重型矿卡火灾防控系统关键技术*

陈广泰，刘正元，杨宝珠，李争，陆梦羽，陈闯

(中车大连机车研究所有限公司， 辽宁 大连 116021)

0 引言

人类对矿产资源的使用至少有50万年的历史。21世纪初，矿产资源的开采、运输、提炼虽然已经逐渐迈向全面机械化，但矿山事故依然居高不下。据煤矿安全网统计，仅2019年上半年，全国煤矿企业发生事故67起，死亡108人[1]。其中矿山运输类事故15起，死亡15人。2020年上半年，全国煤矿企业发生事故48起，死亡74人。其中，矿山运输类事故12起，死亡13人。安全需要完备的技术保障措施。本文将以矿用自卸车为例着重研究重型矿卡火灾防控相关问题。

1 重型矿卡火灾防控技术的国内外发展现状

1.1 国外现状

重型矿卡技术复杂程度高、设备价值量大、安全要求高、维护检修困难。全球具备成熟研发和制造能力的仅有卡特彼勒CATERPILLAR、小松KOMATSU、日立HITACHI、特雷克斯TEREX和利勃海尔LIEBHERR等几家知名企业。

国外火灾防控技术研究较早，但针对于重型矿卡的火灾研究却很少。德国Siemens-Cerberus、美国安素公司、3M公司、AFEX公司均是全球较早一批生产制造灭火系统的公司并已经成熟运用于重型矿卡。美国安素公司、AFEX公司生产制造的干粉灭火系统代表着世界的领先水平。随着技术的发展，先后出现了水基灭火装置、泡沫干粉联用灭火装置和气体灭火装置。

1.2 国内现状

一台重型矿卡的内燃系统、传动系统、制动系统、电气系统非常复杂，堪比一台电传动内燃机车。国内重型矿卡的主要生产厂家有中国中车、湘潭电机、本溪重汽、徐工、北方股份等龙头企业[2]。其配备的火灾防控系统以安素公司的超细干粉为主，而国内没有公司具备此技术。为填补我国消防行业的空白，政府开始高度重视火灾防控技术，加大对消防行业研究开发、试验验证、生产制造的投入，得以缩短了我国消防技术与国际先进水平的差距。但在重型矿卡火灾防控系统上仍要以进口为主，缺乏特种运输行业的火灾防控体系。

2 重型矿卡火灾的主要成因

矿山环境恶劣，机械昼夜运作潜在火灾危险性极高。据统计，重型矿卡起火事故有发动机起火、马达起火、排气管起火、轮胎起火、驾驶室起火、电器柜起火、电控柜起火等[3]。这些事故可根据火源类型分为两种：油液火、电气火。由于重型矿卡主要以柴油发动机提供动力，其自卸、动力转向、举升等大多数工况下采用液力机械传动，车体遍布各种液压油管及柴油输油管，所以油液泄露便成为了其主要起火原因，这种事故概率的占比远远大于电气火。两种火灾成因总结如下：

1) 发动机输油管路中的雾化柴油，液压系统中的雾化液压油以及其他管路中的油液，常常由于管路的破损使油液滴溅乃至喷射接触到发动机或涡轮增压器排气管、制动系统刹车盘、制动电阻等高温物体表面导致的油液高温接触火灾；神华集团黑岱沟煤矿2011年由于液压油喷射到温度极高的涡轮增压器及排烟管而引起的火灾发生了5起[4]。

2) 由于作业环境恶劣，作业强度大、工作时间长等原因导致的电气设备过载、线缆破损、老化漏电、线端松动，从而使线缆短路、高温自燃引起设备起火。

3 重型矿卡火灾防控系统的发展需求与方向

3.1 发展需求

重型矿卡由于其运用环境恶劣，工作强度大，油液、脂类大量存在等原因导致其火灾风险相较于其他工程车辆都高。重型矿卡对火灾安全防控需求十分迫切，火灾防控系统已成为矿卡重要组成部分。

矿卡由于其自身储存大量油液、工作时高温发热部件多、工作区域远离市区难以救援等原因，矿卡火灾的早期火灾探测报警技术变得尤为重要，然而我国针对该领域的火灾探测报警技术尚不成熟。有一半重型矿卡甚至不配有任何探测报警系统。探测报警系统需要由探测器与报警控制器两部分组成。国产探测器性能不稳定且以民用为主，受制于传感器技术水平，能稳定用于监测矿卡火灾的国产火灾探测器以及与之匹配的报警控制器仍然匮乏。

当矿卡拥有了火灾探测器报警系统时，其应当进一步具备相应的自动灭火技术。火灾探测报警可及早地疏散人员，而灭火技术则是为了将火灾经济损失降到最低。我国灭火技术发展迅猛，在建筑消防方面可谓是世界前沿，但是针对于半封闭环境的大型运输设备选择却很少。其主要是缺乏专用的灭火剂和灌装容器。高冲击振动环境与极端温度条件对于灌装设备具有很大的考验。

综上所述，重型矿卡使用的火灾防控系统应满足以下几点需求：能对火情精准、快速地探测，合理的判断逻辑，在最短时间内响应；长期稳定的运行，在火灾发生时能高效、可靠地灭火；灭火后设备的可恢复性、绝缘性、腐蚀性以及易清洁性都需要进行考虑，尽量减少对设备的二次伤害。

3.2 发展方向

现阶段重型矿卡火灾防控系统应该向着全自动、智能化、可视化方向发展。灭火装置、探测装置、控制装置、视频监控装置集成的火灾防控系统正逐步取代传统手持式灭火器。全自动火灾防控系统在火灾初期既可及时发现火情又可实时显示设备状况并自动释放灭火剂扑灭大火，有效地避免了火灾发生时人为灭火的不可靠问题。

经过多年的发展，针对重型矿卡的火灾防控设施逐渐完善，现主要使用的传统手持干粉灭火剂、进口CO2火灾防控系统、干粉火灾防控系统、混合液体火灾防控系统[5]尚未完全考虑灾后设备可恢复性和对环境污染程度。所以灭火剂应当选择新型的无腐蚀、无残留气体火灾防控系统。

火灾发生时不能及时探测火灾、扑灭火灾并抑制火灾复燃的火灾防控系统将逐渐被淘汰。我国的火灾防控系统正向专业化、系统化体系发展。使用多物理量复合探测技术、优化逻辑控制，配以专用的新型灭火药剂，是实现超早期火灾探测、防控的必经之路。

4 重型矿卡火灾防控系统关键技术

火灾防控系统主要由探测、报警控制、灭火执行以及诸如远程数据传输和报警联动等其他联动装置等构成[6]。为保障人民生命安全，减少国家经济损失，维护社会稳定发展，加强重型矿卡火灾防控系统基础技术和应用技术研究,以及绿色智能等产品技术的开发，具有十分重要的意义。

4.1 重型矿卡的火灾分析技术

火灾分析可分为火灾重建与火灾预测，而火灾模型搭建是其中最重要的步骤，是评估火灾和验证防火性能的主要手段。火灾建模要基于化学与物理基本定律，否则无法准确解释火灾。当火灾发生时，火势将会受到流场的严重影响。因此在模型搭建时，模型结构简化程度不同、流场流动假设不同，将会得出不同的火灾模型。

火灾模型可分为用数学方程组建立的数学模型与按照一定比例复制的物理模型。由于复杂的几何图形不能始终与原始图形保持一致，因此研究人员必须评估与记录几何图形基本元素，在了解各个模型物理基础上，进行模型搭建。

图1是根据某型号矿用自卸车进行的火灾模型建立。首先根据矿车真实机械模型进行模型结构简化，获得我们要研究的火灾发生场所的结构简化模型，然后通过对环境参数(风速、温度、气压等)进行调整，最后设置所需的测温点来实现对温度监测。通过仿真软件进行流场仿真，可以预测或重建温度变化趋势、烟气流场等数据。

图1 流场切片图

有关于火灾的发展，目前研究领域只能在某种程度上针对基本特征进行建模。火灾的发展阶段可分为初期、发展、猛烈、下降、熄灭五个基本阶段，随环境条件的不同，这五个阶段会演化出形式各异的火灾发展曲线。其中火灾初期阶段与发展阶段是发现、扑灭火灾的黄金时期，是火灾建模最关注的研究点。

4.2 火灾探测与感知

火灾探测技术依靠两部分，一是传感器技术，二是逻辑处理技术。

传感器是能测量并按照一定规律转换成输出的器件或装置[7]。火灾探测技术均依靠传感器检测、传输和放大，火灾产生的烟雾、火焰和高温等介质的变化，该变化通常会以电流信号或者电压信号形式传出，通过探测器本体或者控制器预设程序计算后发出火灾信号、报告火灾发生位置等信息。目前火灾探测器根据检测对象的不同，可分为感烟、感温、辐射、气体以及复合探测器。这几类探测器仅吸气探测器、感烟探测器可以较早地发现火灾，但经长期使用上述两种探测器极易因外界因素引起误报，故复合多类型探测器的方式是目前解决误报、漏报最可靠的方法。

矿山运输设备长期处于多尘环境，感温、感烟探测器的维护成本较高，所以现有的矿山运输设备多采用免维护的线型感温电缆或点式定温探测装置，作为火灾防控系统的“感官”。线性感温电缆内部有两根弹性钢丝，每根钢丝外面包有一层感温且绝缘的材料[8]，在正常监视状态下，两根钢丝处于绝缘状态，当周边环境温度上升到预定动作温度时，温度敏感材料破裂，两根钢丝产生短路，输入模块检查到短路信号后会报警[9]。此种探测器本身灵敏度、控制器对其的逻辑控制直接影响火灾防控系统的有效性。我国现阶段生产的探测器虽然价格低廉，但误报率高、响应慢，无法完全取代进口探测器。

4.3 火灾防控系统控制策略

火灾防控系统设计以精准、简单、高效为原则，通过早期预警、联动控制，实现精确喷射，可为设备提供全面的防护保障。火灾防控系统主要分为三大组成部分，即控制系统、探测系统、灭火执行系统。由不同传感器构成的火灾探测系统时刻监视着周围环境的温度、烟气、火焰变化。发生火灾时，探测系统可迅速响应并传递信号到控制器。通过控制器内部集成的算法进行逻辑判断，一旦判断为火灾，一方面输出动作信号，控制灭火执行系统动作，扑灭火灾；另一方面发出消防联动信号及报警信号，通知相关人员紧急撤离。

电动轮矿用自卸车主要保护区域集中在柴油机、电传动系统、液压传动系统、制动系统、柴油管路、液压管路、阀组、电线电缆等部位。针对以上部位布置探测器与灭火剂管路是十分必要的。图2是某矿用自卸车灭火执行装置的示意图。

图2 某矿用自卸车灭火执行装置

图3为某电动轮矿用自卸车火灾防控系统拓扑图，该系统分别在前后轮、增压器、液压泵、制动器布置探头，时刻监控火情。探测器串联接入控制器，火灾发生时探测器发送电流信号到控制器，进而通过控制器控制灭火器喷射。

图3 某矿用自卸车火灾防控系统

4.4 适用于重型矿卡环境下的环保型灭火剂

重型矿卡存在大量可燃液体：润滑油、柴油、润滑脂、液压油及其他可燃物[10]。当这些运输设备“人歇车不歇”的昼夜工作时，发动机缸体、排气装置以及制动产生大量的热，而许多油管、电线电缆与这些高温装置接触紧密，存在着很大的火灾隐患。

根据NFPA洁净气体灭火系统标准[11]，将矿用运输设备使用到的灭火剂统计如下：

低成本、环保、易携带的CO2灭火剂、干粉灭火剂是目前在矿山机械运用最广泛的灭火剂，但降温效果有限，且无法抑制复燃。表1中水基、泡沫灭火剂主要针对A类火，在矿山运输设备复杂的火灾环境和电动轮附近使用容易造成二次电气灾害，且施救后难以清理。从表2中可知,以全氟己酮为代表的清洁气体灭火剂不仅灭火性能优良，而且符合环境保护要求，具有良好的电气绝缘性能，尤其是挥发后不会产生任何腐蚀作用和破坏作用，灭火的同时设备状态保持正常，逐步应用在重型矿卡中。

表1 灭火剂分类

表2 超细干粉与全氟己酮对比分析

全氟己酮灭火剂用量计算：

确定保护区的容积V=(L×W×H)m3；灭火剂浓度取为4.5%，灭火系统的灭火设计浓度不应小于灭火浓度的1.3倍，固最小设计浓度为5.85%；计算灭火剂设计用量：

(1)

式中:W为灭火设计用量或惰化设计用量,kg；C1为灭火设计浓度或惰化设计浓度,%；S为灭火剂过热蒸汽在101 kPa大气压和防护区最低环境温度下的比容,m3/kg；V为防护区的净容积，m3；K为海拔高度修正系数，可按本规范附录B的规定取值。

灭火剂过热蒸汽在101 kPa大气压和防护区最低环境温度下的比容，应按下式计算：

S=0.066 4+0.000 274 1·T

几种典型化学灭火剂与灭火系统的性能对比详见表3[12]。

表3 灭火剂性能对比表

4.5 远程监测与车地一体化控制

采用先进的传感器技术、车载信息采集技术、无线通信技术、流媒体传输技术和故障预测健康管理技术，把重型矿卡的火灾探测装置采集的状态数据、定位信息、故障信息、视频信息、车辆身份信息以及火灾信号报警信息处理整合后，利用APN(Access Point Name)专网无线传输技术实时传至地面系统进行分析处理[13]。当无火灾发生时，地面系统对火灾防控设备远程实时监测、智能运维等信息进行综合应用。当地面系统一旦接收到车载火灾探测信息及火灾报警信号后，迅速启动车地无线通信装置，包括视频联动、扬声器和麦克风，实时进行远程火灾精准一体化现场督导指挥控制。

系统主要包括位于车载端的火灾探测装置、数据采集传输装置、通信装置和专用车载天线及配套线缆；位于地面监测中心的车地数据无线通信接入设备和智能手持终端模块；车地无线传输方式采用专用APN物联网和数字化矿山WLAN或5G无线局域网进行火灾实时状态数据、视频文件及事件记录文件的传输[13]。

系统组成架构如图4所示。

图4 远程监测与车地一体化控制组成

随着智能化自动驾驶系统的发展，火灾防控系统还需要进一步与矿车智能化自动驾驶系统进行无缝融合。

5 结论

重型矿卡火灾造成的财产损失和人员伤亡是矿山开采及运输工作的痛点，因此火灾防控极其重要。在机械化普及，电传动设备大规模应用的发展背景下，若不配备相应的自动火灾防控设备，火灾发生的风险将不会得到有效控制。

以火情智能感知和新型灭火剂等关键技术应用为基础的国产自主设计重型矿卡用火灾防控系统设计能够使矿用自卸车等运输设备的重大火灾事故得到有效控制，保障安全生产。