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(宁夏吴忠市消防支队 宁夏青铜峡 751600)
摘 要:煤矿井下瓦斯爆炸、煤尘爆炸会引起巨大的财产损失和重大的人员伤亡,采取有效技术措施将危险遏制在灾害发生或者进一步扩大是实现安全生产的重要手段.本文对煤矿瓦斯爆炸以及传播的原理和煤矿采用的抑爆隔爆技术进行了综和概述.
关键词:煤矿 爆轰 隔爆抑爆 淬熄 阻火器
中图分类号:TD712 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)11(c)-0039-02
大量的资料表明,矿井瓦斯的主要成分是甲烷,瓦斯爆炸可以看做甲烷气体在外界热源激发作用下剧烈的热化学反应过程,瓦斯爆炸所具备的基本条件是:瓦斯浓度处于瓦斯爆炸极限范围内5%—16%,氧气的最低浓度是12%,有 大于引燃瓦斯最小点火能的火源存在.事实上,甲烷爆炸的点火过程是由多个基元反应组合而成的支链型反应过程.矿井巷道中瓦斯爆炸传播是以冲击波方式传播的,根据传播时间和空间的推移,冲击波结构要发生变化,在起始阶段,以爆燃波(爆轰波)方式传播,随着甲烷气体燃烧完毕,则演变为单纯空气冲击波传播.在爆炸传播方式上,目前从实验和理论两个方面都证明,瓦斯爆炸冲击波在一般条件下,以爆燃波形式传播,但是在某些条件下 可能演变为爆轰波.由于冲击波和爆燃波的存在,可以判定瓦斯气体爆炸传播,实际上是冲击波和燃烧过程的藕合.根据冲击波传播特点,瓦斯爆炸传播存在显著的卷吸作用,即冲击波在传播过程中将携带经过地点的气体一同前进.所以说井下瓦斯爆炸是一个非常复杂的过程,包含物理过程、化学过程、热力学过程、传热传质过程的多相藕合与交叉.
巷道排险车:河南伊川煤矿爆炸巷道渗水有害气体阻碍救援进程
1.抑爆原理
抑爆隔爆是有效地减弱或控制爆炸灾害的重要手段,并在工业爆炸防治实践中得到了广泛的运用.“六五”以来,我国相继开展了各种阻隔爆技术的研究,取得了一定的进展.总的说来,抑制爆炸的原理有降温、惰性化、中止反应、阻隔、淬熄等.
1.1 温度对火灾爆炸的影响
根据链锁反应着火理论,要使系统不发生着火,或者使以着火系统灭火,必须使系统中的自由基增长速度(主要是链传递过程中由于链分支而引起的自由基增长)小于自由基的消毁速度,降低系统的温度,以减慢自由基的增长速度.因为在链传递过程中由链分支而产生的自由基是一个分解过程,需要吸收能量.温度高,自由基增长快,温度低,自由基增长慢.并且,火焰温度也影响着燃烧速度,就大多数混合物而言,燃烧速度的增加远较火焰温度的增加更快.因为在高温时易于发生分解反应,在很多的中间情况下使中间反应加速.所以降低了系统温度就能对发生爆炸起到一定的抑制作用.
1.2 惰性化对火灾爆炸的影响
惰化技术是在易燃易爆介质空间中加入惰性抑制剂,防止燃烧爆炸.抑制剂的作用或者是稀释爆炸混合物和氧气的浓度,使之不能支持爆炸,或者是终止燃烧过程的反应链,使燃烧反应不能进行.前者称为物理抑制剂,如化学活性差CO2、N2等物质,后者是化学抑制剂,如如卤代烃(哈龙)灭火剂1211(CF2ClBr).
惰化技术要求整个生产装置封闭,抑制剂始终充满可燃混合物的流动空间,抑制剂消耗大.惰性化技术是目前公认运行成本最高的技术.
2.抑爆技术
目前根据防止燃烧爆炸和扩散的各种机理,产生了很多的技术用于工业生产中,如高压水幕、岩粉棚、水袋、干粉灭火剂、隔火栅淬熄等.并且根据抑爆方式的不同,抑爆技术可分为被动式抑爆和自动式抑爆两大类.
2.1 被动式抑爆技术
被动式抑爆技术是利用爆炸激波自身的能量作用于预先设置在爆炸传播通道中的抑爆剂,形成一定区段的抑爆带,扑灭随后到达的传播火焰,同时耗散激波能量,防止形成过高压力,达到抑爆的目的.被动式抑爆剂可以是化学活性的,如ABC干粉(磷酸胺盐)、BC干粉(碳酸氢钠)等,也可以是化学惰性的,如岩粉、水等.隔爆水槽、水袋和岩粉棚,都是基本的被动隔爆方式.
根据被动式抑爆原理知道,其触发和消焰剂的喷撒都是由瓦斯、煤尘爆炸所产生的前驱爆炸波完成的.就井下巷道中隔爆棚布置图来说明其动作原理,当发生瓦斯、煤尘爆炸时,在爆炸火焰到达隔爆棚区前,爆炸产生的前驱爆炸波掀翻盛放岩粉的木板或使水槽、水袋破碎,形成弥漫飞扬状态的惰性岩粉或水雾,在巷道中形成扑灭火焰的抑制带,起到吸热、降温、阻燃的作用,使瓦斯煤尘爆炸火焰限制在爆源附近.
被动式抑爆装置最早采用撒布岩粉和设置普通岩粉棚,波兰、澳大利亚、南非、英国、美国等还制定了相应的标准,虽然爆炸传播的防止效果较好,但由于采煤机械化的普遍使用,采煤强度不断增大,所需风量增大,风速增加,使得工作环境恶劣,从而危害人体健康,再者,井下潮湿环境会使岩粉棚中干燥的岩粉吸湿结块,岩粉棚隔爆设施动作后减少、甚至失去飞扬能力,不能形成有效的岩粉烟,还易混入煤尘等可燃物,从而降低甚至失去隔爆性能.在对岩粉的惰性取样分析化验时,若发现可燃物含量超过设计规定,须更换岩粉,这给技术管理工作增加了难度.因此我国煤矿现在几乎不采用这两种方法.
2.2 自动式抑爆技术
自动式抑爆技术是通过传感器等敏感元件及时探测爆炸信号(如爆炸压力和爆炸火焰等),并通过控制单元快速触发抑爆剂喷洒装置动作,以高压引射或爆炸抛撒等方式喷洒抑爆剂,扑灭火焰和衰减爆炸激波,完成抑爆.适用于自动隔爆装置的抑制剂主要有液体抑制剂水、水加卤代烷,粉末无机盐类抑制剂和卤代烃.
相比被动式岩粉棚,主动式岩粉棚的成本高,使用数量少,一般仅安装在巷道网路复杂,空气干燥,可能发生地煤尘、瓦斯爆炸力弱的巷道(弱爆炸是指火焰速度小于100m/s的爆炸传播).被动式岩粉棚的隔爆性能很大程度上是由爆炸波和爆炸火焰决定的,而爆炸火焰和爆炸波又受爆源条件传播条件等、众多因素的影响,其隔爆性能具有随机的特点,是不稳定的,容易出现隔爆棚失效和隔爆效果差的问题,而主动式抑爆装置使用了先进的传感设备和计算机程序控制系统,抑爆性能比被动式岩粉棚好,虽然也不可能完全避免主动式抑爆装置会失效或发生误判断,相比来说主动式抑爆装置更加稳定可靠,它是井下粉体抑爆技术的发展趋势为了提高抑爆装置的可靠性和效率,需要改进抑爆装置的触发机制和抑爆剂释放速率控制技术,使抑爆装置能自动判和控制抑爆剂的喷撒时机和速度.
3.隔爆抑爆装置
3.1 隔爆水幕
自动隔爆水幕由4大部分组成:即水幕、球型阀门、开启杠杆和控制栏杆.水幕一般设5道,平行并联垂直于巷道,其一间隔距离为4m,每道水幕按喷头5～6个.球型阀门安设在水幕的进水侧.球心有一圆形孔,关闭状态时,孔与水流方向(或进水管径向)垂直.启动状态时,孔与水流方向平行.球型阀门两侧,一端接进水管,一端接为出水管.
控制杠杆是一根400mm长的细杆,一端焊接上托板,托板与细杆垂直(托板尺寸长110mm,宽25mm,厚3mm钢板制成),一端固定有长300mm,宽150mm的薄铁板构成,即为受力板,在靠近托板的一端有固定管卡,将控制杠杆固定在出水管的侧面.控制杠杆是通过一转轴与管卡联系在一起的,并可转动.当球型阀门处于关闭时,控制杠杆直立,其下端托板托着开启杠杆的一端,其上端受力板与巷道中线垂直.
自动隔爆水幕实质上是一组杠杆结构,其动作原理是:当爆炸波顺着巷道袭来时,冲击受力板,使控制杠杆上端朝球型阀方向转动,迫使下端托板与开启杠杆脱钩,同时开启杠杆在自身重力作用下向下摆动至垂直位置,开启球型阀门.于是供水管的压力通过球型阀、出水管而注进水幕,由各喷头喷出形成水幕,浸湿煤尘并降温,从而起到隔爆抑爆的作用.
3.2 阻火器
主要包括以下结构:(1)金属丝网结构,(2)金属丝编织结构,(3)波纹板式结构,(4)平行金属板结构,(5)填料式结构,(6)多孔薄板阻火器,(7)金属泡沫结构.
火结构最佳的性能是对火焰的淬熄,并且多数情况下是对爆燃火焰的淬熄.任何阻火装置,其本质特征在于它有一系列非常小的空穴、隙缝或者是小空间,所以对孔隙尺寸的要求特别严格,既期望获得较小流阻同时又要具有高效的阻火性能.
3.3 泄压泄爆装置
广义上的泄爆是指在爆炸初始阶段或爆炸扩展时,采取的使本来密闭的装置暂时地或持久地往无危险方向敞开的一切措施.
对爆炸性容器和装置,通过固定的开口及时泄压,保护设备不被炸毁和人员不受伤害.石化工业为防止设备内部因超压发生破坏而广泛采用泄压技术,设备一旦发生超压,设备的预定部位会立即敞开一条泄放通道,将造成超压的“多余”能量和(或)物料排放到设备以外的安全处,使设备内压力始终保持在某一规定值以内,从而避免设备造成过度塑性变形甚至破裂.
4.新技术的产生与发展
防止瓦斯爆炸最积极的措施是阻止甲烷与空气(或氧气)混合形成爆炸混合物.这可采用爆炸抑制的方法来实现,即在巷道中用阻燃性等惰性气体(如二氧化碳、氮气等)部分地取代空气中的氧气(不能全部取代,因为工作人员需要充足的空气供以呼吸),使爆炸失去一个必要条件—— 足够的氧气浓度.然而,这种措施往往会使运行论文范文大大增加,且其应用场合有限,不能适用于非密闭系统等.
遏制系统是把瓦斯等可燃气体爆炸事故控制在初始阶段或局部区域,降低灾害损失的程度和范围.该技术通常利用爆炸探测器感应初始爆炸,中心控制单元触发抑制剂喷洒动作,扑灭爆炸火焰,防止设备或巷道空间产生过高的压力.但是设备的维护量(电子仪器)相当大,比如探测器反应要十分敏感,以便能及时地将爆炸信号传送给抑制喷洒器,并且喷洒器要以比爆炸传播速度更大的速度,才能发挥作用,另外,易损耗的抑制剂(水、岩粉等)要经常更换,加大工人工作量.而事实上,在井下巷道这样大尺寸场合内抑爆隔爆装置往往不能发挥有效的抑制作用甚至普遍存在失效的情况.虽然实际已证明爆炸遏制是一种有效的防护措施,但由于上述原因,它在工业上推广使用比较缓慢.
爆炸灾害的抑制,不仅是对火焰传播的抑制,其本质是流场中悬浮态抑爆剂对反应激波的抑制和衰减,还包括火焰和激波之间的相互耦合过程.因此,石化工业中淬熄技术在巷道尺寸大、环境复杂、爆炸强度大的煤矿井下很难实施,但是根据现有瓦斯抽放系统存在的问题,可以将阻火器结构用于煤矿低浓度瓦斯输送管道中回火的淬熄,也可以将金属网阻火结构安设于真空腔内,销毁火焰在该结构表面上碰撞的自由基,从而阻止燃烧反应,抑制火焰传播.
5.结语
目前我国煤矿使用的阻隔爆技术主要有岩粉棚、ABC干粉灭火剂、隔爆水槽、水袋、水幕等,这些技术在一定范围内可以有效地抑制爆炸的发生,并限制爆炸的进一步扩大,但都有自己的缺陷,适用范围受限大.中国矿业大学的真空腔技术目前在实验室方面取得了很好的抑爆效果,为现场应用提供理论基础.煤矿用阻隔防爆技术需要进一步的研究,采取综合的阻隔防爆措施以确保煤矿的安全.同时,其他行业的爆炸事故也逐渐增多,需要开发研究其他技术领域的阻隔防爆技术.
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