基于ZFM4/48 型区域自动喷粉灭火装置的煤矿抑爆系统设计

卫颖婕

（大同煤矿集团机电装备科工安全仪器有限责任公司， 山西 大同 037000）

引言

煤层内部通常会包含有大量瓦斯，所以在煤矿开采过程中，工作面会涌出很多瓦斯气体。瓦斯属于易燃易爆气体，当矿井内的瓦斯浓度达到一定程度时，如果再遇上明火或者由于机械摩擦、电路短路等产生的火花时，就非常容易引起火灾，甚至爆炸[1-4]。矿井内出现火灾就会产生大量的有毒有害的烟雾气体，对于小范围的火灾如果不及时进行扑灭，必然会引发更大范围的火灾，对矿井造成非常严重的经济损失和人员伤亡。为了能够在第一时间发现矿井内部的火苗并对其进行扑灭，煤矿科研人员设计研究了矿井灭火抑爆系统[5]。但类似的安全系统在我国并不是非常普及，因此有必要对其进行深入的分析和研究，以提升系统的性能，推广其应用范围[6]。

1 煤矿抑爆系统总体结构的设计

如图1 所示为煤矿抑爆系统的总体结构设计示意图。从图中可以看出，整个煤矿抑爆系统是由多个部分构成的，主要包括区域自动喷粉灭火装置、矿用本质安全型控制器和电源、烟雾传感器和火焰传感器、声音和灯光报警装置等。通过烟雾传感器和火焰传感器可以实时检测矿井内部的烟雾和火焰情况，以判定矿井的安全状态。

2 抑爆系统主要硬件设施

图1 煤矿抑爆系统的总体结构设计示意图

1）区域自动喷粉灭火装置。本系统中采用的区域自动喷粉灭火装置的型号为ZFM4/48，主要由高压抑爆剂存储罐以及阀门开启装置构成，高压抑爆剂存储罐的作用是存储灭火干粉，阀门开启装置的作用是一旦系统检测到矿井内存在火苗或烟雾时，会下达控制指令开启阀门，将存储罐的阀门开启后存储罐内的灭火干粉会自动喷出，将区域内的火苗扑灭。开启高压抑爆剂存储罐的基本原理是通过电子触发器对封膜片进行击破处理，根据相关测验结果，阀门可以在2 ms 内快速打开。可以看出，区域自动喷粉灭火装置的反应时间非常短，能够在非常短的时间内将粉末喷出进行灭火。

2）烟雾传感器和火焰传感器。第一，系统中选用的烟雾传感器型号为KGN1，该型号烟雾传感器为本安型传感器，主要针对煤矿进行设计，在煤矿井下有广泛应用。其正常的工作环境为：空气相对湿度不超过95%，空气温度在-20～40 ℃范围内，周围不存在非常显著的振动和冲击。烟雾传感器需要通过12.5～18 V 的直流电源进行供电，当空气中的烟雾浓度在0.1 mg/m3时，该型号传感器可以在15 s 内检测到烟雾的存在；第二，选用的火焰传感器型号为GHZ5，同样为本安型传感器，可以在矿井复杂的工作环境下使用。通过火焰传感器能够快速、准确地检测火焰相关信息，并将其转换成为数字量信号输入到控制器中进行分析和处理。该型号传感器具有探测范围广、反应灵敏、准确率高、性能稳定等诸多优势，在煤矿领域应用广泛。需要通过5 V 直流电压对其进行供电，工作电流不超过70 mA，对于5 m 范围内烛光的火焰能够在5 ms 时间内检测到。

3）PLC 控制器。传感器检测得到的数据信息，需要传输到PLC 控制器中进行处理，以判断是否超过安全范围值。可以看出PLC 控制器是整个煤矿抑爆系统的关键和核心，性能的优劣会对整个抑爆系统运行的稳定性和可靠性产生重要影响。结合煤矿实际情况，最终选用的是西门子公司设计制造的S7-1200 型PLC 控制器。该信号传感器具有结构紧凑、性能优异的优势，能够在1 ms 时间内完成检测数据信号与安全范围阈值的对比分析工作。可以看出，该型号控制器的应用可以缩短抑爆系统的整体响应时间。

4）供电电源。本系统在工作时烟雾传感器、火焰传感器和PLC 控制器都需要电源对其进行供电，电源取自于矿用电压，为交流127 V。但上述装置都要求本安型直流电压对其进行供电，且不同装置要求的电压大小存在差异。所以需要通过本安型电压转换设备将矿用127 V 交流电压转换成为各装置需要的本安型直流电压。另一方面，为了确保抑爆系统的稳定运行，还配备了备用电源。目的在于如果矿井电源无法正常供电时，可以在6 ms 时间内将供电电源切换到备用电源中，对煤矿抑爆系统进行供电。双电源设计能够在很大程度上提升系统运行的可靠性。

3 煤矿抑爆系统的基本工作流程

如图2 所示为煤矿抑爆系统的基本工作流程图。系统启动运行后，首先是进行初始化处理，作用是对各装置的设置参数进行归零，同时检测各装置是否能正常工作。进行初始化处理确保一切正常后，烟雾传感器和火焰传感器启动工作，对矿井内部环境的烟雾和火焰情况进行实时检测。检测得到的数据信息通过A/D 转换器转换成为数字量信号，输入到PLC 控制器中进行对比分析。经过PLC 控制器处理后，只要烟雾指标和火焰指标中的其中一个指标超过了系统设定的安全范围阈值。控制器就会下达控制质量，控制灭火装置的阀门开启装置，进而将高压抑爆剂存储罐开启，内部存储的灭火干粉大量喷出进行灭火。另一方面，系统还会下达指令控制声音和灯光报警装置，以发出声音警告和灯光警告，提示井下相关工作人员进行处理。

图2 煤矿抑爆系统的基本工作流程图

以上就是煤矿抑爆系统的基本工作流程，可以看出，整个流程比较简单，可以缩短系统的响应时间，提升系统的可靠性。设计的抑爆系统完全实现了自动化处理，不需要安排专人进行看守，能够快速扑灭矿井中出现的火苗，确保矿井安全。

4 煤矿抑爆系统应用效果试验研究

4.1 试验过程介绍

为了对设计的煤矿抑爆系统的应用效果进行检验，搭建了一个煤矿硐室模型，硐室模型的规格尺寸尽量按照煤矿实际尺寸来执行，其长度、宽度和高度分别为4 m、4 m 和3.5 m。在硐室模型中布置本文设计的煤矿抑爆系统，并在硐室空间模型中随机布置5 个火源，火源在工作时能够喷出火焰和烟雾。基于上述搭建的模型开展试验工作，整个试验过程通过高速工业摄像机进行拍摄，然后基于拍摄录像来分析系统的运行情况。试验开始时，5 个火源同时冒出火焰和烟雾，系统启动工作扑灭火焰。共进行了两次试验，以下对相关试验结果进行介绍和分析。

4.2 试验结果分析

对实验过程的录像进行分析后发现，在两次实验过程中，煤矿抑爆系统的烟雾传感器、火苗传感器全部正常工作，快速检测到了烟雾和火焰。抑爆系统快速反应，启动区域灭火装置，将5 处火苗全部扑灭，并且后续0.5 h 内没有出现火苗复燃的现象。进一步统计分析了系统的响应时间，发现两次实验中系统的响应时间均没有超过1 s，即在火苗点燃1 s时间内，灭火装置就启动工作，喷洒灭火干粉将火苗扑灭。

基于以上实验结果可以看出，设计的煤矿抑爆系统能够有效工作，快速检测火苗和烟雾，并将火苗扑灭，后续不再出现复燃的现象。将该系统应用到工程实践中，能够显著提升矿井的安全性，避免矿井内部出现大面积的火灾甚至爆炸的情况。

5 结论

经过相关试验工作发现，基于区域自动灭火装置的煤矿抑爆系统，能够对区域内的火苗和烟雾情况进行自动检测，一旦发现火苗和烟雾超过安全范围阈值，系统就会启动灭火装置，及时将火苗扑灭，确保煤矿安全。说明设计的煤矿抑爆系统能够有效检测并扑灭火苗，应用效果非常好。