煤矿井下自动隔爆装置工作原理与应用

刘 玺

(陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 727307)

0 引言

瓦斯爆炸与煤尘爆炸作为矿井的重大灾害事故，一旦发生将会给煤矿企业带来巨大的灾难，造成严重的经济损失[1-2]。煤矿隔爆技术是预防瓦斯、煤尘爆炸的三道防线之一，也是最后一道防线，因此，通过设置井下自动隔爆装置成为有效抑制煤尘瓦斯爆炸，降低爆炸灾害损失的重要途径[3]。

传统的隔爆装置存在隔爆效果差，失效情形多，装置维护工作量大以及安装移动困难等问题[4-6]。自动隔爆装置采用新型灭火介质代替传统的水、岩粉等，隔爆的稳定性得到增强；同时配置冲击波接收板，以冲击波作为自动隔爆装置的高速启动信号，达到超前隔爆效果；此外，煤矿自动隔爆装置以纯机械设计，摒弃电器类元件，在降低人工维护成本、增强装置安装灵活性的同时，提升了自动隔爆装置自身的安全性。

1 隔爆技术研究和应用现状

1.1 国外研究现状

国外对自动隔爆技术研究较为成熟的国家有俄罗斯、德国、英国、南非等国家。其中南非研制生产的用于瓦斯抑爆的HS型抑爆系统[7]技术含量高，以其主动检测、高速启动、自动灭火的特性来抑制瓦斯和煤尘爆炸的扩散，比同类型产品反应更加迅速灵敏、喷发更加有效可靠、延迟时间也进一步降低。但是，该产品仍然没有解决带电带传感器产品在井下使用的诸多弊端，由于这类装置均带有电气部件或传感器多，在井下潮湿环境条件下易于损坏，安全隐患大，维护难度大，安装位置受限，而且造价高，结构、安装调试更复杂、加工精度要求更高、技术更难掌握。此外，由于电气零部件还可能产生新的安全隐患，因此在煤矿井下应用具有一定的局限性。

1.2 国内隔爆技术

研究现状：我国在煤矿隔爆技术的研究方面虽然已经取得重要进展，但总体而言，我国煤矿隔爆技术与世界先进水平相比依然相对滞后。国内使用的隔爆水袋，隔爆水槽等产品虽具有结构简单、价格低廉的优势，但隔爆效果不稳定，隔爆失效情形多，受爆炸条件和外在因素影响严重，并且此类装置需要日常维护、加水除尘、移动频繁，从而增加了井下施工人员工作量[8]。随着煤矿机械技术的发展，我国对自动隔爆装置进行了更深入的研究。季晓华[9]等人针对隔爆装置中配气速度慢、体积大等问题设计了应用于隔爆实验装置中的新型自动配气系统，实现了高精度配置多种气体；蒋曙光[10]利用真空吸气原理设计真空腔体结构，有效熄灭了瓦斯爆炸火焰，抑制了瓦斯爆炸波；赵益[11]等人针对自动隔爆技术的局限性，设计气体反冲式固体隔爆装置，对井下爆炸后的二次爆炸或多次爆炸发挥隔爆作用；喻健良[12]通过研究多层丝网结构对爆炸气体的抑制作用，发现丝网的层数，丝网数量越多，丝径越大，开口与体积空间率越小，对爆炸的抑制性能越好。

应用现状：目前我国煤矿使用的隔爆装置为被动式的居多，该类型隔爆装置在爆炸发生时，通过接受爆炸冲击作为动力，使自身遭受破坏从而触发装置动作，释放装置内的灭火介质，以达到抑制爆炸的效果。但是被动隔爆装置作为一次性的隔爆装置，无重复使用性，对于煤尘瓦斯爆炸衍生的二次爆炸不具备隔爆功能[13]，无法为安全生产提供强有力保障。因此，自动隔爆装置在煤矿的应用成为保证煤矿与人员安全的不可或缺的技术。

2 自动隔爆装置

2.1 结构及工作原理

装置结构：自动隔爆装置由主体、锚固件、推杆、悬挂装置、冲击波接收装置(接收板)、矿井条件下专用紧固结构等部分组成。同时在装置主体内部可存放35 kg的灭火粉。自动隔爆装置的结构如图1所示。

1-巷道顶板；2-灭火介质云雾；3-主体；4-锚固件；5-推杆；6-悬挂装置；7-冲击波接收装置(接收板)；8-矿井条件下专用紧固结构；9-冲击波锋面；10-爆炸火焰锋面

工作原理：当煤矿井下发生瓦斯或煤尘爆炸时，由于爆炸形成的充气波的传播速度大于爆炸火焰的传播速度，爆炸冲击波最先抵达自动隔爆装置的接收板，接收板接收冲击波信号后带动推杆后移动，触动主体内部的锁紧装置，从而触发装置动作。在25 ms内，使储存在主体内的灭火介质迅速喷出，形成有效长度在30 m以上，浓度超过110 g/m3的灭火介质云雾团。该云雾团可在巷道空气中稳定悬浮370 s以上，在爆炸火焰到达之前形成稳定的隔爆屏障，从而抑制爆炸火焰的进一步扩散。

2.2 灭火原理

煤矿自动隔爆装置采用超细干粉作为灭火剂是由于该类灭火剂粒径小，流动性较强，同时具有良好的抗复燃性、弥散性和电绝缘性，并且当超细干粉灭火剂遇到爆炸火焰时，可利用物理、化学双重灭火机对火焰进行阻隔、熄灭。超细干粉灭火剂爆炸火焰到达之前形成隔断保护屏障，实现了被保护物与空气的隔绝，阻断再次燃烧所需的氧气，以物理方式防止复燃；另外，超细干粉灭火剂通过与燃烧物火焰接触，产生化学反应，能迅速夺取燃烧自由基与热量，从而切断燃烧链，实现对火焰的扑灭；同时超细干粉灭火剂与火焰反应会产生大量的玻璃状物质吸附在被保护物表面形成一层隔离层，从而隔离氧气，避免火焰复燃[14-16]。

2.3 自动隔爆装置优势分析

自动隔爆装置相对于传统的隔爆水袋等装置，在隔爆的稳定性、灭火性能等多方面展现出了巨大的优势，在节能降耗的同时，为煤矿的井下安全提供了更为稳固的保障。

隔爆性能稳定可靠：自动隔爆装置打破了与爆炸源距离的限制，充分利用冲击波传播速度与火焰传播的速度差进行超前探测，可在毫秒级的时间内迅速启动隔爆装置，有效弥补了传统的隔爆水袋因冲击波和火焰传播存在时间差而造成的失效问题。同时，自动隔爆装置基于自身结构强度优势，在接受首次爆炸冲击后，依旧可以正常运转，对于二次或多次爆炸进行不间断的抑制与阻隔，使自动隔爆装置自身的性能得以提升。

隔爆效果明显：自动隔爆装置可使用90%的粒径小于20 μm的超细干粉代替传统的水、岩粉等作为灭火介质，在增强喷射的有效范围的同时，持续飘散充满整个空间，并且随着冲力继续扩散增大灭火范围，并持续阻隔，避免了保护盲区出现；超细干粉与爆炸火焰进行物理、化学双重混合反应对火焰进行熄灭，切断火焰的传播途径，从而降低爆炸损失。

装置维护工作量小：自动隔爆装置以纯机械结构设计，不配备任何电气元件，且检修周期较长，避免日常人工维护，大幅节约了人力、物力、财力。

装置安装移动灵活：自动隔爆装置采用锚杆直接吊挂，并可安装于架线电机车和单轨电机车巷道或一般巷道，也可安装于倾角大于18°的倾斜巷道、不规则巷道、小段面巷道等，突破了传统隔爆装置安装条件限制，优化了隔爆装置配备的灵活性，对于传统的隔爆装置难覆盖区域提供了有力的安全保障。

适用爆炸强度范围广：相对于只适用于弱爆范围的传统隔爆装置，自动隔爆装置的适用爆炸强度得到提高，即可用于弱爆至强爆全范围，进而消除了因爆炸强度不同而引起的传统隔爆装置的失效问题，有效确保了巷道工作人员的人身安全。

3 自动隔爆装置的应用

3.1 分类安装

自动隔爆装置的安装符合《煤矿安全规程》相关规定、安装标准及要求，对于不同长度的掘进巷道，自动隔爆装置的安装方式与配置数量都有不同的要求与规定。

掘进巷道长度L小于30 m 时：需在与掘进巷道联通的主巷道两侧，且距离掘进巷道60～75 m处，各自设置一个自动隔爆装置，如图2所示。

图2 L<30 m时自动隔爆装置的安装

30 m≤L≤120 m时：在距离掘进巷道两侧60～75 m处主巷道处各自放置一个自动隔爆装置的同时，需在掘进巷道内且距离掘进工作面30～60 m处放置一个自动隔爆装置，如图3所示。

图3 30 m≤L≤120 m时自动隔爆装置的安装

120 m≤L≤360 m时：在掘进巷道内且距离掘进工作面30～60 m处放置一个自动隔爆装置，并在距离该隔爆装置60～240 m处放置另一个自动隔爆装置，如图4所示。

图4 120 m≤L≤360 m时自动隔爆装置的安装

L≥600 m时：在掘进巷道内切距离掘进工作面30～60 m处放置一个自动隔爆装置的同时，以间距为240 m，在掘进巷道内放置另外2个自动隔爆装置，如图5所示。

图5 L≥600 m时自动隔爆装置的安装

3.2 实际应用

自动隔爆装置依据国家《煤矿安全规程》安装标准及要求在陕西黄陵二号煤矿采、掘进工作面进行安装应用。该类自动隔爆装置有效覆盖了黄陵二号煤矿的大面积区域，经测试，该类自动隔爆装置接受冲击波后可迅速启动，正常运转，喷射长距离、持续的超细干粉抑爆介质，为该区域的隔爆提供了强有力的安全保障，确保了井下工作人员的人身安全，促进了黄陵二号煤矿安全生产工作的稳定进行。

4 结语

煤矿自动隔爆装置利用爆炸冲击波与火焰传播的速度差，实现了超前隔爆，提高隔爆装置的稳定性；煤矿自动隔爆装置在25 ms内启动装置，通过喷射长度在30 m以上，浓度超过110 g/m3，悬浮时间在370 s以上的灭火介质，有效抑制爆炸火焰的传播，保证了煤矿工作人员的安全；煤矿自动隔爆装置以纯机械结构打造，具有维护工作量小、安装灵活等特点，并且适用于井下任何条件，对煤矿开展“机械化换人、自动化减人”起到了积极的推动作用。