煤矿井下防爆电气设备及防爆技术应用

＊杨雁峰

（山西沁新新达煤业有限公司 山西 046500）

前言

煤矿井下防爆电气设备及其相关防爆技术应用，能够在一定程度上规避井下电器设备爆炸的风险，可以有效提高井下作业的安全系数。本文重点讨论了井下防爆电器设备的价值、特征及各类电器设备防爆技术的实际应用，以期为煤矿井下防爆管理提供技术支持。

1.煤矿井下防爆电气设备的应用价值

防爆电气设备是一种可以预防或阻止电气设备爆炸的设备，是煤矿井下安全生产时的必要设备。煤矿井下作业的风险系数极高，很容易发生各类安全事故。2020 年2 月，山东华恒矿业的安全事故造成了两人死亡，这类案例不胜枚举。而爆炸正是井下发生频率最高的安全事故之一，这与井下的作业环境息息相关。煤矿井下作业区域阴暗、潮湿，较为封闭，且空气中充满了可燃性气体及爆炸性气体。井下作业又多依赖各种电气设备，这些设备在运行期间会产生一定热量，且设备一旦出现故障，便可能产生电火花或电弧，极易导致设备自燃或自爆。这类热浪或火苗传到外部环境中，便可能会点燃空气中的可燃性气体和爆炸性气体，继而引发煤矿爆炸，爆炸事故过于严重时，还会引起矿井坍塌，不仅会导致煤矿企业面临严重的经济损失，还会给矿井内部工作人员的人身安全造成严重威胁。因此，通过防爆电气设备保障其他电气设备的稳定运行，避免因电气设备运行过热或故障生成的电火花而引起爆炸是极有必要的。

2.煤矿井下防爆电气设备的基本需求

(1)抗潮性能过关

井下防爆电气设备需长时间处于恶劣环境中运行，这是由于煤矿井下受地下水影响，空气湿度及土壤含水量相对较大，防爆电气设备的外壳会直接与空气和湿润土壤接触，金属外壳发生锈蚀后，便可能会影响设备的运行性能。因此，井下防爆电气设备必须具备一定的抗潮性能。除此以外，井下环境相对潮湿，这也是使用电气绝缘的根本原因之一，还有部分井下的煤矿温度较高，综合考虑，为了避免电气设备在运行期间发生故障或引发安全事故[1]，所有电气设备在正式下井作业前，必须要通过湿热试验，对电气设备的综合性能进行系统查验，确认设备可满足井下作业标准后，方可正式投入使用。

(2)有坚固的外壳

井下作业的各项设备必须要有坚硬的外壳。矿井下作业除了火灾、爆炸等风险外，也常发生煤或岩石脱落等情况，这类自由掉落的高质量物体，经自由落体运动掉落在设备表面时，极有可能会导致设备受损，引发运行故障。一个坚固的外壳能抵御一定质量的落物冲击，是井下防爆电气设备的必需品。

(3)轻便、易于移动

在井下作业时，电气设备需要跟随实际开采进度一同向前移动。因此，防爆电气设备还应具备小巧、轻便、易于移动的特征，方便工作人员搬运。而相对小巧、结构简单的设备也更易于检修维护和保养。

(4)可应对内、外部爆炸

防爆类电气设备的核心功能，便是可以承受混合爆炸造成的伤害，且其内部不会产生爆炸，这也是防爆电气设备的主要特征之一[2]。这也需要防爆电气设备的外壳足够结实。大多防爆电气设备由铝合金、钢板、铸钢等具有一定坚固性的材料制作而成，这类材料可以同时承受1.5 倍左右的压力，不仅可以隔离爆炸线，还能够直接接线。

3.在煤矿井下作业中电气设备防爆技术的实际应用

(1)冷磷化工艺技术的实践应用

在隔爆面上应用冷磷化技术，需要使用磷酸盐溶液，将其滴在初步处理后的隔爆面上，使金属表面产生磷化反应，在电气设备外侧形成一层较厚的磷化薄膜表层。通过冷磷化工艺技术处理过的金属表面，具备较强的隔爆面防腐蚀性能，能够进一步提高电气设备的防爆性能及其运行稳定性。该技术的具体应用步骤如下。

①清理设备金属表面，隔爆层表面的油污或锈蚀可能会对设备的运行性能造成一定的影响，工作人员需要采取对应的处理措施，去除此类污渍和杂物，直至能够看到金属自身光泽后，方可正式涂抹磷化膏。

②在处理过的金属表层均匀涂抹磷化膏，厚度需控制在2～3 mm。

③涂抹磷化膏后，应观察表面膏体中的气泡，采取技术手段消除气泡或等待气泡全面散去，确保整个隔爆面光滑、平整。

④若处于20 ℃以下的环境中，需等待3 h 左右。磷化后，可以将表面的磷化膏刮掉，随后使用纱布清洗隔爆面。在清理干净后的表面再涂抹一层防锈油，避免具有腐蚀性的气体或液体腐蚀设备外壳渗入设备内部，导致设备故障[3]。

在使用冷磷化工艺技术处理防爆电气设备表面时，使用的磷化膏大多有着较强的腐蚀性能，因此在实际操作时，相关工作人员务必要小心、谨慎，做好劳保措施、穿戴好防护装备，避免涂抹磷化膏时，膏体喷溅到皮肤表层导致受伤。另外，加强对冷磷化工艺技术应用的操作管理，确保整个操作合理可行、规范标准，尽可能减少因操作失误造成的设备报废或成本损耗。通常情况下，待工作人员按标准规范完成冷磷化处理后，防爆电气设备的机械运行性能及其表层的化学稳定性将会获得大幅度提升，而生成的磷化薄膜也具备相应的黏附性，可以与后续涂抹的防锈油紧密贴合，能够进一步提高防爆层的防腐蚀、防锈蚀性能，可以起到保护设备的作用。

(2)热管技术的实践应用

热管主要用于传热和散热。工作人员可以在隔爆机中应用热管技术，以此有效改善设备的散热及传热性能，进一步提高机械设备的运行稳定性，还能够确保电气设备在处于爆炸性气体环境中依然可以自动化运行。热管技术的应用原理是通过相应介质吸收或释放汽化潜热，以此达到合理传递热量、稳定散热的目的。热管的热阻值极小，热管技术是一种极其特殊的传热方式，能够最大限度发挥出其传热性能，提高散热及传热效率[4]。通常情况下，在隔爆型热管散热器的应用期间，热管的主要工作便是传输热量。而设备及各元器件在运行期间产生的热量，大多会通过热管与基板共同传导。热管与基板的另一端连接在冷凝段上，在常规运行时，元器件运行期间生成的热量，将通过对流形式或辐射形式传输至工作环境中，热管中的工作介质达到饱和状态后，将蒸汽凝结成液体，再通过热管内部的芯毛细结构回流至热管的蒸发段，便能实现散热传热，达到保护设备的目的，避免设备运行过热引起的爆炸事故。热管散热器和整个防爆电气设备的电箱，会形成一个几乎没有缺陷的整体式防爆壳结构，既可以妥善处理爆炸性气体环境中多个电气设备运行而散热不良引起的散热风险，还可以解决电气设备运行期间的防爆问题，以此确保井下各个电气设备的稳定运行，也能够进一步提高各类机械设备的自动化运行水平，使防爆电气设备满足井下现场作业的实际需求。

(3)电气设备智能化技术的实践应用

井下作业环境恶劣。许多矿井使用的防爆型电器设备在研发、创新方面都受到了不同程度的制约，也在一定程度上影响了自动化集中控制系统的发展。在各类新材料、新技术、新理念持续更新的背景下，这类限制使得我国煤矿行业的发展面临尴尬的局面。而近些年，部分防爆电气设备厂家突破了重重环境限制，设计出了组合式、模块化、小型化的人工智能化防爆电气设备，其保护功能更加完善、性能更加可靠，操作及控制方式相对多元，可以随意组合、搭配，能够满足井下作业自动化集中控制的需求，还具备故障自检功能，为我国井下防爆领域的发展谱写了一页崭新的篇章。利用大批量的自动化集中控制系统，能大大减少井下作业的人力成本，也能有效规避部分人工作业时难以避免的技术失误或人为操作误差。将自动化集中控制系统与人工智能化煤矿井下防爆电气设备结合应用，实现了现代化智慧矿井的建设，能大幅度提升井下作业的安全系数。

人工智能化组合型防爆电气设备中，采用了智能化传感技术及微处理技术，可以通过数字通信系统，对电气设备目前的运行情况实时在线监管、诊断等。且人工智能化组合型防爆电气设备具有功能一体化、模块化、可视化特征，整个系统处于信息共享下，还具备就地诊断、远程诊断功能，可以实现网络化控制及程序化操作。功能一体化，指所有的在线监测系统、可视化设备及传感器等功能一体化，而模块化功能，可以使其具备随意更换、调换的功能，其内部搭载的可视化系统，能够实现设备内部的可视化监控以及组态画面与设备外部视频的可视化，可以实时监控整个设备运行过程，了解各个元器件的实际工作情况，便于及时察觉危险因素，并做出及时应对，避免事故发生或事故扩大。总而言之，人工智能化组合型防爆电气设备，可以通过对设备运行情况的系统监测，完成设备的故障处理，并提出相应的故障建议，能够最大限度地完成爆炸品事故的防范、预处理，使设备运行达到最理想的状态。

(4)隔爆外壳防爆技术

隔爆外壳具有较强的耐爆性和抑爆性，能有效遏制由设备自身高温或设备电火花引起的爆炸事故。在防爆电气设备外侧使用隔爆外壳，可以将电气运行期间产生的电火花与外界自然环境隔离开来，以免电火花喷射至具有爆炸性气体或可燃性气体的环境中，导致火灾或爆炸发生。

(5)安全电路防爆技术

在防爆电气设备运行过程中尽可能选用小电源、小电压，提高电路自身的安全系数。如果电路中电流过大，则应适当调整电路电阻，达到减小电流的目的，或加大整个电路中的能耗，削弱元件能量，将电路控制在安全范围内，以便在一定程度上排除爆炸隐患。同理，在设置防爆电气设备的运行电路时，也可以加设超前切断电源系统，给整个电气设备的电流通路加设一道安全防护措施。在某处电流值超出阈值时，便自动跳闸、断电。通常，超前切断电源系统多用于电气设备某处绝缘层损毁或发生机械损坏时，此时及时断电，便可将设备运行及电路造成的爆炸风险扼杀在摇篮中[5]。

(6)正压外壳技术

防爆电气设备也可以使用正压外壳，通过其压力平衡原理，达到防止设备自爆等目的。在系统内部压力高于周围爆炸性压力或强压性压力时，在压力平衡后，正压外壳便可以杜绝可燃性气体进入外壳内部，实现防爆。

(7)外壳充油技术

在井下作业时，在防爆电气设备外壳内充油，也可以在一定程度上避免设备爆炸。这类油的存在并不会导致设备燃烧，反而可以隔绝内部热源和外界的可燃物，可以达到防爆目的。

(8)外部填砂技术

针对设备自爆的问题，可以通过在设备外部进行填砂处理的方式解决，能有效避免设备自爆引起的周围环境爆炸。在设备内部爆炸或发生电火花时，在外壳覆盖的沙土能够隔绝设备内部的热量，降低了内部热量点燃外界可燃气体的风险。

4.结束语

煤矿井下作业的安全防护尤为重要。各煤矿企业务必要加大对井下作业的安全管理，以免发生安全事故造成严重的经济损失或人员伤亡事件。防爆电气设备可以在一定程度上降低井下作业的爆炸风险，继而提高煤矿井下作业的安全系数。为此，煤矿企业务必要加强井下防爆管理力度，积极使用冷磷化工艺技术、热管技术、智能化技术、隔爆外壳防爆技术、安全电路防爆技术、正压外壳技术、外壳充油技术、外部填砂技术等各类先进技术，与此同时，加大对新设备及新技术的研发力度，促进我国煤矿产业的可持续发展。