应对现代煤矿开采安全的主动抑爆系统

赫尔穆特·斯帕特 艾伯特·于 牛德文

(1.山西兰花汉斯瓦斯抑爆设备有限公司,山西省晋城市,048000;2.晋城市安全生产技术协会,山西省晋城市,048000)

应对现代煤矿开采安全的主动抑爆系统

赫尔穆特·斯帕特1艾伯特·于1牛德文2

(1.山西兰花汉斯瓦斯抑爆设备有限公司,山西省晋城市,048000;2.晋城市安全生产技术协会,山西省晋城市,048000)

HS煤矿主动抑爆系统源于军用技术,基于智能化超高速特性,能够有效地抑制瓦斯和煤尘爆炸的破坏性形成与扩展,是煤矿防治瓦斯和煤尘技术上的重大突破。

瓦斯/煤尘爆炸 被动隔爆装置 主动抑爆系统

1 应对现代煤矿开采带来的安全挑战

随着科技的发展和工业化进程的推进,机械化开采在现代煤矿中得到了越来越广泛的推广应用,而且正在趋于向着大功率和自动化的方向发展。

凭借着大量现代化开采设备的应用,不仅极大地提高了生产效率,而且所开采的煤层和地质环境越来越复杂。大强度和高难度的煤层开采必然带来安全生产上的新问题,尤其是对于防治威胁煤矿安全的“第一杀手”——瓦斯的难度更为突显。

因此,现代化开采带动煤炭行业进步的同时也为煤矿安全带来了新的挑战。大功率机械化采矿形成的大强度落煤,不仅造成瓦斯涌出量及煤尘扬起量急剧加大,同时由于机械碰岩不可避免地会产生火花。这实际上形成了采用传统方式防治瓦斯爆炸无法解决的新的矿井安全隐患,一旦这些危险因素(燃料、氧气、点火源)耦合,即可造成瓦斯或煤尘爆炸事故。

传统方式的瓦斯爆炸防治手段主要是消除瓦斯爆炸的条件,因此也被称为消爆手段。在消爆手段面临无法克服的缺陷的情况下,就需要一种有效的抑爆手段,用来解决机械化开采带来的安全隐患,以弥补传统隔(抑)爆手段的不足。基于瓦斯和煤尘爆炸对于煤矿的安全风险评估,有效的隔(抑)爆手段应当达到以下目的:

(1)抑制爆炸、阻断爆炸的扩散和传播;

(2)阻断有毒有害气体的形成;

(3)阻止破坏性冲击波的形成;

(4)阻止温度超出人类可承受范围;

(5)拯救生命和矿井财产。

目前煤矿普遍推广使用的隔爆技术是在20世纪第一代隔爆水袋基础上改良而来的各种被动隔爆装置。被动隔爆装置的机理是依靠爆炸冲击波的动力,并利用冲击波和火焰传播速度的时间差,首先驱动内置消焰剂形成抑制带以限制煤尘扬起的程度,然后当火焰来临时在一定程度上抑制爆炸火焰以实现切断爆炸反应链。所有的被动隔爆装置受限于工作机理的制约,其作用范围和效果非常有限,而且在实际使用中还受环境和人为因素的直接影响。综合全球主要研究机构的研究成果,被动隔爆装置普遍存在的局限性见表1。

表1 被动隔爆装置特性表

2 HS煤矿主动抑爆系统的技术特性

在认识到被动隔爆系统的先天缺陷后,多数国际研究机构于20世纪70年代开始在技术方面探索其他可能的替代技术和方向。1985年,M·法贝尔(M·Faber)和E·W·绍尔(E·W·Scholl)在悉尼发表的《自动抑制混合源爆炸在煤矿井下的应用报告》中首次提出了主动抑爆技术的概念和技术设想雏形,随后引起了多个国家和研究机构的重视,并先后开展针对此概念的技术研究和相关标准的制定。

1990年,南非国家工业技术研究委员会(CSIR)首次对基于军用技术改进的矿用主动抑爆系统进行了第一阶段论证性测试,并取得了成功。1994年,在米德伯格煤矿瓦斯爆炸事故后,应总统授权里昂委员会的要求,南非正式邀请各国研究机构和公司参与煤矿用主动抑爆系统和产品的研发及测试论证工作。经过长达7年时间的研发、改进和测试,2001年,由HS设计与工程有限公司生产的EXPLOSPOT主动抑爆系统成为了历史上第一家,也是目前唯一一家通过国际矿业研究联盟(GMRA)测试及南非国家综合测试取得资格的主动抑爆产品供应厂商。

主动抑爆技术是一种凭借传感器捕捉并解析爆炸信号,进而主动针对爆炸事故做出抑爆动作的超高速阻燃抑爆技术。HS主动抑爆系统的核心作用:

(1)抑制采掘面瓦斯和煤尘爆炸(抑爆作用);

(2)阻断瓦斯和煤尘爆炸的扩散(隔爆作用)。

为了证实HS主动抑爆系统的实际效能,该公司建立了专用的测试设施,国际矿业研究联盟及南非国家工业技术研究委员会就HS主动抑爆系统的不同应用进行了测试和鉴定。西班牙、美国、澳大利亚和中国等国家以及第三方研究机构也先后对HS主动抑爆系统进行了超过1000项不同环境和项目的测试,这些测试结构均得到同样的结果——HS主动抑爆系统可以有效地抑制各种环境下的瓦斯和煤尘混合爆炸。

通过合理地进行设置,HS主动抑爆系统在抑制初期爆炸时可以有效地控制有毒有害气体总量;阻止杀伤性冲击波的生成;阻止升温超出人类承受极限,最终实现拯救生命和挽救财产损失的目的。

HS主动抑爆系统的主要应用特征见表2。

通过对比HS主动抑爆系统和被动隔爆装置的特点,可以清楚地发现,HS主动抑爆系统不仅可以克服被动隔爆装置的先天缺陷,而且通过合理布置和使用,HS主动抑爆系统可以有效地控制煤矿爆炸事故,最大限度地挽救工人的生命和煤矿财产。

表2 HS主动抑爆系统特性表

3 HS主动抑爆系统的推广应用

HS煤矿主动抑爆系统是专门针对瓦斯和煤尘爆炸而开发的超高速主动抑爆装置,该系统以其独特的技术性能实现了真正意义上的抑爆,在瓦斯和煤尘爆炸防治技术上具有突破性。

(1)智能化识别。先进的传感技术和信号辨识技术可以准确和迅速的判定信号,辨识爆炸和燃烧信号,并且对煤矿井下所有已知伪信号源免疫。

(2)超高速启动。先进的超高速启动结构具有全球最快的响应速度,可以在2 ms内打开抑爆装置。

(3)全自动抑爆。先进的自动化控制技术可以实现监测、启动、数据记录全程自动化,正常使用无需人为操作。系统内置黑匣子可以确保系统参数和数据的自动记录和保存。

(4)程序化自检。先进的集成自动检测功能为设备提供了全时段适时性能自检,确保了系统运作正常。

(5)模块化设计。在高可靠性设计和生产工艺技术上,系统采用模块化设计方案,确保了矿用环境下使用的灵活性和便捷性。

(6)单元化产品。根据不同的煤矿作业环境和隔(抑)爆需求,HS产品具有三大系列产品,分别是机载系列、支架系列和巷道系列。高度整合的单元化产品便于用户在不同环境下使用产品,用户可根据不同作业环境和防护强度需要组合使用,实现最优化的隔(抑)爆效果。

根据HS主动抑爆系统所具有的技术性能,为了发挥好其功效,经过对中国煤矿实际情况的调查,在安装使用中应做好以下3点:

(1)构建抑爆防护系统。在矿井存在爆炸危险的高危区,如采掘工作面,设置为区域性防护系统,并分别设置主动抑爆区与辅助抑爆区。主动抑爆区的系统设置,如机载式系统和支架式系统,主要作用于主动抑爆,阻止爆炸的发展;辅助抑爆区的系统设置在采掘工作面所属巷道中的巷道式系统,主要作用于屏障隔爆,阻止爆炸向外扩散。此外,对一些有必要进行抑爆防护的高危点,如煤仓口、转载点、配电点等,设置为点位性防护系统。建立智能化矿井,可将抑爆防护系统管理集成于全矿井监测监控系统中。

(2)系统组合联动。单套抑爆系统设备之间使用专用电缆连接为组合联动系统。支架式系统以及同一道位置的巷道式系统的安装均应使之互联。前者互联,可以依据采煤工作面发生爆炸(或燃烧)时的初始情况,进行单台或多台智能选择性的启动;后者互联,可以使设置在同一道的多台巷道式系统同步启动,以达到最优的屏障隔爆效果。

(3)人工紧急启动阻燃。HS主动抑爆系统备有配置紧急启动装置的接口。在矿井发生燃烧时,若其能量不足以启动系统的灭火释放装置,且采用人工灭火方法又不能控制火势的情况下,就要操作抑爆系统设备的紧急启动阻燃装置进行灭火。

HS主动抑爆系统不仅在2001年通过了国际矿业研究联盟及南非国家认证,还先后通过了西班牙、美国、德国和中国等国家及其他独立第三方认证。该产品先后为英美矿业集团、南非沙索尔集团等世界顶级矿业公司装备使用,同时通过久益(JOY)公司标准化认证并顺利列入其产品标准化配件序列。HS主动抑爆系统设备由山西省晋城市引进中国后,于2009年12月份通过中国国家安全标志认证,目前已在晋城市部分煤矿正式安装使用。

现代煤矿技术装备需要向着不断提高生产力和生产率的方向发展,同时也必须兼顾生产安全问题,对于发展过程中的安全挑战和隐患必须予以足够的重视。主动抑爆系统是现代煤矿安全的重要组成部分,HS主动抑爆系统是弥补现有消爆手段不足的最佳解决方案。

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Evaluation of active explosion suppression system for modern coal mining safety

Helmuth Spath1,Albert S.Yu1,Niu Dewen2
(1.Shanxi Lanhua HS Suppression System Co.,Ltd.,Jincheng,Shanxi 048000,China;2.Jincheng Association of Technology Work Safety,Jincheng,Shanxi 048000,China)

The HS mine active suppression system,derived from military technology and based on intelligent high speed activation can provide an effective and practical method for the elimination of the devastating effects of a gas/coal dust explosion in a mining operation.This is a major breakthrough in gas/coal dust explosions prevention technology.

gas/coal dust explosion,passive isolation equipment,active explosion suppression system

TD712.7 TD713.5

A

赫尔穆特·斯帕特(1949-),男,南非国籍,资深高级工程师,火灾和爆炸防护装置专利技术发明人。

(责任编辑 温子伯)