抑製煤礦瓦斯爆炸傳播的新技術設想

抑製煤礦瓦斯爆炸傳播的新技術設想

煤礦瓦斯爆炸，包括其他氣體或工業煤塵爆炸，通常具有爆源物質分布範圍廣、能量釋放時間長等特點，一旦發生爆炸，往往由於現場工藝設備(如礦車、防護支架等)、坑道或管壁麵等障礙物群作用而發生火焰加速的現象，火焰和壓力波耦合作用，導致災害程度和作用範圍增大。特別地，在可燃氣體爆炸傳播管道具有較大長徑比的情況下，甚至可能發生爆燃向爆轟的轉變。目前我國煤礦主要以井下開采為主，現行的采煤工藝往往造成巷道和設備表麵沉積大量的煤塵，因此發生的瓦斯爆炸往往會沿著井下巷道、硐室或采掘工作麵傳播，引發多次連續爆炸，從而使爆炸02manbetx.com 迅速殃及鄰近工作麵、整個采區，甚至是全礦井。煤礦中長期以來使用的抑爆隔爆技術存在這樣或那樣的不足，已不能滿足形勢發展的需要，因此，如何及時、有效、可靠地將瓦斯爆炸傳播災害控製在局部範圍，減弱或降低爆炸災害帶來的損失，探索新型阻火抑爆材料和結構，已成為煤礦安全生產中迫切需要解決的問題。目前石油化工工業中廣泛應用的幾種阻火結構如金屬網型、波紋型等，因其對火焰有淬熄作用，對壓力波有抑製作用而逐漸被人們所重視，這些阻火結構不僅能淬熄以亞音速傳播的爆燃火焰，還能淬熄以超音速運動的爆轟火焰，並能承受爆轟波所產生的巨大壓力。受此啟發，本文提出將阻火器結構和材料用於煤炭工業，降低瓦斯爆炸傳播過程中火焰和壓力的破壞程度的設想，為煤礦阻隔爆技術開拓出新的領域。

1 礦用阻隔爆裝置失效03manbetx

作為我國煤礦控製或減弱瓦斯爆炸的主要手段之一，碾爆抑爆技術的主要目的是把已經發生的爆炸控製在一定範圍內並撲滅，防止瓦斯/煤塵爆炸沿巷道傳播到氣體工作麵、采區，甚至整個礦井。目前國內外抑製爆炸的原理有：降溫、惰性化、中止反應、阻隔、淬熄等；采用的手段如：高壓水幕、岩粉棚、水袋、幹粉滅火劑、隔火柵淬熄等。“六五”以來，我國開發研製成功了係列煤礦隔爆抑爆裝置，並在煤礦和其他工業爆炸防治中得到了廣泛的運用。根據抑爆方式的不同，抑爆技術可分為被動式抑爆和自動式抑爆兩大類。

發生爆炸的初期，爆炸火焰鋒麵超前於爆炸壓力波向前傳播，隨著爆炸反應的繼續和加強，壓力波逐漸趕上並超前於火焰鋒麵傳播，兩者之間有一時問差。被動式隔爆技術就是基於這一規律，利用爆炸激波自身的能量作用於預先設置在爆炸傳播通道中的抑爆劑，形成一定區段的抑爆帶，撲滅隨後到達的傳播火焰，同時耗散激渡能量，防止形成過高壓力，達到抑爆的目的。如隔爆水槽、水袋和岩粉棚等，都屬於被動隔爆裝置，大量02manbetx.com 03manbetx 表明它們在使用中不能有效地發揮作用。

比如，水棚的水分易蒸發、缺失，需要經常衝水、換水，增加工人的工作量和勞動強度，尤其是在風量大、氣溫高的采區，水中易混入礦塵，造成滅火水霧因水量不足而不能有效隔斷爆炸火焰的傳播。回采巷道中的水袋棚，按設計規定應該采用易脫鉤吊掛的方式，但實際應用中的水袋棚卻多用鐵絲拴吊於棚梁上，使得這一被動形式的隔爆設施在動作時霧化愈加不充分，大大降低隔爆效果。另外，如果阻隔爆裝置的動作壓力過低，即靈敏度過高，則火焰前麵較遠處前驅壓力波的較低衝擊壓力會使阻隔爆裝置開始動作，在火焰到達前就釋放出了抑製劑，這樣在火焰到達阻隔爆裝置位置時，由於抑製劑已被提前釋放出來，且因重力作用大部分已沉落到巷道的底板上，隻剩下懸浮在空間中濃度較低的抑製劑。雖然含有抑製劑的瓦斯氣體可能超出了爆炸極限，但由於爆炸火焰具有較高的內聚力和較好的整體性，火焰仍可能在巨大的爆炸產物壓力的推動下，穿過該區域並引爆前麵的瓦斯氣體而繼續向前傳播，阻隔9 7 3 1 2 3 4 4 8 : 來源：湖北安全生產信息網

爆裝置起不到應起的作用。如果阻隔爆裝置的動作壓力高於前驅壓力波的壓力，或阻隔爆裝置的動作延遲時間超過了火焰到達裝置所需的時間，其釋放的抑製劑就會降落在火焰區後部，甚至落在火焰區之後，則未受到抑製劑影響的火焰前部就會繼續向前傳播，阻隔爆裝置也起不到阻隔爆的作用。

自動式抑爆技術是通過傳感器等敏感元件及時探測爆炸信號(如爆炸壓力和爆炸火焰等)，並通過控製單元快速觸發抑爆劑噴灑裝置動作，以高壓引射或爆炸拋灑等方式噴灑抑爆劑，撲滅火焰和衰減爆炸激波，完成抑爆。
nbsp; 圖1所示為一典型的用抑爆劑抑製爆炸波的原理。一旦容器內可燃氣體燃燒爆炸，在爆炸初期傳感器即可發現爆炸信號，並迅速打開抑製劑係統向容器內噴灑抑製劑，同時命令位於氣體進口和出口位置的隔爆裝置動作，將容器內燃燒火源與所有相連管線隔離，撲滅火焰，控製爆炸的發生。

圖1 抑製劑抑製爆破波原理

適用於自動隔爆裝置的抑製劑主要有液體抑製劑、水加鹵代烷、粉末無機鹽類抑製劑和鹵代烷。鹵代烷有二氟一氯一溴甲烷，雖然滅火效果好，但它有破壞臭氧層的缺點，已經開始禁用。對於傳播速度較低的火焰來說，抑爆劑可采用惰性粉末或水霧，通過物理機製消除火焰的能量；也可采用粉狀的有機酸鹽、碳酸鹽和碳酸氫鹽一類的化學物質(如單銨磷酸鹽)，它們能夠利用火焰的能量發生反應，產生二氧化碳，而後者是一種耐用又有效的抑爆物質。然而對於爆轟這樣的高速傳播過程，若依然采用上述技術則要求有靈敏度更高的閥門和更有效的抑爆劑，在易發生瓦斯爆炸的管道沿線建立一係列的抑爆劑噴射裝置，通過電子控製的高靈敏度閥門與管道相通。一旦在某處出現爆炸，其上遊和下遊的閥門隨即自動開啟，抑爆劑噴入管道，抑製爆炸的蔓延。在目前階段，即便技術上能滿足要求，其昂貴的成本也會使絕大多數使用單位望而卻步。

2 阻火器性能及其研究

阻火器(又名防火器、隔火器)是用來阻止易燃氣體和易燃液體、蒸氣的火焰蔓延的安全裝置。工業中應用最早的阻火裝置是19世紀初期英國漢弗萊•戴維(Humphrey Davy)的礦工安全燈，1928年阻火器應用於石油工業，以後又廣泛應用於礦山、煤礦、水運及化學工業等部門。

2.1 阻火器性能

阻火器由外殼、阻火芯及附屬配件組成。其基本原理為淬熄，當火焰、熱氣體快速穿過阻火器時，通過阻火元件的孔壁向外釋放熱量，火焰、熱氣體在完全穿過阻火器之前充分冷卻，實現阻火。其應用的場所包括可燃氣體輸送係統、可燃氣體及液體儲罐等等，安裝在轉運可燃氣體的管道網中，防止在非正常條件下氣體爆燃或爆轟火焰沿管道傳播，但不影響氣體通過，所以工業上期望獲得較小流阻而能有效阻火的高性能阻火器。

阻火器分類方式有很多種，按阻火器結構分為金屬網型、波紋型、平行板型、多孔板型等。較典型的分類方式是按可燃預混氣體燃燒環境不同進行的，有以下3類：

(1)無約束空間爆燃過程。火焰在儲罐或管道外燃燒，此時采用“管端型”阻燃阻火器，它安裝在管道的頂端，作為放空通大氣，阻止大氣中火焰傳入管道內。

(2)受限空間爆燃過程。火焰在管道中傳播，起初以亞音速沿管道傳播，此時使用“管線型”阻燃阻火器，它安裝在管道線路上，其兩側與管道相接，用於阻止亞音速火焰從上遊傳入下遊管道。

(3)爆轟過程。火焰以音9 7 3 1 2 3 4 4 8 : 來源：湖北安全生產信息網

速甚至超音速沿著管道傳播，並伴隨著衝擊波，此時使用“管線型”阻爆轟阻火器，用於阻止超音速火焰通過。

2.2 相關研究

目前，阻火結構能夠使火焰淬熄的理論有兩種，這在文獻中有詳細敘述。一種是熱理論，火焰和器壁進行熱量傳遞，降低了通過介質的溫度；一種是連鎖反應理論(器壁效應)，即火焰在結構表麵上碰撞失去了自由基，從而燃燒反應停止，阻止了火焰傳播。而對於阻火結構的壓力波抑製理論則未見報道。

煤礦瓦斯爆炸時的火焰多以超音速傳播，因此能用於煤礦的必須是上述第3種阻火結構，金屬網結構和波紋結構就是其中的代表，其結構如圖2所示。

圖2 波紋結構示意

金屬網結構是由具有一定目數和孔徑的單層或多層的金屬網重疊起來組成的，阻火效果取決於層數和目數。一般同一目數的金屬網，隨著層數增加，阻火效果也隨之增加，但有一定限度。金屬網目數過多或者層數過多，都會增加流體的阻力。因其體積小、重量輕、誶熄性能好，多層絲網結構成為了最常用的阻火結構，許多學者也致力於爆炸波在絲網結構中傳播的研究。日本的北條英光、津田健等人曾對管內多層絲網結構的淬熄性能做過係統的研究，研究發現臨界淬熄速度與金屬絲網幾何參數(體積空間率、絲網目數、金屬絲直徑等)之間有一定的關係，還發現絲網的淬熄性能與其材質無關。網孔結構對火焰的淬熄作用也可用熱理論和連鎖反應理論(器壁效應)兩種理論來解釋。王振成和小川輝繁就不同的火焰速度，用適合的金屬網參數進行了研究，得出臨界消焰速度和金屬網形狀參數係數(線徑/孔寬)以及金屬網層數之間的實驗公式，指出金屬網結構不僅有消焰性能，而且具有泄壓作用。喻健良等人在前人基礎上，研究了多層不鏽鋼絲網結構在內徑為81mm、長度從1.4-2.9m可調的圓形管內對乙炔一空氣爆炸火焰和壓力波傳播的影響，確定臨界淬熄速度、臨界淬熄壓差是衡量某一抑爆結構淬熄性能的重要指標，首次提出臨界淬熄量和臨界淬熄壓差的概念，得到了金屬網的幾何參數與臨界淬熄速度、臨界淬熄壓差、淬熄量和最大超壓值下降比率之間關係的經驗公式。此研究未能確定火焰發生淬熄的原因究竟是熱理論還是連鎖反應理論(器壁效應)，依據實驗數據得到的經驗公式以及火焰淬熄和壓力波抑製方麵的一些結論都是基於對40目和60目2種不鏽鋼絲網而言的，不具普適性。

波紋型阻火器的阻火層由鋁、銅、黃銅、不鏽鋼、銅鎳合金等材料壓製成的薄波紋板組成，如將一條波紋薄帶與一條薄平板帶繞在芯子上，則可形成小三角形的通道，即組成了波紋型阻火器。如圖3所示是一種高效換熱器，當火焰穿過三角形單元時，其前沿和阻火器內壁發生能量交換，把熱量從燃燒著的氣體中盡快移走，氣體溫度迅速降至安全水平(低於自燃點)，阻止裝置某部位發生的爆炸或火災傳遞到另一部位。其使用特點：有效截麵大、流動阻力小、阻爆燃的範圍比較大、阻火層易置換清洗；但製造技術要求高、成本較高；適用於石油儲罐、油氣係統及其他燃氣輸送係統的管道。

最具發展潛力的是波紋阻火器，生產時很容易變換其結構形狀，達到有效淬熄火焰的目的，因此在沒有找到完全新型結構之前它不失為一種良好的阻火結構。圖4就是燃燒爐/火炬係統過程中用於抑爆的不鏽鋼波紋板阻火器盤，它由平滑和波紋鋼帶交替纏繞而成，二者間所形成的微小空隙即為介質或火焰的通道。圖中空隙尺寸即為阻火盤標準化生產的重要參數。火焰一旦抵達阻火盤，即被切割成無數小塊，通過火焰和鋼帶間的熱傳導作用，火焰被冷卻、熄滅，達到滅火目的。根據阻火器的安裝位置離火源的距離，即所謂管道長與直徑比(L/D)，我們可選擇阻爆轟型或者阻爆燃型阻火器。阻爆燃型阻火器適用於L/D<50，阻爆轟型阻火器則可安裝在管道任何位置，無需顧及L/D值。朝向火焰的阻火盤上通常要安插一溫度探測計，以探測可能發生在阻火盤上的穩定燃燒。

圖4 不鏽鋼波紋板阻火器盤

對於波紋結構(三角形孔)的研究，早在1963年K.N.Palmer和Tonkin就研究了丙烷空氣爆燃火焰通過這種阻火結構時的淬熄規律，並給出了火焰傳播速度與三角形孔徑(體現在單位麵積上三角形孔的數量)及淬熄長度的關係，並得到實驗結果的支持。1972年Rogowski和Ames研究了波紋板阻火器表麵的駐定火焰燃燒現象，即阻火器的耐燒實驗，給出了在一定燃氣流量下阻火芯表麵溫升與時間的關係。1997年周凱元等人基於丙烷一空氣爆燃火焰在平行板狹縫中淬熄現象的理論研究結果，采用相似的實驗裝置對我國在20世紀80年代末期新研製的波紋板阻火器的阻火性能做了實驗研究，並從理論模型研究中所得到的結論出發導出了正三角形波紋高h，波紋板阻火器的阻火芯厚度L與爆燃火焰速度的關係，給出了適用於ⅡA類可燃氣與空氣混合物爆燃火焰的阻火器參數計算公式。

3 阻火結構抑製煤礦瓦斯爆炸傳播的設想

(1)金屬網和波紋結構簡單，形狀易改變，對氣體流動阻力小。

(2)火焰淬熄性能。目前研究均是在微小管道中布置阻火結構，生產廠家提供的阻火結構相應較小，比如焊接金屬蜂窩結構的直徑還不到5cm。但是淬熄性能是阻火結構具有的最基本特性，在煤礦瓦斯爆炸傳播的大尺寸管道中，布置適合尺寸的阻火結構後，一樣可以使火焰淬熄。

(3)泄壓特性。金屬同結構具有泄壓作用，而性能比它更好的波紋結構一定也具有此特性。

基於目前阻火結構抑製瓦斯爆炸傳播的研究空白，下一步工作就是在瓦斯爆炸實驗室管道中對金屬網結構和波紋結構的抑製特性進行研究，03manbetx 其抑製機理，並通過阻火結構抑製性能的實驗對比，找出最佳吸波吸能結構，以解決目前礦用阻隔爆裝置不適應現場需要的矛盾。這種隔爆技術的研究成功，可為煤礦阻隔爆技術提供一種新的思路。