應對現代煤礦開采安全的主動抑爆系統

赫爾穆特·斯帕特 艾伯特·于 牛德文

(1.山西蘭花漢斯瓦斯抑爆設備有限公司,山西省晉城市,048000;2.晉城市安全生產技術協會,山西省晉城市,048000)

應對現代煤礦開采安全的主動抑爆系統

赫爾穆特·斯帕特1艾伯特·于1牛德文2

(1.山西蘭花漢斯瓦斯抑爆設備有限公司,山西省晉城市,048000;2.晉城市安全生產技術協會,山西省晉城市,048000)

HS煤礦主動抑爆系統源于軍用技術,基于智能化超高速特性,能夠有效地抑制瓦斯和煤塵爆炸的破壞性形成與擴展,是煤礦防治瓦斯和煤塵技術上的重大突破。

瓦斯/煤塵爆炸 被動隔爆裝置 主動抑爆系統

1 應對現代煤礦開采帶來的安全挑戰

隨著科技的發展和工業化進程的推進,機械化開采在現代煤礦中得到了越來越廣泛的推廣應用,而且正在趨于向著大功率和自動化的方向發展。

憑借著大量現代化開采設備的應用,不僅極大地提高了生產效率,而且所開采的煤層和地質環境越來越復雜。大強度和高難度的煤層開采必然帶來安全生產上的新問題,尤其是對于防治威脅煤礦安全的“第一殺手”——瓦斯的難度更為突顯。

因此,現代化開采帶動煤炭行業進步的同時也為煤礦安全帶來了新的挑戰。大功率機械化采礦形成的大強度落煤,不僅造成瓦斯涌出量及煤塵揚起量急劇加大,同時由于機械碰巖不可避免地會產生火花。這實際上形成了采用傳統方式防治瓦斯爆炸無法解決的新的礦井安全隱患,一旦這些危險因素(燃料、氧氣、點火源)耦合,即可造成瓦斯或煤塵爆炸事故。

傳統方式的瓦斯爆炸防治手段主要是消除瓦斯爆炸的條件,因此也被稱為消爆手段。在消爆手段面臨無法克服的缺陷的情況下,就需要一種有效的抑爆手段,用來解決機械化開采帶來的安全隱患,以彌補傳統隔(抑)爆手段的不足。基于瓦斯和煤塵爆炸對于煤礦的安全風險評估,有效的隔(抑)爆手段應當達到以下目的:

(1)抑制爆炸、阻斷爆炸的擴散和傳播;

(2)阻斷有毒有害氣體的形成;

(3)阻止破壞性沖擊波的形成;

(4)阻止溫度超出人類可承受范圍;

(5)拯救生命和礦井財產。

目前煤礦普遍推廣使用的隔爆技術是在20世紀第一代隔爆水袋基礎上改良而來的各種被動隔爆裝置。被動隔爆裝置的機理是依靠爆炸沖擊波的動力,并利用沖擊波和火焰傳播速度的時間差,首先驅動內置消焰劑形成抑制帶以限制煤塵揚起的程度,然后當火焰來臨時在一定程度上抑制爆炸火焰以實現切斷爆炸反應鏈。所有的被動隔爆裝置受限于工作機理的制約,其作用范圍和效果非常有限,而且在實際使用中還受環境和人為因素的直接影響。綜合全球主要研究機構的研究成果,被動隔爆裝置普遍存在的局限性見表1。

表1 被動隔爆裝置特性表

2 HS煤礦主動抑爆系統的技術特性

在認識到被動隔爆系統的先天缺陷后,多數國際研究機構于20世紀70年代開始在技術方面探索其他可能的替代技術和方向。1985年,M·法貝爾(M·Faber)和E·W·紹爾(E·W·Scholl)在悉尼發表的《自動抑制混合源爆炸在煤礦井下的應用報告》中首次提出了主動抑爆技術的概念和技術設想雛形,隨后引起了多個國家和研究機構的重視,并先后開展針對此概念的技術研究和相關標準的制定。

1990年,南非國家工業技術研究委員會(CSIR)首次對基于軍用技術改進的礦用主動抑爆系統進行了第一階段論證性測試,并取得了成功。1994年,在米德伯格煤礦瓦斯爆炸事故后,應總統授權里昂委員會的要求,南非正式邀請各國研究機構和公司參與煤礦用主動抑爆系統和產品的研發及測試論證工作。經過長達7年時間的研發、改進和測試,2001年,由HS設計與工程有限公司生產的EXPLOSPOT主動抑爆系統成為了歷史上第一家,也是目前唯一一家通過國際礦業研究聯盟(GMRA)測試及南非國家綜合測試取得資格的主動抑爆產品供應廠商。

主動抑爆技術是一種憑借傳感器捕捉并解析爆炸信號,進而主動針對爆炸事故做出抑爆動作的超高速阻燃抑爆技術。HS主動抑爆系統的核心作用:

(1)抑制采掘面瓦斯和煤塵爆炸(抑爆作用);

(2)阻斷瓦斯和煤塵爆炸的擴散(隔爆作用)。

為了證實HS主動抑爆系統的實際效能,該公司建立了專用的測試設施,國際礦業研究聯盟及南非國家工業技術研究委員會就HS主動抑爆系統的不同應用進行了測試和鑒定。西班牙、美國、澳大利亞和中國等國家以及第三方研究機構也先后對HS主動抑爆系統進行了超過1000項不同環境和項目的測試,這些測試結構均得到同樣的結果——HS主動抑爆系統可以有效地抑制各種環境下的瓦斯和煤塵混合爆炸。

通過合理地進行設置,HS主動抑爆系統在抑制初期爆炸時可以有效地控制有毒有害氣體總量;阻止殺傷性沖擊波的生成;阻止升溫超出人類承受極限,最終實現拯救生命和挽救財產損失的目的。

HS主動抑爆系統的主要應用特征見表2。

通過對比HS主動抑爆系統和被動隔爆裝置的特點,可以清楚地發現,HS主動抑爆系統不僅可以克服被動隔爆裝置的先天缺陷,而且通過合理布置和使用,HS主動抑爆系統可以有效地控制煤礦爆炸事故,最大限度地挽救工人的生命和煤礦財產。

表2 HS主動抑爆系統特性表

3 HS主動抑爆系統的推廣應用

HS煤礦主動抑爆系統是專門針對瓦斯和煤塵爆炸而開發的超高速主動抑爆裝置,該系統以其獨特的技術性能實現了真正意義上的抑爆,在瓦斯和煤塵爆炸防治技術上具有突破性。

(1)智能化識別。先進的傳感技術和信號辨識技術可以準確和迅速的判定信號,辨識爆炸和燃燒信號,并且對煤礦井下所有已知偽信號源免疫。

(2)超高速啟動。先進的超高速啟動結構具有全球最快的響應速度,可以在2 ms內打開抑爆裝置。

(3)全自動抑爆。先進的自動化控制技術可以實現監測、啟動、數據記錄全程自動化,正常使用無需人為操作。系統內置黑匣子可以確保系統參數和數據的自動記錄和保存。

(4)程序化自檢。先進的集成自動檢測功能為設備提供了全時段適時性能自檢,確保了系統運作正常。

(5)模塊化設計。在高可靠性設計和生產工藝技術上,系統采用模塊化設計方案,確保了礦用環境下使用的靈活性和便捷性。

(6)單元化產品。根據不同的煤礦作業環境和隔(抑)爆需求,HS產品具有三大系列產品,分別是機載系列、支架系列和巷道系列。高度整合的單元化產品便于用戶在不同環境下使用產品,用戶可根據不同作業環境和防護強度需要組合使用,實現最優化的隔(抑)爆效果。

根據HS主動抑爆系統所具有的技術性能,為了發揮好其功效,經過對中國煤礦實際情況的調查,在安裝使用中應做好以下3點:

(1)構建抑爆防護系統。在礦井存在爆炸危險的高危區,如采掘工作面,設置為區域性防護系統,并分別設置主動抑爆區與輔助抑爆區。主動抑爆區的系統設置,如機載式系統和支架式系統,主要作用于主動抑爆,阻止爆炸的發展;輔助抑爆區的系統設置在采掘工作面所屬巷道中的巷道式系統,主要作用于屏障隔爆,阻止爆炸向外擴散。此外,對一些有必要進行抑爆防護的高危點,如煤倉口、轉載點、配電點等,設置為點位性防護系統。建立智能化礦井,可將抑爆防護系統管理集成于全礦井監測監控系統中。

(2)系統組合聯動。單套抑爆系統設備之間使用專用電纜連接為組合聯動系統。支架式系統以及同一道位置的巷道式系統的安裝均應使之互聯。前者互聯,可以依據采煤工作面發生爆炸(或燃燒)時的初始情況,進行單臺或多臺智能選擇性的啟動;后者互聯,可以使設置在同一道的多臺巷道式系統同步啟動,以達到最優的屏障隔爆效果。

(3)人工緊急啟動阻燃。HS主動抑爆系統備有配置緊急啟動裝置的接口。在礦井發生燃燒時,若其能量不足以啟動系統的滅火釋放裝置,且采用人工滅火方法又不能控制火勢的情況下,就要操作抑爆系統設備的緊急啟動阻燃裝置進行滅火。

HS主動抑爆系統不僅在2001年通過了國際礦業研究聯盟及南非國家認證,還先后通過了西班牙、美國、德國和中國等國家及其他獨立第三方認證。該產品先后為英美礦業集團、南非沙索爾集團等世界頂級礦業公司裝備使用,同時通過久益(JOY)公司標準化認證并順利列入其產品標準化配件序列。HS主動抑爆系統設備由山西省晉城市引進中國后,于2009年12月份通過中國國家安全標志認證,目前已在晉城市部分煤礦正式安裝使用。

現代煤礦技術裝備需要向著不斷提高生產力和生產率的方向發展,同時也必須兼顧生產安全問題,對于發展過程中的安全挑戰和隱患必須予以足夠的重視。主動抑爆系統是現代煤礦安全的重要組成部分,HS主動抑爆系統是彌補現有消爆手段不足的最佳解決方案。

[1] Du Plessis J.J.L.1998.Roadheader active suppression protocol.RN ESH 98-0089,CSIR Division of Mining Technology,South Africa

[2] Du Plessis J.J.L.,Oberholzer J.W.and Bryden D.J.1999.Testing of active ignition onboard suppression systems for use in S.A.collieries.Proceedings of the 6th?International Mine Ventilation Congress,Chapter 19

[3] Du Plessis,J.J.L.2001a.Development and testing of an on-board active suppression system for continuous miners in medium-seam mining conditions.CSIR Miningtek Report No.EC 2001-0347

[4] Du Plessis,J.J.L.2001b.Evaluation protocol for active machine-mounted explosion suppression systems for continuous miners.CSIR Miningtek,Report No.EC 01-0149

[5] Du Plessis,J.J.L.and Van Dijk,R.2001.Testing of an on-board active suppression systemfor French mining conditions.Journal of the SAIMM,July,CSIR Miningtek Report No.EC 01-0322

[6] Faber M.1990.Development of automatic extinguishing systems for roadway drivage with cutter head subcut machines.DMT Research Report 323/408/84,Bochum,Germany

[7] Moolman,C.J.2002.Evaluation protocol for active machine-mounted explosion suppression systems for highseam continuous miners.CSIR Miningtek Report No.EC 2002-0412

[8] Moolman,C.J.2003.Evaluation protocol for active machine-mounted explosion suppression systems for highseam single and double pass continuous miners.CSIR Miningtek

[9] Moolman,C.J.and Mthombeni,S.I.2002.Evaluating the active suppression system as an explosion protection system for the auger miner at Kloppersbos,South Africa.CSIR Miningtek Report No.EC 2002-0115

[10] Cook,P.M.,1993.The inhibition of coal dust explosions with stone dust in a largescale

[11] explosion gallery.CSIR Miningtek,Kloppersbos,Pretoria,South Africa

[12] Du Plessis,J.J.L.,2000.Development and evaluation of the bagged stone dust barrier.Ph thesis,University of the Witwatersrand,Johannesburg,South Africa

[13] Du Plessis,J.J.L.and Van Niekerk,D.J.,2001.Project COL 701:Inertisation strategies and practices in underground coal mines,SIMRAC Report,Johannesburg,South Africa

[14] Du Plessis J.J.L.,2001.Development and testing of an onboard active suppression system for continuous miners in medium seam mining conditions.CSIR Miningtek,Johannesburg,South Africa

[15] Du Plessis,J.J.L.and Mthombeni,I.S.,2001.Triggered barrier performance as evaluated in the 200m test gallery at Kloppersbos,South Africa.CSIR Miningtek,Johannesburg,South Africa

[16] Du Plessis,J.J.L.and Spath,H.,2002.Triggered barrier system performance in a 200m test gallery at Kloppersbos.Paper presented at the 9th U.S.Mine Ventilation Symposium,8-12 June 2002,Canada

[17] Du Plessis,J.J.L.and Moolman,C.J.,2002.Protocol test procedure for passive and triggered systems within a 5m2 single-entry test gallery under simulated explosion conditions.CSIR Miningtek,Johannesburg,South Africa

[18] 牛德文,HS煤礦主動抑爆系統的推廣使用問題探討[J].煤炭科學技術,2009(37)

Evaluation of active explosion suppression system for modern coal mining safety

Helmuth Spath1,Albert S.Yu1,Niu Dewen2
(1.Shanxi Lanhua HS Suppression System Co.,Ltd.,Jincheng,Shanxi 048000,China;2.Jincheng Association of Technology Work Safety,Jincheng,Shanxi 048000,China)

The HS mine active suppression system,derived from military technology and based on intelligent high speed activation can provide an effective and practical method for the elimination of the devastating effects of a gas/coal dust explosion in a mining operation.This is a major breakthrough in gas/coal dust explosions prevention technology.

gas/coal dust explosion,passive isolation equipment,active explosion suppression system

TD712.7 TD713.5

A

赫爾穆特·斯帕特(1949-),男,南非國籍,資深高級工程師,火災和爆炸防護裝置專利技術發明人。

(責任編輯 溫子伯)