抑制煤礦瓦斯爆炸傳播的新技術(shù)設(shè)想

抑制煤礦瓦斯爆炸傳播的新技術(shù)設(shè)想

煤礦瓦斯爆炸，包括其他氣體或工業(yè)煤塵爆炸，通常具有爆源物質(zhì)分布范圍廣、能量釋放時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，一旦發(fā)生爆炸，往往由于現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備(如礦車(chē)、防護(hù)支架等)、坑道或管壁面等障礙物群作用而發(fā)生火焰加速的現(xiàn)象，火焰和壓力波耦合作用，導(dǎo)致災(zāi)害程度和作用范圍增大。特別地，在可燃?xì)怏w爆炸傳播管道具有較大長(zhǎng)徑比的情況下，甚至可能發(fā)生爆燃向爆轟的轉(zhuǎn)變。目前我國(guó)煤礦主要以井下開(kāi)采為主，現(xiàn)行的采煤工藝往往造成巷道和設(shè)備表面沉積大量的煤塵，因此發(fā)生的瓦斯爆炸往往會(huì)沿著井下巷道、硐室或采掘工作面?zhèn)鞑?，引發(fā)多次連續(xù)爆炸，從而使爆炸事故迅速殃及鄰近工作面、整個(gè)采區(qū)，甚至是全礦井。煤礦中長(zhǎng)期以來(lái)使用的抑爆隔爆技術(shù)存在這樣或那樣的不足，已不能滿(mǎn)足形勢(shì)發(fā)展的需要，因此，如何及時(shí)、有效、可靠地將瓦斯爆炸傳播災(zāi)害控制在局部范圍，減弱或降低爆炸災(zāi)害帶來(lái)的損失，探索新型阻火抑爆材料和結(jié)構(gòu)，已成為煤礦安全生產(chǎn)中迫切需要解決的問(wèn)題。目前石油化工工業(yè)中廣泛應(yīng)用的幾種阻火結(jié)構(gòu)如金屬網(wǎng)型、波紋型等，因其對(duì)火焰有淬熄作用，對(duì)壓力波有抑制作用而逐漸被人們所重視，這些阻火結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)的爆轟火焰，并能承受爆轟波所產(chǎn)生的巨大壓力。受此啟發(fā)，本文提出將阻火器結(jié)構(gòu)和材料用于煤炭工業(yè)，降低瓦斯爆炸傳播過(guò)程中火焰和壓力的破壞程度的設(shè)想，為煤礦阻隔爆技術(shù)開(kāi)拓出新的領(lǐng)域。

1 礦用阻隔爆裝置失效分析

作為我國(guó)煤礦控制或減弱瓦斯爆炸的主要手段之一，碾爆抑爆技術(shù)的主要目的是把已經(jīng)發(fā)生的爆炸控制在一定范圍內(nèi)并撲滅，防止瓦斯/煤塵爆炸沿巷道傳播到氣體工作面、采區(qū)，甚至整個(gè)礦井。目前國(guó)內(nèi)外抑制爆炸的原理有：降溫、惰性化、中止反應(yīng)、阻隔、淬熄等；采用的手段如：高壓水幕、巖粉棚、水袋、干粉滅火劑、隔火柵淬熄等?！傲濉币詠?lái)，我國(guó)開(kāi)發(fā)研制成功了系列煤礦隔爆抑爆裝置，并在煤礦和其他工業(yè)爆炸防治中得到了廣泛的運(yùn)用。根據(jù)抑爆方式的不同，抑爆技術(shù)可分為被動(dòng)式抑爆和自動(dòng)式抑爆兩大類(lèi)。

發(fā)生爆炸的初期，爆炸火焰鋒面超前于爆炸壓力波向前傳播，隨著爆炸反應(yīng)的繼續(xù)和加強(qiáng)，壓力波逐漸趕上并超前于火焰鋒面?zhèn)鞑?，兩者之間有一時(shí)問(wèn)差。被動(dòng)式隔爆技術(shù)就是基于這一規(guī)律，利用爆炸激波自身的能量作用于預(yù)先設(shè)置在爆炸傳播通道中的抑爆劑，形成一定區(qū)段的抑爆帶，撲滅隨后到達(dá)的傳播火焰，同時(shí)耗散激渡能量，防止形成過(guò)高壓力，達(dá)到抑爆的目的。如隔爆水槽、水袋和巖粉棚等，都屬于被動(dòng)隔爆裝置，大量事故分析表明它們?cè)谑褂弥胁荒苡行У匕l(fā)揮作用。

比如，水棚的水分易蒸發(fā)、缺失，需要經(jīng)常沖水、換水，增加工人的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，尤其是在風(fēng)量大、氣溫高的采區(qū)，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?；夭上锏乐械乃?，按設(shè)計(jì)規(guī)定應(yīng)該采用易脫鉤吊掛的方式，但實(shí)際應(yīng)用中的水袋棚卻多用鐵絲拴吊于棚梁上，使得這一被動(dòng)形式的隔爆設(shè)施在動(dòng)作時(shí)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(dòng)作壓力過(guò)低，即靈敏度過(guò)高，則火焰前面較遠(yuǎn)處前驅(qū)壓力波的較低沖擊壓力會(huì)使阻隔爆裝置開(kāi)始動(dòng)作，在火焰到達(dá)前就釋放出了抑制劑，這樣在火焰到達(dá)阻隔爆裝置位置時(shí)，由于抑制劑已被提前釋放出來(lái)，且因重力作用大部分已沉落到巷道的底板上，只剩下懸浮在空間中濃度較低的抑制劑。雖然含有抑制劑的瓦斯氣體可能超出了爆炸極限，但由于爆炸火焰具有較高的內(nèi)聚力和較好的整體性，火焰仍可能在巨大的爆炸產(chǎn)物壓力的推動(dòng)下，穿過(guò)該區(qū)域并引爆前面的瓦斯氣體而繼續(xù)向前傳播，阻隔9 7 3 1 2 3 4 4 8 : 來(lái)源：湖北安全生產(chǎn)信息網(wǎng)

爆裝置起不到應(yīng)起的作用。如果阻隔爆裝置的動(dòng)作壓力高于前驅(qū)壓力波的壓力，或阻隔爆裝置的動(dòng)作延遲時(shí)間超過(guò)了火焰到達(dá)裝置所需的時(shí)間，其釋放的抑制劑就會(huì)降落在火焰區(qū)后部，甚至落在火焰區(qū)之后，則未受到抑制劑影響的火焰前部就會(huì)繼續(xù)向前傳播，阻隔爆裝置也起不到阻隔爆的作用。

自動(dòng)式抑爆技術(shù)是通過(guò)傳感器等敏感元件及時(shí)探測(cè)爆炸信號(hào)(如爆炸壓力和爆炸火焰等)，并通過(guò)控制單元快速觸發(fā)抑爆劑噴灑裝置動(dòng)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制爆炸波的原理。一旦容器內(nèi)可燃?xì)怏w燃燒爆炸，在爆炸初期傳感器即可發(fā)現(xiàn)爆炸信號(hào)，并迅速打開(kāi)抑制劑系統(tǒng)向容器內(nèi)噴灑抑制劑，同時(shí)命令位于氣體進(jìn)口和出口位置的隔爆裝置動(dòng)作，將容器內(nèi)燃燒火源與所有相連管線隔離，撲滅火焰，控制爆炸的發(fā)生。

圖1 抑制劑抑制爆破波原理

適用于自動(dòng)隔爆裝置的抑制劑主要有液體抑制劑、水加鹵代烷、粉末無(wú)機(jī)鹽類(lèi)抑制劑和鹵代烷。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(diǎn)，已經(jīng)開(kāi)始禁用。對(duì)于傳播速度較低的火焰來(lái)說(shuō)，抑爆劑可采用惰性粉末或水霧，通過(guò)物理機(jī)制消除火焰的能量；也可采用粉狀的有機(jī)酸鹽、碳酸鹽和碳酸氫鹽一類(lèi)的化學(xué)物質(zhì)(如單銨磷酸鹽)，它們能夠利用火焰的能量發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳，而后者是一種耐用又有效的抑爆物質(zhì)。然而對(duì)于爆轟這樣的高速傳播過(guò)程，若依然采用上述技術(shù)則要求有靈敏度更高的閥門(mén)和更有效的抑爆劑，在易發(fā)生瓦斯爆炸的管道沿線建立一系列的抑爆劑噴射裝置，通過(guò)電子控制的高靈敏度閥門(mén)與管道相通。一旦在某處出現(xiàn)爆炸，其上游和下游的閥門(mén)隨即自動(dòng)開(kāi)啟，抑爆劑噴入管道，抑制爆炸的蔓延。在目前階段，即便技術(shù)上能滿(mǎn)足要求，其昂貴的成本也會(huì)使絕大多數(shù)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(lái)阻止易燃?xì)怏w和易燃液體、蒸氣的火焰蔓延的安全裝置。工業(yè)中應(yīng)用最早的阻火裝置是19世紀(jì)初期英國(guó)漢弗萊•戴維(Humphrey Davy)的礦工安全燈，1928年阻火器應(yīng)用于石油工業(yè)，以后又廣泛應(yīng)用于礦山、煤礦、水運(yùn)及化學(xué)工業(yè)等部門(mén)。

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(dāng)火焰、熱氣體快速穿過(guò)阻火器時(shí)，通過(guò)阻火元件的孔壁向外釋放熱量，火焰、熱氣體在完全穿過(guò)阻火器之前充分冷卻，實(shí)現(xiàn)阻火。其應(yīng)用的場(chǎng)所包括可燃?xì)怏w輸送系統(tǒng)、可燃?xì)怏w及液體儲(chǔ)罐等等，安裝在轉(zhuǎn)運(yùn)可燃?xì)怏w的管道網(wǎng)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(guò)，所以工業(yè)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(lèi)方式有很多種，按阻火器結(jié)構(gòu)分為金屬網(wǎng)型、波紋型、平行板型、多孔板型等。較典型的分類(lèi)方式是按可燃預(yù)混氣體燃燒環(huán)境不同進(jìn)行的，有以下3類(lèi)：

(1)無(wú)約束空間爆燃過(guò)程?；鹧嬖趦?chǔ)罐或管道外燃燒，此時(shí)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?zhèn)魅牍艿纼?nèi)。

(2)受限空間爆燃過(guò)程。火焰在管道中傳播，起初以亞音速沿管道傳播，此時(shí)使用“管線型”阻燃阻火器，它安裝在管道線路上，其兩側(cè)與管道相接，用于阻止亞音速火焰從上游傳入下游管道。

(3)爆轟過(guò)程?；鹧嬉砸? 7 3 1 2 3 4 4 8 : 來(lái)源：湖北安全生產(chǎn)信息網(wǎng)

速甚至超音速沿著管道傳播，并伴隨著沖擊波，此時(shí)使用“管線型”阻爆轟阻火器，用于阻止超音速火焰通過(guò)。

2.2 相關(guān)研究

目前，阻火結(jié)構(gòu)能夠使火焰淬熄的理論有兩種，這在文獻(xiàn)中有詳細(xì)敘述。一種是熱理論，火焰和器壁進(jìn)行熱量傳遞，降低了通過(guò)介質(zhì)的溫度；一種是連鎖反應(yīng)理論(器壁效應(yīng))，即火焰在結(jié)構(gòu)表面上碰撞失去了自由基，從而燃燒反應(yīng)停止，阻止了火焰?zhèn)鞑?。而?duì)于阻火結(jié)構(gòu)的壓力波抑制理論則未見(jiàn)報(bào)道。

煤礦瓦斯爆炸時(shí)的火焰多以超音速傳播，因此能用于煤礦的必須是上述第3種阻火結(jié)構(gòu)，金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)和波紋結(jié)構(gòu)就是其中的代表，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 波紋結(jié)構(gòu)示意

金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)是由具有一定目數(shù)和孔徑的單層或多層的金屬網(wǎng)重疊起來(lái)組成的，阻火效果取決于層數(shù)和目數(shù)。一般同一目數(shù)的金屬網(wǎng)，隨著層數(shù)增加，阻火效果也隨之增加，但有一定限度。金屬網(wǎng)目數(shù)過(guò)多或者層數(shù)過(guò)多，都會(huì)增加流體的阻力。因其體積小、重量輕、誶熄性能好，多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)成為了最常用的阻火結(jié)構(gòu)，許多學(xué)者也致力于爆炸波在絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中傳播的研究。日本的北條英光、津田健等人曾對(duì)管內(nèi)多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的淬熄性能做過(guò)系統(tǒng)的研究，研究發(fā)現(xiàn)臨界淬熄速度與金屬絲網(wǎng)幾何參數(shù)(體積空間率、絲網(wǎng)目數(shù)、金屬絲直徑等)之間有一定的關(guān)系，還發(fā)現(xiàn)絲網(wǎng)的淬熄性能與其材質(zhì)無(wú)關(guān)。網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)對(duì)火焰的淬熄作用也可用熱理論和連鎖反應(yīng)理論(器壁效應(yīng))兩種理論來(lái)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(wǎng)參數(shù)進(jìn)行了研究，得出臨界消焰速度和金屬網(wǎng)形狀參數(shù)系數(shù)(線徑/孔寬)以及金屬網(wǎng)層數(shù)之間的實(shí)驗(yàn)公式，指出金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，研究了多層不銹鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)在內(nèi)徑為81mm、長(zhǎng)度從1.4-2.9m可調(diào)的圓形管內(nèi)對(duì)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(jié)構(gòu)淬熄性能的重要指標(biāo)，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(wǎng)的幾何參數(shù)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(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。此研究未能確定火焰發(fā)生淬熄的原因究竟是熱理論還是連鎖反應(yīng)理論(器壁效應(yīng))，依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗(yàn)公式以及火焰淬熄和壓力波抑制方面的一些結(jié)論都是基于對(duì)40目和60目2種不銹鋼絲網(wǎng)而言的，不具普適性。

波紋型阻火器的阻火層由鋁、銅、黃銅、不銹鋼、銅鎳合金等材料壓制成的薄波紋板組成，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(dāng)火焰穿過(guò)三角形單元時(shí)，其前沿和阻火器內(nèi)壁發(fā)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(低于自燃點(diǎn))，阻止裝置某部位發(fā)生的爆炸或火災(zāi)傳遞到另一部位。其使用特點(diǎn)：有效截面大、流動(dòng)阻力小、阻爆燃的范圍比較大、阻火層易置換清洗；但制造技術(shù)要求高、成本較高；適用于石油儲(chǔ)罐、油氣系統(tǒng)及其他燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)的管道。

最具發(fā)展?jié)摿Φ氖遣y阻火器，生產(chǎn)時(shí)很容易變換其結(jié)構(gòu)形狀，達(dá)到有效淬熄火焰的目的，因此在沒(méi)有找到完全新型結(jié)構(gòu)之前它不失為一種良好的阻火結(jié)構(gòu)。圖4就是燃燒爐/火炬系統(tǒng)過(guò)程中用于抑爆的不銹鋼波紋板阻火器盤(pán)，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(zhì)或火焰的通道。圖中空隙尺寸即為阻火盤(pán)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的重要參數(shù)。火焰一旦抵達(dá)阻火盤(pán)，即被切割成無(wú)數(shù)小塊，通過(guò)火焰和鋼帶間的熱傳導(dǎo)作用，火焰被冷卻、熄滅，達(dá)到滅火目的。根據(jù)阻火器的安裝位置離火源的距離，即所謂管道長(zhǎng)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于L/D<50，阻爆轟型阻火器則可安裝在管道任何位置，無(wú)需顧及L/D值。朝向火焰的阻火盤(pán)上通常要安插一溫度探測(cè)計(jì)，以探測(cè)可能發(fā)生在阻火盤(pán)上的穩(wěn)定燃燒。

圖4 不銹鋼波紋板阻火器盤(pán)

對(duì)于波紋結(jié)構(gòu)(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(guò)這種阻火結(jié)構(gòu)時(shí)的淬熄規(guī)律，并給出了火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c三角形孔徑(體現(xiàn)在單位面積上三角形孔的數(shù)量)及淬熄長(zhǎng)度的關(guān)系，并得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持。1972年Rogowski和Ames研究了波紋板阻火器表面的駐定火焰燃燒現(xiàn)象，即阻火器的耐燒實(shí)驗(yàn)，給出了在一定燃?xì)饬髁肯伦杌鹦颈砻鏈厣c時(shí)間的關(guān)系。1997年周凱元等人基于丙烷一空氣爆燃火焰在平行板狹縫中淬熄現(xiàn)象的理論研究結(jié)果，采用相似的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)我國(guó)在20世紀(jì)80年代末期新研制的波紋板阻火器的阻火性能做了實(shí)驗(yàn)研究，并從理論模型研究中所得到的結(jié)論出發(fā)導(dǎo)出了正三角形波紋高h(yuǎn)，波紋板阻火器的阻火芯厚度L與爆燃火焰速度的關(guān)系，給出了適用于ⅡA類(lèi)可燃?xì)馀c空氣混合物爆燃火焰的阻火器參數(shù)計(jì)算公式。

3 阻火結(jié)構(gòu)抑制煤礦瓦斯爆炸傳播的設(shè)想

(1)金屬網(wǎng)和波紋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形狀易改變，對(duì)氣體流動(dòng)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(jié)構(gòu)，生產(chǎn)廠家提供的阻火結(jié)構(gòu)相應(yīng)較小，比如焊接金屬蜂窩結(jié)構(gòu)的直徑還不到5cm。但是淬熄性能是阻火結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)后，一樣可以使火焰淬熄。

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

基于目前阻火結(jié)構(gòu)抑制瓦斯爆炸傳播的研究空白，下一步工作就是在瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)室管道中對(duì)金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)和波紋結(jié)構(gòu)的抑制特性進(jìn)行研究，分析其抑制機(jī)理，并通過(guò)阻火結(jié)構(gòu)抑制性能的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，找出最佳吸波吸能結(jié)構(gòu)，以解決目前礦用阻隔爆裝置不適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)需要的矛盾。這種隔爆技術(shù)的研究成功，可為煤礦阻隔爆技術(shù)提供一種新的思路。