉倉(cāng)、滅火劑等組成，如圖2所示。

圖2 ZGJFH型自動(dòng)隔爆裝置組成圖

接收盤能感應(yīng)到巷道60 m處發(fā)生爆炸時(shí)的沖擊波，當(dāng)接收盤接收到爆炸沖擊波信號(hào)，就會(huì)水平推動(dòng)移動(dòng)導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)，迅速觸發(fā)啟動(dòng)機(jī)構(gòu)（開啟機(jī)構(gòu)開啟力≥（17±0.5）kPa/cm2）。通過高壓噴射從而快速釋放儲(chǔ)粉倉(cāng)內(nèi)的滅火劑，在巷道前方形成有效長(zhǎng)度30 m以上、濃度超過110 g/m3的滅火介質(zhì)云霧團(tuán)，該云霧團(tuán)可在巷道空氣中穩(wěn)定懸浮370 s以上來(lái)熄滅火焰，抑制爆炸火焰繼續(xù)傳播[7]。

2.2 開啟機(jī)構(gòu)工作原理

開啟機(jī)構(gòu)是ZGJFH30型自動(dòng)隔爆裝置的關(guān)鍵性部件，其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 開啟機(jī)構(gòu)組成圖

在安裝就位后，首先去除防開啟環(huán)5，當(dāng)接收盤接收到?jīng)_擊波信號(hào)時(shí)推動(dòng)導(dǎo)向桿1聯(lián)動(dòng)開啟腔體2，來(lái)釋放鋼球4，活塞3在壓縮氣體的推動(dòng)下后移，高壓氣體釋放口6打開，高壓氣腔內(nèi)的壓縮氣體噴射而出，在壓力的作用下干粉滅火介質(zhì)10迅速噴出，形成一定距離的滅火介質(zhì)屏障，抑制爆炸火焰的傳播并撲滅火。

2.3 結(jié)構(gòu)安裝

ZGJFH30型自動(dòng)隔爆裝置安裝位置選擇井下等可能發(fā)生瓦斯、煤塵爆炸的地點(diǎn)。在煤礦井下安裝時(shí)，隔爆裝置與爆炸源的距離應(yīng)小于或等于60 m，將安裝附件安裝在防護(hù)區(qū)頂板上，并且利用錨桿固定，然后將隔爆裝置固定在安裝附件上，要確保隔爆裝置安裝牢靠；接收沖擊波的裝置應(yīng)當(dāng)面向爆炸源的方向并確保隔爆裝置的噴射角度水平對(duì)準(zhǔn)爆炸火焰?zhèn)鞑シ较?，具體安裝方式如圖4所示。

圖4 煤礦井下安裝方法

3 模擬試驗(yàn)

依據(jù)中華人民共和國(guó)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》、GB/T 2423.10—2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Fc：振動(dòng)（正弦）》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了ZGJFH30型自動(dòng)隔爆裝置的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)合格標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、貯存和質(zhì)量保證[8]。

3.1 環(huán)境條件

溫度：15 ℃~35 ℃。相對(duì)濕度：45%~95%。大氣壓力：80 kPa~106 kPa。

3.2 試驗(yàn)與檢測(cè)設(shè)備

1）壓力測(cè)試儀：98 kPa、非線性±0.5%、遲滯0.5%；

2）溫濕度計(jì)：溫度測(cè)量范圍-30 ℃~200 ℃，精度±1 ℃；濕度0~98% Rh，精度±2% Rh；

3）氣壓表：測(cè)量范圍15 MPa，壓力表的精度不低于1.5級(jí)，其量程應(yīng)隨被測(cè)壓力的量值而變，測(cè)量值應(yīng)在其量程的后三分之一范圍；

4）空氣壓縮機(jī)：量程范圍0~35 MPa；

5）高速攝影裝置：拍攝速度不小于1 000幅/秒。

3.3 測(cè)試試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)步驟

根據(jù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)ZGJFH30型、ZGJFH55型兩種型號(hào)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。添加30 kg±0.5 kg消焰劑，充壓至12 MPa±0.5 MPa，將裝有消焰劑的隔爆裝置安裝固定在試驗(yàn)支架上，裝置處于正常工作狀態(tài)，用模擬沖擊波壓力信號(hào)觸發(fā)，使隔爆裝置動(dòng)作[9]；

用高速攝像機(jī)攝錄隔爆裝置噴灑過程（不小于500幅/秒拍攝），試驗(yàn)用臺(tái)秤稱量隔爆裝置中剩余的消焰劑。

3.3.2 結(jié)果處理

1）記錄裝置壓力值及剩余干粉質(zhì)量；

2）根據(jù)高速攝像機(jī)攝錄的膠片計(jì)算噴灑響應(yīng)時(shí)間、成霧時(shí)間和霧面持續(xù)時(shí)間；

3）噴灑效率通過下式計(jì)算：

式中：η為噴灑效率，%；m0為噴灑器充裝消焰劑質(zhì)量，kg；m1為噴灑器剩余消焰劑質(zhì)量，kg。

3.3.3 試驗(yàn)結(jié)果

由表1可以看出，兩種型號(hào)裝置的產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)：適用巷道斷面、隔爆介質(zhì)重量、啟動(dòng)時(shí)間、成霧時(shí)間、隔爆介質(zhì)懸浮時(shí)間等都符合行標(biāo)MT 694—1997、國(guó)標(biāo)GB/T 2423.10—2008等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

表1 產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)

4 裝置性能

1）此裝置采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從裝置受到爆炸沖擊波推動(dòng)滑桿觸發(fā)啟動(dòng)器到噴出抑爆介質(zhì)等一系列動(dòng)作均為純粹的機(jī)械動(dòng)作，不包含任何電子元器件，可以有效地避免裝置因電磁等影響而老化。

2）通過高壓氣體噴出高效的滅火消焰劑可以有效地阻止瓦斯氣體二次爆炸風(fēng)險(xiǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的巖粉棚或隔爆水袋效能低、范圍小的缺點(diǎn)。

3）比傳統(tǒng)的巖粉棚或隔爆水袋響應(yīng)時(shí)間大大縮短，可以快速阻止火焰的蔓延，達(dá)到高效的滅火效果。

4）優(yōu)化了裝置結(jié)構(gòu)，更換周期長(zhǎng)，整機(jī)無(wú)需工作人員日常檢修，節(jié)約了日常維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間和費(fèi)用。

5）可以通過平板電腦實(shí)時(shí)觀測(cè)井下壓力變化情況，可以有效地提供預(yù)警監(jiān)測(cè)機(jī)制，順應(yīng)現(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)需求。

6）煤礦井下自動(dòng)隔爆裝置的成功研制，是我國(guó)煤礦隔爆技術(shù)的突破，可能成為我國(guó)煤礦隔爆裝備更新?lián)Q代產(chǎn)品，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)改善我國(guó)煤礦的安全面貌必將起到積極的推動(dòng)作用，其社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和安全效益十分顯著[10]。

5 結(jié)語(yǔ)

該裝置各項(xiàng)性能參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，其阻隔爆技術(shù)也達(dá)到了先進(jìn)水平。裝置簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、優(yōu)秀的隔爆性能適合煤礦井下使用，較大程度地降低了設(shè)備投入費(fèi)用和日常維護(hù)費(fèi)用，節(jié)省了人工，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)于保障井下安全生產(chǎn)起到了很好的保護(hù)作用，具有很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣應(yīng)用。