HS煤矿用主动抑爆防火技术的试验研究＊

马 骊 Louis 李素丽 邬剑明 白云龙 王俊峰

(1.晋城泽泰安全评价中心,山西省晋城市,048000;2.山西兰花汉斯瓦斯抑爆设备有限公司,山西省晋城市,048000;3.太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024)

HS煤矿用主动抑爆防火技术的试验研究＊

马 骊1,2Louis2李素丽2邬剑明3白云龙3王俊峰3

(1.晋城泽泰安全评价中心,山西省晋城市,048000;2.山西兰花汉斯瓦斯抑爆设备有限公司,山西省晋城市,048000;3.太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024)

通过对HS主动抑爆防火系统的主动抑爆响应时间、喷粉抑爆时间及管道爆炸模拟试验研究,表明该系统在爆炸时的火焰锋面还处在正常燃烧速度范围内,能及时喷出抑爆介质(氮气和磷酸铵盐),扑灭火焰,抑制灾害扩大,系统反应速度快,具有较好抑爆效果。

煤矿防灭火 HS主动抑爆技术 瓦斯爆炸

煤矿井下瓦斯、煤尘爆炸主要是连续爆炸形式,极大的增加了事故的灾难性和剧烈程度。为了减轻灾害程度,我国《煤矿安全规程》规定,在高瓦斯矿井、有煤尘爆炸危险煤层的矿井中,井下相关地点安设隔绝、抑制爆炸的设施。

目前,我国较多的煤矿采取隔(抑)爆技术措施,主要是在巷道设置水棚、岩粉棚等设施,其作用原理是借助于已形成的爆炸冲击波或爆风的冲击力,使隔爆设施动作(倾倒或击碎),将消焰剂(岩粉、水等)弥撒于巷道空间,阻隔爆炸火焰的传播,实现隔绝瓦斯、煤尘连续爆炸的目的。但这种系统是被动的抑爆防火系统。主动式的瓦斯、煤尘抑爆系统一直以来都是国内外重点研究技术南非HS主动抑爆防火系统首次将传统的煤矿被动隔爆转变为主动抑爆,在南非等国家的部分煤矿进行了推广使用,起到了一定的抑爆效果。

1 HS主动抑爆防火技术

HS主动抑爆防火系统是由南非汉默斯·斯帕思(HelmuthSpath简称:HS)研发的一种主动抑爆防火系统。它的原理为:当煤矿某个地点发生瓦斯(煤尘)爆炸(燃烧)时,主动抑爆防火系统能在最短时间内,通过设备上的火焰传感器探测到矿井中的瓦斯(煤尘)爆炸(燃烧),并将信号转变为数据进行内部传输;控制盒校验输入数据后自动发出指令启动高压容器,将高压容器中的抑爆物质在极短时间内释放,形成物理屏障,扑灭火焰,减少受灾范围,降低有害气体的产生,保障煤矿井下工作人员的人身安全和煤矿财产安全。主动抑爆防火系统原理及构造见图1和图2。

2 HS主动抑爆防火系统试验

为了深入研究瓦斯、煤尘爆炸过程中火焰传播速度,证实HS矿井主动抑爆防火系统的抑爆防火作用,2009年9月,山西兰花汉斯瓦斯抑爆设备有限公司在南非科劳珀斯堡斯(Kloppersbos)爆炸研究中心试验场地,多次进行ø2.5m管道瓦斯、煤尘爆炸及抑爆试验。

2.1 抑爆设备响应时间试验

抑爆设备响应时间为从火焰传感器发现火源信号起到控制盒发出指令启动高压容器之间的时间。测定抑爆设备响应时间的试验方法如图3所示,使用示波器分别接收火焰传感器发现火源信号、控制盒发出指令启动高压容器信号,示波器可以将电信号变换、并在屏面上描绘出被测信号的瞬时值变化曲线,计算出两种信号的时间间隔。利用示波器观察出信号幅度随时间变化的波形曲线见图4。

由图4可知,第1条曲线为火焰传感器信号曲线,在x1处发现火源信号;第2条曲线为控制盒发出指令信号曲线,在x2处接收到指令信号。当接收信号发生变化时,两条波形均发生较明显的变化。通过比较,从火焰传感器发现火源信号,到控制盒发出指令启动高压容器信号的响应时间为|x1-x2|=975.6μs(<1ms)。

2.2 抑爆设备喷粉抑爆时间试验

用木板搭建成一端封闭、一端开口,高2.5 m,宽2.5m,长5.0m的模拟巷道空间。空间后部某个断面放置抑爆设备,并使排放喷嘴处于该断面的中央。抑爆设备前点燃瓦斯,起动抑爆设备进行喷粉试验,并用高速摄影仪(每秒可拍摄画面1000～1500桢)进行拍摄。拍摄后,通过慢镜头回放,计算出从装置喷粉至达到各种面积断面物理屏障的具体时间。图5为喷粉试验中毫秒级别捕捉的试验画面。

试验后,通过对拍摄影像回放,从起动喷粉、达到直径2.5m圆形断面和达到2.5m矩形断面的物理屏障具体时间见表1。

图5 喷粉试验图

从设备起动开始喷粉;到形成直径2.5m圆形断面的物理屏障为134ms;形成2.5m矩形断面的物理屏障为192ms。通过计算,设备横向喷粉速度在15～20m/s之间。

表1 喷粉时间试验数据表ms

2.3 管道爆炸模拟试验

2.3.1 管道爆炸试验装置

利用南非科劳珀斯堡斯(Kloppersbos)试验场地的瓦斯、煤尘爆炸试验管道,该管道为钢制,长200m,直径2.5m。爆炸试验管道见图6,爆炸试验管道结构见图7。

图6 爆炸试验管道

如图7所示,管道A端封闭,B端开口,在距A端一定距离的C点(分别选在7.5m或14m的位置)敷设塑料薄膜,形成封闭的37m3和70 m3气室。气室充入瓦斯,充分搅拌均匀,形成瓦斯浓度为9%左右的爆炸性混合气体,距A端1m的地点安装电子点火装置。距A端1m、3m、5m、7m、9m、11m、16m、21m、26m、31m、36m、41m、51m、61m、71m、81m的位置分别安装火焰传感器,用来采集爆炸后各点火焰传播数据,数据通过传输至数据采集设备。在进行抑爆试验时,根据需要分别在距A端5m、7m或12m的位置放置抑爆设备(距点火源4m、6m或11m的位置)。

图7 爆炸试验管道结构图

2.3.2 管道爆炸试验数据

瓦斯爆炸时,最初着火(爆炸)产生以一定速度运行的火焰锋面,同时产生压力很高的冲击波。爆炸前存在于巷道中的以及冲击波作用后产生的爆炸性混合气体均被火焰锋面引燃。火焰锋面是沿巷道运动的化学反应带和烧热的气体,它的传播速度为1～2.5m/s(正常燃烧速度)至2500m/s(爆轰速度),一般为500～700m/s。火焰的传播速度与瓦斯量和浓度有关。

在管道的试验中,分别进行10次各种试验条件下的瓦斯未抑爆、抑爆试验,其中3次为未抑爆试验,7次为抑爆试验,且在各次抑爆试验中,均有效的进行爆炸火焰拦截抑爆。试验数据见表2,数据分析如下。

(1)以试验4为例,密封塑料薄膜设在14m的位置,形成70m3瓦斯爆炸气室,点火位置、抑爆设备安装位置分别距管道封闭端1m、5m。进行管道瓦斯点火爆炸试验后,从1m位置传感器发现火源信号开始(0s),5m位置传感器发现火源信号时间为0.283s,7m及以后位置的传感器未发现火源信号。

比较表1、表2中的数据可以看出:从发现瓦斯燃烧开始,到设备起动形成直径2.5m圆形断面的物理屏障为止的时间为t动=134ms;火焰锋面传播至设备位置(5m)的时间为t火=283ms。物理屏障形成时间小于火焰锋面传播时间,抑爆成功。

(2)在部分抑爆试验中,抑爆设备安装位置后仍然发现火源,如试验7,抑爆设备安装在7m位置,试验时9m位置仍发现火源,11m位置才未发现火源,这是由于爆炸后气体体积膨胀将物理屏障整体向后推动的原因(见图8)。

表2 200m管道中瓦斯爆炸未抑爆、抑爆试验各传感器发现火源时间

续表:

图8 管道爆炸分区图

3 结论

(1)试验研究表明,南非HS主动抑爆防火系统的响应时间小于1ms,抑爆设备横向喷粉速度在15～20m/s之间。在管道爆炸模拟的试验中,分别进行10次各种试验条件下的瓦斯未抑爆、抑爆试验,其中3次为未抑爆试验,7次为抑爆试验,且在各次抑爆试验中,均有效的进行爆炸火焰拦截抑爆。

(2)HS主动抑爆防火系统抑爆核心技术,是在瓦斯爆炸时的火焰锋面还处在正常燃烧速度时及时喷出抑爆介质(氮气和磷酸铵盐),扑灭火焰,抑制灾害扩大,具有反应速度快,抑爆效果好的优点。

[1]于不凡等.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京:煤炭工业出版社,2000

[2]马骊,李跃忠,喻晟.关于HS矿井阻燃抑爆系统在我国煤矿应用的探讨[J].中国安全生产科学技术,2009(1)

[3]费国云.瓦斯爆炸沿巷道传播特性探讨[J].煤矿安全,1996(2)

[4]牛德文.HS煤矿主动抑爆系统的推广使用问题探讨[J].煤炭科学技术,2009(37)

[5]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术.北京.煤炭工业出版社,2001(2007.4重印)

An experimental research on HS f ireproof ing technology based on active explosion inhibition in coal mine

Ma Li1 ,2，Louis2，Li Suli2，Wu J ianming3，Bai Yunlong3，Wang J unfeng3
( 1. Jincheng Zetai Safety Evaluation Center，Jincheng，Shanxi province 048000，China ;2. Shanxi Lanhua Hans Gas Flameproof Equipment Ltd.，Jincheng，Shanxi province 048000，China ;3. School of Mining Engineering，Taiyuan Politechnic University，Taiyuan，Shanxi province 030024，China)

An simulating experimental research has been undertaken on t he responding timeof active explosion inhibition，t he explosion inhibition time by powder spraying and pipe explosionof fireproofing system based on HS active explosion inhibition technology. It is shown t hatt he flame f ront of t his system is still in t he normal combustion speed range and this system sprayst he explosion inhibition media ( nit rogen gas and ammonium p ho sp hate ) in a timely manner todistinguish t he flame and get the disaster under cont rol when the explosion out bur st s. This systemis feat ured by fast response and good fire inhibition.

Fire protection and distinguishing in coal mines，HS active explosion inhibitiontechnology，gas explosion

TD753

A

国家科技部国际合作重点项目2007DFA60810

马骊(1974-),男,工程师,山西阳城人,主要从事煤矿安全生产方面的教学、科研及技术管理工作。

(责任编辑 梁子荣)