煤- 胶带摩擦生热致灾实验模拟研究

杨晓东

（华阳新材料科技集团有限公司，山西 阳泉 045000）

1 概 况

我国煤炭资源储量丰富，是煤炭生产和消费大国。近年来，国内许多生产矿井保持高强度开采，造成了安全隐患的增加。目前，采用井工方式生产的矿井绝大多数实现综合机械化开采，配套各种尺寸的带式输送机运输煤炭。带式输送机因其运输量大、结构简单、适应性强、运距较长等优点被广泛使用，但在带式输送机长时间运转过程中，易出现主辊筒打滑、胶带被卡住、托辊被卡住等现象，或者胶带上的遗留积煤被卡住之后与胶带摩擦生热，这类情况易造成胶带火灾，严重影响井下职工人身安全，制约煤矿的安全平稳发展。

基于此，根据华阳二矿井下带式输送机情况，以煤- 胶带摩擦生热致灾为基础建立物理模型，进行物理相似模拟实验，利用YRH700 红外热成像仪对煤- 胶带摩擦过程中的温度变化规律进行研究。

2 实验设备

此次物理相似模拟实验主要使用YRH700 本质安全红外热成像仪和等比例胶带输送机摩擦起火模拟器等设备，如图1、图2 所示。

图1 YRH700 红外热成像仪Fig.1 YRH700 infrared thermal imager

图2 等比例胶带输送机摩擦起火模拟器Fig.2 Equal proportion belt conveyor friction fire simulator

YRH700 红外测温仪利用红外探测器、光学成像物镜接收热源产生的红外辐射能量，将分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，在光学系统和红外探测器之间对物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过显示屏示红外热像图。此次物理相似模拟实验中，YRH700 红外测温仪采用非制冷焦平面红外探测器，将被测物体的红外热谱图像以高清晰度、高灵敏度的伪彩图像方式呈现，可多点测温，并可将图像、视频和语音存储在Micro SD 卡内，便于计算机进行深度分析和统计。YRH700 红外热成像仪的主要工作参数如下：

外形尺寸/mm 283×6103×160

质量/g 1 000

分辨率/℃ ≥0.1

测温模式 点/线/区域

测温范围/℃ 0～700

辐射率 0.01～1.0

等比例胶带输送机摩擦起火模拟器由驱动电机、2 个辊筒、支架和胶带组成。其中1 个辊筒与电机相连作为驱动辊筒，带动胶带运转，控制胶带的松紧，实现胶带松动与辊筒发生摩擦的实验，以及不同压力下的胶带与辊筒的摩擦实验；两辊筒之间的托辊可以转动也可以使其固定不动，当托辊固定不动时，可实现托辊与胶带之间的摩擦实验。

3 物理相似模拟及结果分析

3.1 实验过程

根据矿井实际情况和要求，选用华阳二矿二号井的瘦煤作煤样进行实验。将煤块与胶带摩擦生热的区域作为研究对象，YRH700 选择点测温、线测温和区域测温模式同步进行。具体操作步骤为：①通过卡件将煤块固定在非电机侧的胶带上方，保持煤块相切于胶带表面；②使用金属三脚架固定红外热成像仪，与胶带间距2 m，使镜头与实验区域始终保持水平，实验开始之前开机预热10 min；③调整参数设置为温度25 ℃，湿度60%，风速2.5 m/s；④实验过程实时成像与结果分析。

3.2 实验结果

实验共进行45 min，根据实验区域内温度场典型变化进行成像拍照，结果如图3 所示。

图3 煤与胶带摩擦热红外成像图Fig.3 Thermal infrared imaging of coal and tape friction

从图3 中可以看出，随着摩擦时间的增加，煤块和胶带的温度逐渐升高。由于煤块固定，而胶带不停地运转，在煤块和胶带接触的部位出现了一条“高温带”，且随着实验的进行，煤块周边的高温区域向外扩展，“高温带”的宽度也在不断拓宽。

实验过程中选择图中点01 图中和点02 位置进行点测温。点01 的位置为煤块上方15 cm 处，掌握煤与胶带摩擦温度最高点上方一定位置处的温度场变化情况；点02 的位置为煤块左侧30 cm 和后方30 cm 的交汇点处，掌握煤与胶带摩擦最高点平行位置处的温度场变化情况，获得煤与胶带摩擦实验过程中温度最高点周边的温度场变化规律。

对图中点测温模式下的点01 和点02 的温度变化进行分析，结果如图4 所示。同时对线测温模式下的最高温度变化和区域测温模式下的最高温度变化进行分析，结果如图5 所示。

图4 点测温模式下测点温度随时间的变化规律Fig.4 The change rule of measuring point temperature with time under the point temperature measurement mode

图5 线测温模式和区域测温模式下最高温度随时间的变化规律Fig.5 The variation of the maximum temperature with time under the line temperature measurement mode and the regional temperature measurement mode

从图4 中可以看到，采取点测温模式时，整个区域内观测01 点和02 点两个点位的温度变化。可以看到，两个点位的温度随着实验时间的变化趋势基本一致，呈现出总体上升、局部起伏的变化规律，01 点位的温度增加先快后慢，整个实验期间的最低温度为5.6 ℃，最高温度为12.7 ℃，平均温度为9.5 ℃；02 点位的温度增加亦为先快后慢，波动起伏的幅度较点位01 更甚，整个实验期间的最低温度为6.0 ℃，最高温度为13.8 ℃，平均温度为9.8 ℃。

从图5 中可以看到，采用线测温模式和采用区域测温模式时，线测温最高温度的变化趋势和区域测温中最高温度的变化趋势基本一致，均呈现出总体增加、局部起伏的变化规律。需要注意的是，该先测温模式中的“线”指的是在YRH700 红外热成像仪的镜头中的扫描范围内设置的测温线，而非在实验台上的胶带上刻画的固定的测温线。在线测温模式下，整个实验过程中，最高温度的阈值为[6.2℃,31.1 ℃]，最高温度的平均值为23 ℃；在区域测温模式下，整个实验过程中，最高温的阈值为[6.6 ℃，51.8 ℃]，最高温度的平均值为38.3 ℃。

根据图5 中对区域测温模式下的最高温度值进行非线性拟合，从图中可以看出，随着煤与胶带摩擦时间的增加，区域01 中最高温度值持续上升，且随着随时间的增加温度升高速率逐渐降低。橡胶皮带的燃点为350℃左右，若本实验持续进行下去，由拟合公式计算得出将在75.76 d 时胶带被点燃，造成胶带发火事故。但是，在井下实际生产过程中，被卡住的煤块往往体积较大，其与胶带摩擦时的接触面积更大，摩擦生热致灾的时间呈几何级降低，可以小时来计量。

4 结 语

综上所述，实验过程中系统温度场的高温随着胶带与煤摩擦时间的增长，高温由点到线再到面，热量从中心向四周扩散，形成温度梯度的变化。随着煤与胶带摩擦时间的增加，温度会持续上升。在本实验条件下，由于本次实验中所选用的煤块体积较小且实验时间有限，只能通过拟合式得出在本实验条件下的胶带发火时间，为75.76 d。但是，在井下实际生产过程中，被卡住的煤块往往体积较大，与胶带摩擦时的接触面积更大，发热量更大，摩擦致灾的时间将大大缩短。因此，关注井下煤与胶带摩擦生热致灾，采取针对性措施进行防范，才能降低胶带发火概率，保障井下安全生产。