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[ 矿山安全] 抑制煤矿瓦斯爆炸传播的新技术设想作者: 吴征艳蒋曙光程王兰云林柏泉来源: 工业安全与环境 200701 发布时间: 2008 煤矿瓦斯爆炸,包括其他气体或工业煤尘爆炸,通常具有爆源物质分布范围广、能量释放时间长等特点,一旦发生爆炸,往往由于现场工艺设备( 如矿车、防护支架等) 、坑道或管壁面等障碍物群作用而发生火焰加速的现象,火焰和压力波耦合作用, 导致灾害程度和作用范围增大。特别地, 在可燃气体爆炸传播管道具有较大长径比的情况下, 甚至可能发生爆燃向爆轰的转变。目前我国煤矿主要以井下开采为主, 现行的采煤工艺往往造成巷道和设备表面沉积大量的煤尘, 因此发生的瓦斯爆炸往往会沿着井下巷道、硐室或采掘工作面传播,引发多次连续爆炸,从而使爆炸事故迅速殃及邻近工作面、整个采区, 甚至是全矿井。煤矿中长期以来使用的抑爆隔爆技术存在这样或那样的不足,已不能满足形势发展的需要,因此,如何及时、有效、可靠地将瓦斯爆炸传播灾害控制在局部范围, 减弱或降低爆炸灾害带来的损失, 探索新型阻火抑爆材料和结构, 已成为煤矿安全生产中迫切需要解决的问题。目前石油化工工业中广泛应用的几种阻火结构如金属网型、波纹型等,因其对火焰有淬熄作用, 对压力波有抑制作用而逐渐被人们所重视, 这些阻火结构不仅能淬熄以亚音速传播的爆燃火焰, 还能淬熄以超音速运动的爆轰火焰, 并能承受爆轰波所产生的巨大压力。受此启发, 本文提出将阻火器结构和材料用于煤炭工业, 降低瓦斯爆炸传播过程中火焰和压力的破坏程度的设想,为煤矿阻隔爆技术开拓出新的领域。 1 矿用阻隔爆装置失效分析作为我国煤矿控制或减弱瓦斯爆炸的主要手段之一,碾爆抑爆技术的主要目的是把已经发生的爆炸控制在一定范围内并扑灭,防止瓦斯/ 煤尘爆炸沿巷道传播到气体工作面、采区,甚至整个矿井。目前国内外抑制爆炸的原理有:降温、惰性化、中止反应、阻隔、淬熄等;采用的手段如:高压水幕、岩粉棚、水袋、干粉灭火剂、隔火栅淬熄等。“六五”以来, 我国开发研制成功了系列煤矿隔爆抑爆装置,并在煤矿和其他工业爆炸防治中得到了广泛的运用。根据抑爆方式的不同, 抑爆技术可分为被动式抑爆和自动式抑爆两大类。发生爆炸的初期,爆炸火焰锋面超前于爆炸压力波向前传播,随着爆炸反应的继续和加强, 压力波逐渐赶上并超前于火焰锋面传播, 两者之间有一时问差。被动式隔爆技术就是基于这一规律, 利用爆炸激波自身的能量作用于预先设置在爆炸传播通道中的抑爆剂, 形成一定区段的抑爆带, 扑灭随后到达的传播火焰, 同时耗散激渡能量, 防止形成过高压力, 达到抑爆的目的。如隔爆水槽、水袋和岩粉棚等,都属于被动隔爆装置,大量事故分析表明它们在使用中不能有效地发挥作用。比如,水棚的水分易蒸发、缺失,需要经常冲水、换水,增加工人的工作量和劳动强度, 尤其是在风量大、气温高的采区, 水中易混入矿尘, 造成灭火水雾因水量不足而不能有效隔断爆炸火焰的传播。回采巷道中的水袋棚, 按设计规定应该采用易脱钩吊挂的方式,但实际应用中的水袋棚却多用铁丝拴吊于棚梁上,使得这一被动形式的隔爆设施在动作时雾化愈加不充分,大大降低隔爆效果。另外, 如果阻隔爆装置的动作压力过低, 即灵敏度过高, 则火焰前面较远处前驱压力波的较低冲击压力会使阻隔爆装置开始动作, 在火焰到达前就释放出了抑制剂, 这样在火焰到达阻隔爆装置位置时, 由于抑制剂已被提前释放出来, 且因重力作用大部分已沉落到巷道的底板上, 只剩下悬浮在空间中浓度较低的抑制剂。虽然含有抑制剂的瓦斯气体可能超出了爆炸极限, 但由于爆炸火焰具有较高的内聚力和较好的整体性, 火焰仍可能在巨大的爆炸产物压力的推动下, 穿过该区域并引爆前面的瓦斯气体而继续向前传播, 阻隔爆装置起不到应起的作用。如果阻隔爆装置的动作压力高于前驱压力波的压力, 或阻隔爆装置的动作延迟时间超过了火焰到达装置所需的时间, 其释放的抑制剂就会降落在火焰区后部, 甚至落在火焰区之后, 则未受到抑制剂影响的火焰前部就会继续向前传播,阻隔爆装置也起不到阻隔爆的作用。自动式抑爆技术是通过传感器等敏感元件及时探测爆炸信号( 如爆炸压力和爆炸火焰等) ,并通过控制单元快速触发抑爆剂喷洒装置动作,以高压引射或爆炸抛洒等方式喷洒抑爆剂,扑灭火焰和衰减爆炸激波,完成抑爆。图1 所示为一典型的用抑爆剂抑制爆炸波的原理。一旦容器内可燃气体燃烧爆炸, 在爆炸初期传感器即可发现爆炸信号, 并迅速打开抑制剂系统向容器内喷洒抑制剂, 同时命令位于气体进口和出口位置的隔爆装置动作, 将容器内燃烧火源与所有相连管线隔离,扑灭火焰,控制爆炸的发生。图1 抑制剂抑制爆破波原理适用于自动隔爆装置的抑制剂主要有液体抑制剂、水加卤代烷、粉末无机盐类抑制剂和卤代烷。卤代烷有二氟一氯一溴甲烷, 虽然灭火效果好, 但