瓦斯爆炸抑制技術及方法探討

摘 要:煤礦井下瓦斯爆炸、煤塵爆炸會引起巨大的財產損失和重大的人員傷亡，采取有效技術措施將危險遏制在災害發生或者進一步擴大是實現安全生產的重要手段。本文對煤礦瓦斯爆炸以及傳播的原理和煤礦采用的抑爆隔爆技術進行了綜和概述。

關鍵詞:煤礦 爆轟 隔爆抑爆 淬熄 阻火器

中圖分類號:TD712文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)11(c)-0039-02

大量的資料表明，礦井瓦斯的主要成分是甲烷，瓦斯爆炸可以看做甲烷氣體在外界熱源激發作用下劇烈的熱化學反應過程，瓦斯爆炸所具備的基本條件是:瓦斯濃度處于瓦斯爆炸極限范圍內5%—16%;氧氣的最低濃度是12%;有 大于引燃瓦斯最小點火能的火源存在。事實上，甲烷爆炸的點火過程是由多個基元反應組合而成的支鏈型反應過程。礦井巷道中瓦斯爆炸傳播是以沖擊波方式傳播的，根據傳播時間和空間的推移，沖擊波結構要發生變化，在起始階段，以爆燃波(爆轟波)方式傳播，隨著甲烷氣體燃燒完畢，則演變為單純空氣沖擊波傳播。在爆炸傳播方式上，目前從實驗和理論兩個方面都證明，瓦斯爆炸沖擊波在一般條件下，以爆燃波形式傳播，但是在某些條件下 可能演變為爆轟波。由于沖擊波和爆燃波的存在，可以判定瓦斯氣體爆炸傳播，實際上是沖擊波和燃燒過程的藕合。根據沖擊波傳播特點，瓦斯爆炸傳播存在顯著的卷吸作用，即沖擊波在傳播過程中將攜帶經過地點的氣體一同前進。所以說井下瓦斯爆炸是一個非常復雜的過程，包含物理過程、化學過程、熱力學過程、傳熱傳質過程的多相藕合與交叉。

1 抑爆原理

抑爆隔爆是有效地減弱或控制爆炸災害的重要手段，并在工業爆炸防治實踐中得到了廣泛的運用。“六五”以來，我國相繼開展了各種阻隔爆技術的研究，取得了一定的進展。總的說來，抑制爆炸的原理有降溫、惰性化、中止反應、阻隔、淬熄等。

1.1 溫度對火災爆炸的影響

根據鏈鎖反應著火理論，要使系統不發生著火，或者使以著火系統滅火，必須使系統中的自由基增長速度(主要是鏈傳遞過程中由于鏈分支而引起的自由基增長)小于自由基的消毀速度，降低系統的溫度，以減慢自由基的增長速度。因為在鏈傳遞過程中由鏈分支而產生的自由基是一個分解過程，需要吸收能量。溫度高，自由基增長快，溫度低，自由基增長慢。并且，火焰溫度也影響著燃燒速度，就大多數混合物而言，燃燒速度的增加遠較火焰溫度的增加更快。因為在高溫時易于發生分解反應，在很多的中間情況下使中間反應加速。所以降低了系統溫度就能對發生爆炸起到一定的抑制作用。

1.2 惰性化對火災爆炸的影響

惰化技術是在易燃易爆介質空間中加入惰性抑制劑，防止燃燒爆炸。抑制劑的作用或者是稀釋爆炸混合物和氧氣的濃度，使之不能支持爆炸;或者是終止燃燒過程的反應鏈，使燃燒反應不能進行。前者稱為物理抑制劑，如化學活性差CO2、N2等物質;后者是化學抑制劑，如如鹵代烴(哈龍)滅火劑1211(CF2ClBr)。

惰化技術要求整個生產裝置封閉，抑制劑始終充滿可燃混合物的流動空間，抑制劑消耗大。惰性化技術是目前公認運行成本最高的技術。

2 抑爆技術

目前根據防止燃燒爆炸和擴散的各種機理，產生了很多的技術用于工業生產中，如高壓水幕、巖粉棚、水袋、干粉滅火劑、隔火柵淬熄等。并且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。

2.1 被動式抑爆技術

被動式抑爆技術是利用爆炸激波自身的能量作用于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，撲滅隨后到達的傳播火焰，同時耗散激波能量，防止形成過高壓力，達到抑爆的目的。被動式抑爆劑可以是化學活性的，如ABC干粉(磷酸胺鹽)、BC干粉(碳酸氫鈉)等，也可以是化學惰性的，如巖粉、水等。隔爆水槽、水袋和巖粉棚，都是基本的被動隔爆方式。

根據被動式抑爆原理知道，其觸發和消焰劑的噴撒都是由瓦斯、煤塵爆炸所產生的前驅爆炸波完成的。就井下巷道中隔爆棚布置圖來說明其動作原理，當發生瓦斯、煤塵爆炸時，在爆炸火焰到達隔爆棚區前，爆炸產生的前驅爆炸波掀翻盛放巖粉的木板或使水槽、水袋破碎，形成彌漫飛揚狀態的惰性巖粉或水霧，在巷道中形成撲滅火焰的抑制帶，起到吸熱、降溫、阻燃的作用，使瓦斯煤塵爆炸火焰限制在爆源附近。

被動式抑爆裝置最早采用撒布巖粉和設置普通巖粉棚，波蘭、澳大利亞、南非、英國、美國等還制定了相應的標準，雖然爆炸傳播的防止效果較好，但由于采煤機械化的普遍使用，采煤強度不斷增大，所需風量增大，風速增加，使得工作環境惡劣，從而危害人體健康;再者，井下潮濕環境會使巖粉棚中干燥的巖粉吸濕結塊，巖粉棚隔爆設施動作后減少、甚至失去飛揚能力，不能形成有效的巖粉煙，還易混入煤塵等可燃物，從而降低甚至失去隔爆性能。在對巖粉的惰性取樣分析化驗時，若發現可燃物含量超過設計規定，須更換巖粉，這給技術管理工作增加了難度。因此我國煤礦現在幾乎不采用這兩種方法。

2.2 自動式抑爆技術

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)，并通過控制單元快速觸發抑爆劑噴灑裝置動作，以高壓引射或爆炸拋撒等方式噴灑抑爆劑，撲滅火焰和衰減爆炸激波，完成抑爆。適用于自動隔爆裝置的抑制劑主要有液體抑制劑水、水加鹵代烷，粉末無機鹽類抑制劑和鹵代烴。

相比被動式巖粉棚，主動式巖粉棚的成本高，使用數量少，一般僅安裝在巷道網路復雜，空氣干燥，可能發生地煤塵、瓦斯爆炸力弱的巷道(弱爆炸是指火焰速度小于100m/s的爆炸傳播)。被動式巖粉棚的隔爆性能很大程度上是由爆炸波和爆炸火焰決定的，而爆炸火焰和爆炸波又受爆源條件傳播條件等、眾多因素的影響，其隔爆性能具有隨機的特點，是不穩定的，容易出現隔爆棚失效和隔爆效果差的問題，而主動式抑爆裝置使用了先進的傳感設備和計算機程序控制系統，抑爆性能比被動式巖粉棚好，雖然也不可能完全避免主動式抑爆裝置會失效或發生誤判斷，相比來說主動式抑爆裝置更加穩定可靠，它是井下粉體抑爆技術的發展趨勢為了提高抑爆裝置的可靠性和效率，需要改進抑爆裝置的觸發機制和抑爆劑釋放速率控制技術，使抑爆裝置能自動判和控制抑爆劑的噴撒時機和速度。

3 隔爆抑爆裝置

3.1 隔爆水幕

自動隔爆水幕由4大部分組成:即水幕、球型閥門、開啟杠桿和控制欄桿。水幕一般設5道，平行并聯垂直于巷道，其一間隔距離為4m，每道水幕按噴頭5～6個。球型閥門安設在水幕的進水側。球心有一圓形孔，關閉狀態時，孔與水流方向(或進水管徑向)垂直。啟動狀態時，孔與水流方向平行。球型閥門兩側，一端接進水管，一端接為出水管。

控制杠桿是一根400mm長的細桿，一端焊接上托板，托板與細桿垂直(托板尺寸長110mm，寬25mm，厚3mm鋼板制成)，一端固定有長300mm，寬150mm的薄鐵板構成，即為受力板，在靠近托板的一端有固定管卡，將控制杠桿固定在出水管的側面。控制杠桿是通過一轉軸與管卡聯系在一起的，并可轉動。當球型閥門處于關閉時，控制杠桿直立，其下端托板托著開啟杠桿的一端，其上端受力板與巷道中線垂直。

自動隔爆水幕實質上是一組杠桿結構，其動作原理是:當爆炸波順著巷道襲來時，沖擊受力板，使控制杠桿上端朝球型閥方向轉動，迫使下端托板與開啟杠桿脫鉤，同時開啟杠桿在自身重力作用下向下擺動至垂直位置，開啟球型閥門。于是供水管的壓力通過球型閥、出水管而注進水幕，由各噴頭噴出形成水幕，浸濕煤塵并降溫，從而起到隔爆抑爆的作用。

3.2 阻火器

主要包括以下結構:(1)金屬絲網結構;(2)金屬絲編織結構;(3)波紋板式結構;(4)平行金屬板結構;(5)填料式結構;(6)多孔薄板阻火器;(7)金屬泡沫結構。

火結構最佳的性能是對火焰的淬熄，并且多數情況下是對爆燃火焰的淬熄。任何阻火裝置，其本質特征在于它有一系列非常小的空穴、隙縫或者是小空間，所以對孔隙尺寸的要求特別嚴格，既期望獲得較小流阻同時又要具有高效的阻火性能。

3.3 泄壓泄爆裝置

廣義上的泄爆是指在爆炸初始階段或爆炸擴展時，采取的使本來密閉的裝置暫時地或持久地往無危險方向敞開的一切措施。

對爆炸性容器和裝置，通過固定的開口及時泄壓，保護設備不被炸毀和人員不受傷害。石化工業為防止設備內部因超壓發生破壞而廣泛采用泄壓技術，設備一旦發生超壓，設備的預定部位會立即敞開一條泄放通道，將造成超壓的“多余”能量和(或)物料排放到設備以外的安全處，使設備內壓力始終保持在某一規定值以內，從而避免設備造成過度塑性變形甚至破裂。

4 新技術的產生與發展

防止瓦斯爆炸最積極的措施是阻止甲烷與空氣(或氧氣)混合形成爆炸混合物。這可采用爆炸抑制的方法來實現，即在巷道中用阻燃性等惰性氣體(如二氧化碳、氮氣等)部分地取代空氣中的氧氣(不能全部取代，因為工作人員需要充足的空氣供以呼吸)，使爆炸失去一個必要條件—— 足夠的氧氣濃度。然而，這種措施往往會使運行費用大大增加，且其應用場合有限，不能適用于非密閉系統等。

遏制系統是把瓦斯等可燃氣體爆炸事故控制在初始階段或局部區域，降低災害損失的程度和范圍。該技術通常利用爆炸探測器感應初始爆炸，中心控制單元觸發抑制劑噴灑動作，撲滅爆炸火焰，防止設備或巷道空間產生過高的壓力。但是設備的維護量(電子儀器)相當大，比如探測器反應要十分敏感，以便能及時地將爆炸信號傳送給抑制噴灑器，并且噴灑器要以比爆炸傳播速度更大的速度，才能發揮作用;另外，易損耗的抑制劑(水、巖粉等)要經常更換，加大工人工作量。而事實上，在井下巷道這樣大尺寸場合內抑爆隔爆裝置往往不能發揮有效的抑制作用甚至普遍存在失效的情況。雖然實際已證明爆炸遏制是一種有效的防護措施，但由于上述原因，它在工業上推廣使用比較緩慢。

爆炸災害的抑制，不僅是對火焰傳播的抑制，其本質是流場中懸浮態抑爆劑對反應激波的抑制和衰減，還包括火焰和激波之間的相互耦合過程。因此，石化工業中淬熄技術在巷道尺寸大、環境復雜、爆炸強度大的煤礦井下很難實施，但是根據現有瓦斯抽放系統存在的問題，可以將阻火器結構用于煤礦低濃度瓦斯輸送管道中回火的淬熄，也可以將金屬網阻火結構安設于真空腔內，銷毀火焰在該結構表面上碰撞的自由基，從而阻止燃燒反應，抑制火焰傳播。

5 結語

目前我國煤礦使用的阻隔爆技術主要有巖粉棚、ABC干粉滅火劑、隔爆水槽、水袋、水幕等，這些技術在一定范圍內可以有效地抑制爆炸的發生，并限制爆炸的進一步擴大，但都有自己的缺陷，適用范圍受限大。中國礦業大學的真空腔技術目前在實驗室方面取得了很好的抑爆效果，為現場應用提供理論基礎。煤礦用阻隔防爆技術需要進一步的研究，采取綜合的阻隔防爆措施以確保煤礦的安全。同時，其他行業的爆炸事故也逐漸增多，需要開發研究其他技術領域的阻隔防爆技術。