低矮断面巷道抑爆技术应用研究报告

低矮断面巷道抑爆技术应用研究XX（漳平）煤业有限公司XX省煤炭工业科学研究所煤炭科学研究院XX研究院目录1概述111项目背景及意义112主要研究内容及方法32ZYB矿用本质安全型自动抑爆装置研究321自动抑爆装置原理322紫外探测器的研究423控制器的研制724抑爆器研制93瓦斯煤尘爆炸抑爆试验研究2231试验条件2233瓦斯爆炸和瓦斯煤尘爆炸传播试验2934自动抑爆装置抑爆试验3835试验结论434低矮断面巷道内抑爆装置的安装4441矿井概况4442抑爆装置安装方式设计4643低矮断面巷道内抑爆装置的安装475结论4911概述11项目背景及意义近年来，我国煤炭行业受瓦斯煤尘爆炸灾害的威胁严重，安全形势严峻。国有重点和地方煤矿发生了多次瓦斯煤尘爆炸事故，给国家财产和人民生命造成了巨大损失。如何有效地防止瓦斯煤尘爆炸发生和扩展是保持煤矿生产持续、健康发展的重大课题之一。为防止瓦斯煤尘爆炸灾害传播，减少爆炸造成的损失，世界各主要产煤国在防隔爆技术上不断发展，并相继研制了自动式和被动式的隔抑爆措施。被动式隔爆装置，如岩粉棚水槽棚水袋棚等，因其成本低廉使用方便，在世界各主要产煤国得到了不同程度的开发和应用。煤矿控制瓦斯煤尘爆炸传播最早使用撒布岩粉方法，为此，波兰澳大利亚南非英国美国等还制定了相应的标准。其后，研制开发了隔爆岩粉棚隔爆水槽隔爆水袋等措施。然而随着采煤机械化的普遍采用，采煤强度不断增大，所需风量增大，风速的增加，考虑工作环境和人身健康，隔爆岩粉棚已逐渐被淘汰。我国从“六五”攻关以来，先后研究成功了隔爆水槽、水袋及ZGBY型自动隔爆装置。这些装置在煤矿的使用，使采区巷道和掘进巷道防止瓦斯煤尘爆炸灾害传播的技术水平提高了一大步。这些隔爆措施只能起到限制瓦斯煤尘爆炸范围的作用，占空间大，且是悬挂式或壁挂式的，使用不便。“八五”期间研制出了ZHY12实时2产气式型自动抑爆装置,采用的实时产气式解决了高压驱动气体长期贮存的大问题。因它是在常压下贮存固体的气体发生剂，便于运输和长期安装于煤矿井下。不但能够安装采掘工作面附近及采掘机上，随工作面推进而快速移动，从爆源抑制发生的爆炸，而且可以安装在距采掘面相对较远的位置或大巷，起到抑制爆炸传播或减少爆炸危害程度的作用。煤矿安全规程要求瓦斯及煤尘具有爆炸性的煤矿必须装备防隔爆措施。被动式隔爆水袋水槽已普遍用于瓦斯及煤尘具有爆炸性煤矿作为防隔爆措施。而对于南方小型矿井的采掘工作面推进快巷道低矮情况，现有的被动式隔爆装置因隔爆原理所限，如安装于巷道上部，会严重影响巷道行人运输通风。加之移动困难，致使这些煤矿大多未安装隔抑爆措施。虽然有些煤矿只是局部不规范的吊挂了水袋，但是不能保证其有效发挥作用。XX集团漳平煤业公司所属的文宾山煤矿、大瑶煤矿和武陵煤矿3个煤矿所开采的煤炭均为贫瘦煤，挥发份含量较高，经煤炭科学研究总院XX研究院鉴定，3个煤矿开采的D4、D5、D8煤层的煤尘均具有爆炸性。根据煤矿安全规程有关规定，这3个煤矿必须具有预防和隔绝煤尘爆炸的措施。由于这3个煤矿均存在巷道低矮截面小，开采的煤层薄，采掘工作面推进速度快，工作面搬迁频繁等特点，现有的被动式隔爆装置因隔爆原理所限，安装于巷道上部，会严重影响巷道行人、运输、通风，加之移动困难，故目前在大中型煤矿普遍使用的隔爆水槽和隔爆水袋在这3个煤矿并不适3用。为此，针对这类低矮小断面巷道情况，对“八五”攻关成果ZHY12实时产气式型自动抑爆装置进行改进，用少量的抑爆器安装于巷道两侧支柱间隙，可尽量不占巷道断面尺寸，因数量少移动方便，可保证较近距离抑制瓦斯煤尘爆炸传播。比之安装于采掘机上，传感器不受污染，更能有效发挥自动隔抑爆装置的优势。12主要研究内容及方法1）紫外探测器防护措施研究；2）抑爆器喷嘴设计试验原抑爆器为直喷式，不利于巷道侧安装及有效封闭巷道断面；3）进行小断面瓦斯爆炸抑爆试验研究主要确定火焰探测器和抑爆器安装位置，即距工作面（爆源）距离；4）抑爆器安装方式；5）15套抑爆装置，（每套包括两只探测器，一台控制仪，两台抑爆器设计加工；6）安装人员培训及指导安装。2ZYB矿用本质安全型自动抑爆装置研究21自动抑爆装置原理ZYB矿用本质安全型自动抑爆装置由探测器、控制器和抑爆器组成。其抑爆原理是将探测器布置在潜在爆源附近，当发生瓦斯煤4尘点燃时，探测器将燃烧与爆炸火焰转变成电信号传送到控制器，控制器便发出指令，控制抑爆器内的气体发生剂迅速进行化学反应，释放出大量气体，驱动抑爆器内的消焰剂，从喷撒机构喷出，快速形成高浓度的消焰剂云雾，与火焰面充分接触，吸收火焰的能量、终止燃烧链，使火焰熄灭，从而终止火焰面在瓦斯、煤尘云中的继续传播。抑爆器采用自产气式，其内贮能的是固体的气体发生剂，它是将化学能转变为气体动能去驱动消焰剂，将消焰剂抛撒到瓦斯、煤尘燃烧与爆炸的火焰阵面上，扑灭爆炸。抑爆装置的抑爆原理图见图21。1探测器2控制器3抑爆器4火焰面5冲击波阵面图21实时产气式自动抑爆器原理当瓦斯（煤尘）着火时，火焰触发探测器1，接收到火焰辐射能量，并将其转换成电压，输入到控制器2中，控制器触发抑爆器3，抑爆器喷出灭火剂，喷向抑爆空间，形成浓度极高的消焰剂云雾，扑灭火焰，抑制爆炸。522紫外探测器的研究221工作原理用于探测爆炸参量的探测器有压力、温度、火焰、光电等探测器。在煤矿井下环境，瓦斯煤尘爆炸火焰光谱覆盖从红外到紫外。对各种探测器的灵敏度、响应时间、抗干扰能力进行分析，ZYB型自动抑爆装置的探测器宜选用抗扰能力强的远紫外火焰原理探测器。紫外线火焰探测器的敏感元件为紫外光电管，电路方框图如图22所示。紫外光电管的工作原理是，爆炸的初期，在火焰中的远紫外照射下，紫外光电管的电子吸收了入射远紫外光子的能量逸出光阴极表面，在阴极电场作用下向阳极运动，从而产生电信号，达到检测爆炸火焰的目的。图22紫外线火焰探测器电路原理方框图紫外光电管的光谱响应为185260NM，在远紫外光的范围，太阳光的紫外波段截止在290NM，红外波段截止在13UM。因此该紫外光电管对太阳光不敏感。光电管的相对灵敏度与各种发射光源的相对发光强度相比是大的。6就CH4（瓦斯的主要成分为CH4）气体来说，火焰光谱波段从190NM开始，紫外到红外的范围内均有，虽然紫外的发光强度比较弱，但UV200紫外线探测器的灵敏度比较大，有足够的光电流输出。井下严禁烟火，所用的照明以钨丝矿灯为主，其发光的光谱波段从300NM开始，不在紫外探测器的探测范围之内，紫外探测器对其无响应。222探测器的主要技术指标静态电流2MA信号输出05A15A72VDC本安输入2路信号，输出3路信号连续工作时间3个月防爆标志IABT4有电源指示、抑爆器通断检测显示功能233控制器的性能考察2331输入信号和逻辑与功能考察用1CD的火焰在距探测器1M的视场角范围内照射，用万用表测试输出，控制器输出指示及输出测试结果如表23。表23输入信号和逻辑与功能考察探测器1探测器2控制器上探测器1指示控制器上探测器2指示输出指示输出电平有火焰无火焰亮不亮不亮无无火焰有火焰不亮亮不亮无9无火焰无火焰不亮不亮不亮无有火焰有火焰亮亮亮72V2332控制器自检考察在正常工作状态下，控制器输出端接上电化学点火药头，按检测开关，表24记录了自检结果，检测指示正确。表24探测器自检考察检测开关电点火药头检测指示按下接到输出指示灯亮松开接到输出不亮按下未接到输出不亮松开未接到输出2333电源的工作寿命考察在控制器的充电输入端接上48、12W的电阻，工作65H后（相当于6个月正常工作耗电量），控制器输出满足触发要求，能正常工作。2334输出信号和负载能力控制器处于正常工作状态，用1CD的气焰照射探测器1和探测器2时，万用表测试其输出。输出端接三只工业电雷管引火药头，用1CD的气焰照射探测器1和探测器2。测得的输出电压大于6V,三只工业电雷管引火药头完全燃烧。1024抑爆器研制抑爆器的内贮能是固态燃气剂，燃气剂将化学能转变为气体动能，以驱动灭火剂。将探测器布置在潜在爆源处，当发生瓦斯燃烧、爆炸时，探测器接收到火焰信号，传送至控制器，控制器产生触发电压，驱使燃气剂进行化学反应，迅速释放出大量气体，驱动抑爆器内的灭火剂从喷嘴喷出，形成灭火剂云雾，与火焰充分接触，扑灭火焰。241抑爆器的结构抑爆器由喷嘴、贮粉罐、灭火剂、燃气发生器、接线盒组成。抑爆系统及抑爆器结构如图24。根据煤矿井下的情况对抑爆器的结构进行了改进，同时调整了燃气剂成分和用量，使在现场使用更安全和方便。1喷嘴2贮粉罐3干粉灭火剂4燃气发生器5接线盒6电缆线7控制器8探测器最大喷射角图24抑爆系统结构图242主要技术指标11触发电流04A触发电压30V单位抑爆面积03M2/KG灭火剂充装率088KG/L008KG/L喷粉效率85燃气发生器承压90MPA贮粉罐承压12MPA外型尺寸L为245600自动抑爆装置动作时间35MS243抑爆器主要参数确定和测试2431抑爆器参数的确定由抑爆原理知，抑爆器是抑爆装置的重要部件，要确定抑爆器设计参数，必须确定抑制瓦斯燃烧、爆炸所需的灭火剂量和灭火剂喷出抑爆器所需速度，确定引射气体的压力、抑爆器喷嘴面积、引射气体量及燃气剂质量等参数。抑爆装置灭火剂及用量，主要与灭火剂喷射速率，灭火剂从抑爆器喷出的速度，引射气体参数，燃气剂用量，缓冲器尺寸有关。燃气式抑爆器的结构图如图24所示，驱动气体在缓冲器内的压力曲线如图25所示。12图25驱动气体在缓冲器内压力曲线（1）灭火剂用量确定灭火剂用量W主要由灭火剂种类、所要保护空间的范围、需要扑灭的瓦斯煤尘燃烧、爆炸火焰范围和放热量确定。抑制燃烧、爆炸火焰所需的灭火剂量，是由熄火条件决定的，即燃烧、爆炸反应放出的热量小于环境所消耗的热量，使燃烧、爆炸反应不能进行而熄火。灭火剂的熄火作用包括化学作用和物理作用两方面，灭火剂用量的确定是很复杂的。灭火剂作用的是那些能完全分解、气化的灭火剂小粒子，而不能分解、气化的大粒子，只起隔热，阻止火焰传播的物理作用。瓦斯煤尘燃烧、爆炸放出的热量大部分必须由灭火剂分解、气化吸收，这样，燃烧、爆炸反应才不能继续下去。所需灭火剂小粒子浓度由22式确定MEIA/HJ21式中A系数CH4气1054H焓变CAL/MOLMEI最小灭火剂计算浓度J顺序包括热容、分解热和气化热CMEIM/265L/MOL空气22式中M灭火剂组分的分子量灭火剂用量与抑爆器所要控制的范围有关，可由23式确定13WCV/N23式中C抑爆所需灭火剂浓度V所要控制的爆炸范围N灭火剂小粒子占灭火剂总量比（2）灭火剂喷射速率抑爆器在抑爆时，喷射灭火剂的速率越高，抑爆效果越好。但受抑爆器结构、灭火剂物性、及驱动方式的影响，不可能瞬间喷出全部灭火剂。喷射灭火剂的时机要与燃烧、爆炸火焰面扩展速度相适应，即在燃烧、爆炸火焰到达时，灭火剂形成粉雾的浓度要足以扑灭火焰。抑爆器单位时间内的喷射速率WS由下式确定。WSW/T24式中T抑爆器有效喷粉时间，即抑爆器喷粉开始到火焰到达抑爆区的时间（3）灭火剂从抑爆器喷出的速度抑爆器喷出的灭火剂必须控制一定的爆炸范围，为方便计算，考虑灭火剂形成一体积型的灭火剂粉雾，依最大喷射高度计算灭火剂喷出抑爆器时所需速度。S2GH1/225式中H灭火剂最大喷射高度，即抑爆器所要控制的最大高程G重力加速度（4）引射气体参数确定14抑爆器中，高压气体引射灭火剂的喷出，使之获得初速，这一过程，简化为一维气固两相定常流动，在这里忽略了以下效应气体、灭火剂混合物与抑爆器壁的热量、质量和动量交换；颗粒、颗粒作用和颗粒的布朗热运动；灭火剂颗粒对于邻近颗粒所受阻力的影响；真实的或表观的质量效应；颗粒内部的温度梯度；相变和化学作用；辐射；重力；颗粒尺寸和形状变化；颗粒所占容积；其相关方程如下质量连续常数26GBGWAV常数27S动量方程280DZPVDZBSG灭火剂颗粒动量方程29SGSGSDSVVC43气体颗粒两相混合物的能量方程210002211SGSSGGHWVHWVH颗粒运动的热能量方程2116SGSSTDZ气态方程212GTRP式210中，根据温度与焓的关系式HCT，用温度代替210式中的焓，并假设气体的比热CPG和灭火剂颗粒的比热CS不变，则210式变为213SGPSSGPGTWVTWVTCW0221115上列方程组中下标S表示灭火剂，下标G表示驱动气体，下标0表示迟滞条件下的常数，TG粒表示驱动气体向灭火剂颗粒传热情况下的等价温度，这里TGTG。D、S、CS、WS、S、TS、H依次为灭火剂的平均粒径、密度、比热、质量、喷出抑爆器出口的速度、温度、灭火剂与驱动气体间的传热系数；G、CPG、P、G、TG、WG依次为驱动气体的密度、比热、驱动压力、喷射速度、温度、质量；AB、Z为抑爆器的出粉口面积、出粉管轴线；CD为抑爆器的管壁阻力系数，当RE1000时，CD044；RG为气体常数，RG8314J/MOLK。积分常数可由引射初始状态确定。依据上面7个方程，由灭火剂出口速度S、喷射速率WS等参数可确定抑爆器的结构尺寸（引射灭火剂断面积和引射长度）引射气体压力等。（5）燃气剂用量确定燃气剂是装在抑爆器燃气部件里的，燃气部件是抑爆器的核心部件。燃气剂应满足产气量大，燃气速率高的要求。燃气剂用量由气体总量224WG/GG来确定QS224WGCI/GGG214式中QS燃气剂的质量CI燃气剂的比容16GG产生气体的分子量G燃气剂的分子量（6）缓冲器尺寸确定燃气剂和点火强度按等面燃烧原理设计，这样可以保证燃气剂燃速稳定，不会转变为爆轰，喷射压力稳定。燃气剂采用双基推进剂，它具有燃气量高，安全性能好，不吸潮的优点，其燃率满足15式URBPN215式中B燃速系数N压力指数P燃烧时的环境压力燃气剂气体速率由下式确定UCASUR216式中燃气剂的装填密度AS燃气剂瞬间燃烧面积缓冲器是罩在燃气器外面的高压容器，它的作用在于保证燃气器以预定的气体生成速率，产生定量气体，保证驱动气体达到要求的压力和作用时间，缓冲器喷气速率由下式给出UCACPT217式中C燃气器的释放系数，其值随气体燃气剂的种类而变AC排气口面积PT缓冲器的内压强17其燃烧室的压强PT由（16）、（17）式得PTASB/CDAC1/1N218为保证所要求的喷粉速率和引射压力，缓冲器的内压力由排气口面积确定。因此根据18式可计算出缓冲器排气口的总面积。2432抑爆器的静态参数考察（1）抑爆器喷射灭火剂实验将抑爆器装爆炸装置上，用1000C高速动态分析仪拍摄抑爆器静态喷射灭火剂的过程如图26。并计算抑爆器的喷粉滞后时间，雾体形成时间，雾体存在时间。图26抑爆器喷洒过程的高速摄影照片18在敞开空间试验装置中进行了抑爆器喷射灭火剂的试验，用FASTCOMSUPER1000C系统拍摄的抑爆器喷射灭火剂的高速摄影照片如图26，由图片计算抑爆器的喷粉滞后时间为16MS，抑爆器从触发到形成最佳粉雾状态的时间约为160MS，雾体存在时间16S。（2）灭火剂抑爆性能试验按照链式反应理论，可燃性气体与空气均匀混合并达到爆炸浓度范围时，与火源接触，就会有活性分子生成或成为连锁反应的活化中心。热及活性中心都向外传播，促使邻近一层混合物起化学反应，然后这一层又成为热和活性中心的源而引起另一层混合物的反应，如此循环地持续进行，直至全部爆炸性混合物反应完为止。爆炸时的热是一层层向外传播的，在没有界限物包围的爆炸混合物中，火焰是一层层同心圆球面的形式向各个方向蔓延。火焰速度在距离着火点05M处为每秒几十米，以后迅速加速，可达每秒数百米以上。瓦斯煤尘爆炸反应不仅是由于降阶的热反应，而且有链式反应的作用。在链增长即反应增值游离基的情况下，如果与之同时发生的销毁游离基的反应速度不高，则游离基数目就会增多，反应链的数目就会增加，反应速度也随之加快，这样又会增值更多的游离基；而气体混合物温度的增加，又可使连锁反应速度增加，使因热运动而生成的游离基数量增加，使爆炸发展下去。ABC干粉灭火剂是全能性灭火剂，可用于扑灭固体、液体、气体燃烧与爆炸火焰。它是细微的固体微粒，其作用主要是抑制爆炸火焰的发展，干粉灭火剂从抑爆器喷出后，能够在爆炸火焰的高温19下迅速分解，吸收大量的热，先分解出氨和磷酸，磷酸又分解成焦磷酸及偏磷酸，最后成为五氧化二磷。这些反应都是吸热的，具有很好的冷却作用。同时灭火剂也夺取气体爆炸反应的游离基，使得气体分子断裂产生的游离基浓度大为减少，起到抑爆的作用。我们在20L哈特曼爆炸罐进行的甲烷爆炸与抑爆试验表明（其爆炸与抑爆压力曲线如图27、28所示），ABC干粉灭火剂能够有效抑制甲烷爆炸。实际应用时，要达到理想的抑爆效果，ABC干粉灭火剂的喷射状况还与装置的结构、喷嘴结构、ABC干粉灭火剂本身的特性有关。图27甲烷爆炸压力曲线图28甲烷爆炸时用ABC干粉灭火剂进行的抑爆试验压力曲线在50M3的模拟爆炸试验装置中，用不同特性的抑爆灭火剂进行抑爆试验，确定适用于本装置的灭火剂及其用量。分别用了四个厂20家的ABC干粉灭火剂，ABC干粉灭火剂以磷铵盐为主要成分（其粒度分布和密度不同），抑爆效果如表25所示。表25抑爆剂粒度分布和密度测试结果抑爆剂种类样品比重（G/CM3）质量平均粒度（UM）抑爆效果佛山ABC粉18032465成功抑爆成都ABC粉202592有一定效果天津ABC粉19763664成功抑爆XXABC粉202592有一定效果所用津港消防药剂厂和佛山市华星陶瓷精细原料公司的ABC灭火剂的测试指标如表26。表26灭火剂指标对比及试验效果检验项目国标GB1506094津港消防药剂厂佛山市华星陶瓷精细原料公司磷酸二氢铵含量厂方公布值3076802松密度G/ML080,厂方公布值010081067吸湿率3018160含水率021抗结块性（针入度）MM1626100斥水性无明显吸水，不结块15S无明显吸水，不结块耐低温性S502345电绝缘性KV50喷射性能9097灭A类火灾效能三次灭火试验至少21二次成功灭B类火灾效能三次灭火试验至少二次成功0250MM00000002500125MM厂方公布值30000001250063MM厂方公布值601070000630040MM厂方公布值601158600400030MM1003600300020MM14621100200010MM21537800100008MM54655粒度分布0008MM4502662246为我院测定值580512550579抑制瓦斯爆炸时测点温度成功抑爆成功抑爆2433自动抑爆装置动作时间考察（1）试验方法连接探测器、控制器及抑爆器，使处于正常工作状态，在探测器旁边用点火药头作为自动抑爆装置动作时间参照点，用点火药头作为触发源触发探测器，用高速摄影装置摄录参照点火药头触发瞬间和抑爆器喷粉瞬间（不小于500幅/秒拍摄）。（2）结果处理自动抑爆装置成雾时间由下式计算T1N1T219式中T1自动抑爆装置动作时间，MS；N1参照点火药头点火到抑爆器喷出灭火剂的图像数，22幅；T摄录图像的时间间隔，MS。图29为点火药头点火瞬间，图210为抑爆器喷出抑爆剂瞬间。通过三次动作时间测试计算，自动抑爆装置的动作时间分别为32MS,33MS,32MS。图29点火药头点火瞬间图210抑爆器喷出抑爆剂瞬间3瓦斯煤尘爆炸抑爆试验研究自动抑爆装置抑制瓦斯爆炸或瓦斯煤尘爆炸的效果与在井下巷道中的安装位置和保护对象有关。通过模拟井下独头巷道瓦斯爆炸23和瓦斯煤尘爆炸试验，研究分析爆炸火焰和压力波的传播情况，并根据自动抑爆装置的动作时间确定自动抑爆装置在井下的安装位置。在大型地下试验巷道安装自动抑爆装置，通过瓦斯爆炸和瓦斯煤尘爆炸抑爆试验检验自动抑爆装置的抑爆效果。31试验条件311大型地下试验巷道我国尽管在建国初期就已经开展瓦斯煤尘爆炸的研究工作，但是，试验巷道的建设和大规模的试验研究工作起步较晚。煤炭科学研究总院XX研究院1974年开始建设我国唯一的一条大型瓦斯煤尘爆炸试验巷道，于1981年建成并交付使用。至今，已完成国家课题，部、院课题以及国际合作项目多项。XX研究院大型试验巷道如图31和图32所示。巷道全长896M，其中可供爆炸试验的主巷长710M，其余186M为辅助巷道（副巷）。主巷中有平巷451M和倾角为24O的斜巷199M，以及连接平巷和斜巷的起坡段曲线巷道60M。平巷端头有两个起爆室，两室间用168M巷道联通。平巷（包括第一起爆室）直线长度为398M。在两个起爆室的端头分别设置了双重防爆门，门关闭后巷道形成一段封闭、一段开放的状态。试验时，爆炸从封闭端起爆后沿巷道向开口端传播，这样近似的模拟了煤矿井下掘进工作面发生瓦斯煤尘爆炸的实际状态。从巷道封闭端防爆门算起，在415M、7M、14M和28M处设置有封闭巷道用的密封环，当用塑料24薄膜在密封环处封闭后，可分别形成30M3、50M3、100M3和200M3四种容量等级的瓦斯起爆室。图31大型试验巷道系统示意图图32大型试验巷道现场图主巷为墙高1M，拱高16M，断面积72M2的半圆拱形巷道。巷道支护方式为锚、喷、网联合支护形式。由于煤尘爆炸随着传爆距25离的增加，爆炸压力、火焰速度等爆炸参量呈增加的趋势，巷道支护强度也随距起爆室距离的增加而增加，一般按0784MPA147MPA强度考虑。在个别特殊地段，如起爆室、交岔口、弯曲段、出口段等区段，采取特殊加固措施，保证巷道有足够的抗内爆强度。在巷道两侧高度分别为11M和155M处沿巷道安设纵向煤尘架，在高度19M处每间隔3M安设有顶梁煤尘架。在架上铺设煤尘并在暴风作用下飞扬于巷道空间而引起煤尘爆炸与传播。为测试各爆炸参量，沿巷道两侧壁内对称布置有测试用壁龛，壁龛间用埋设在壁内的钢管联通，管内铺设电源及测试信号电缆。在壁龛盖板上安设各类爆炸参量传感器，壁龛内安设遥测仪等信号传输设备。壁龛间距除040M为10M外，从40M到出口均为20M间距。为吊挂煤尘或隔爆消焰剂，在巷道顶部每间隔15M安设有一排3个一组的挂钩。在断面两侧下角处沿巷道铺设有供试验用的水管和压风管道。312试验数据采集系统试验过程中瓦斯煤尘爆炸破坏力强、危险性大，且地下爆炸试验段距地面测控中心超过300M，信号传输距离远，数据的采集困难，受到的各种干扰较大，如何进行准确的数据采集是实验的关键。本研究的实验系统除利用自动数据采集仪器外，还对火焰、压力信号进行了前置放大，对火焰信号进行了门限滤波。26地下巷道的壁龛中除成组安装有火焰、压力传感器外，还装有为传感器供电和对所采集信号进行放大的装置以及为该装置供电的12V稳压直流电源。火焰、压力传感器输出信号分别经放大器放大后转换为标准信号（满量程为10V和5V），通过屏蔽干扰的信号传输线传入地面测控中心的PXI50612高速多通道数据采集分析系统，如图33和图34所示。所有的电缆、仪器和装置均满足防爆要求。图33高速多通道数据采集分析系统原理图图34高速多通道数据采集分析系统PXI50612高速多通道数据采集分析系统具有对32个通道进行A/D转换，具备50MHZ并行采样的能力，系统自动保存所采集的数27据，同时可进行数据的后处理分析。火焰传感器采用以2CU24光敏二极管为核心的自制光电火焰探头。考虑到火焰信号为开关信号，为了便于判读，在对火焰信号进行放大的同时进行了门限滤波，实验中采集到的典型火焰信号如图35所示，可见经过处理后的火焰信号便于判读，提高了读数精度，减少了误差。图35典型的火焰信号压力传感器采用高频响的压阻传感器。按量程压力传感器分为02MPA、05MPA、10MPA和20MPA等规格。压力信号经放大器放大为满量程5V的标准电信号，该模拟电信号经过PXI50612数据采集工控计算机的高速A/D转换器变为数字信号直接存储在计算机的物理内存中，实验后可转存为数据文件保存于计算机硬盘以便后续处理。实验中采集到的典型压力信号如图36所示，由于实验前对压力测量系统进行了标定，从电信号的电压值即可计算爆炸实验中的压力值。28图36典型的压力信号本系列试验采样频率为625K（6251024样点/秒），采样长度为256K，采样时间为256K/625K4096S。采样时间较长，为了试验可靠性考虑，触发采用手动触发。313配气系统试验过程中需使用95左右的瓦斯/空气混合气体，为了得到这种气体，本研究采用专用的配气系统，并通过气体循环回路校核瓦斯的浓度。配气系统如图37所示。在巷道中，预埋了环形钢架以便用薄膜进行封膜。环形钢架距巷道封闭端的距离分别为7M、14M和28M，封闭的瓦斯容量分别为50M3、100M3和200M3。在防爆门和封膜之间的局部封闭空间中通过配气回路形成一定浓度的瓦斯进行爆炸试验，模拟煤矿中最有可能发生的、因各种原因造成的通风不善、瓦斯聚集进而引发的瓦斯爆炸事故。29配气罐配气泵图37配气系统314点火装置为保证可靠点火，试验中将点火头作为瓦斯、煤尘爆炸点火源，每个点火头的点火能量为125MJ。为了可靠点火，通常在同一平面布置两个（或以上）的点火头，如图38和图39所示。同时，考虑到要减小点火电脉冲对数据采集系统的影响，实验中点火电源采用36V稳压直流电源。为保证实验的安全，点火控制开关设在地面测控中心。图38巷道试验系统示意图图39巷道试验点火位置本系列试验采用两个点火药头点火。33瓦斯爆炸和瓦斯煤尘爆炸传播试验331试验内容在煤炭科学研究总院XX研究院地下大型试验巷道中模拟煤矿30井下独头掘进工作面状况进行瓦斯爆炸和瓦斯煤尘爆炸传播试验。为较好地模拟实际煤矿中局部瓦斯爆炸或瓦斯煤尘爆炸传播，试验分为两组进行。（1）瓦斯爆炸传播试验。从防爆门开始封闭瓦斯体积浓度为8510瓦斯空气混合气体50M3,点爆测试压力和火焰数据，试验三次。（2）瓦斯煤尘爆炸试验。从防爆门开始封闭瓦斯体积浓度8510瓦斯空气混合气体50M3,距防爆门10M30M吊挂和平铺均匀布置30KG煤粉（煤粉粒度150200目），点爆瓦斯继而引起煤尘爆炸，测试压力和火焰数据，试验三次。煤尘的铺设如图310。图310试验巷道内煤尘的铺设332试验前的准备3321测点布置如图311所示，测点沿巷道轴向布置，每个测点布置了压力传感器和火焰传感器，安装在巷道壁龛里（图312）。图311传感器的布置示意图31图312试验巷道内火焰和压力传感器的安装位置3322高速采集系统检查地下实验巷道整体位于山体内，坑道尤其是壁龛中湿度大，同时每次爆炸试验对仪器，包括压力、火焰传感器都可能造成很大的损坏。因此，每次试验前都对测试系统进行校准，同时在仪器安装到坑道中后通电不少于1小时，所有仪器在点火试验前保持稳定，系统自检正常。333试验过程3331瓦斯爆炸试验测试数据瓦斯爆炸三次试验火焰测试数据如表31。表31火焰测试数据火焰传感器安装位置（距防爆门M）102030406080火焰到达时间（S）1091121313921749第一次瓦斯浓度93火焰速度（M/S）825628火焰到达时间（S）1056118613711728第二次瓦斯浓度89火焰速度（M/S）775428火焰到达时间（S）1102122714091780第三次瓦斯浓度91火焰速度（M/S）805527瓦斯爆炸三次试验压力测试数据如表32。表32压力测试数据压力传感器安装位置（距防爆门M）10203040608032第一次压力最高峰值（MPA）016901530110007200650060第二次压力最高峰值（MPA）016801600105007000600058第三次压力最高峰值（MPA）017001560108007000630057第二次瓦斯爆炸试验压力波形如图312，火焰波形如图313。图312爆炸冲击波压力波形图313爆炸火焰波形3332瓦斯煤尘爆炸试验测试数据瓦斯煤尘爆炸三次试验火焰测试数据如表33。表33火焰测试数据火焰传感器安装位置（距防爆门M）102030406080火焰到达时间（S）108111991301136015271821第一次瓦斯浓度92火焰速度（M/S）859816912068火焰到达时间（S）107211851283134015041782第二次瓦斯浓度96火焰速度（M/S）8810217512272火焰到达时间（S）110812331330138815531851第三次瓦斯浓度91火焰速度（M/S）801031711216733瓦斯煤尘爆炸三次试验压力测试数据如表34。表34压力测试数据压力传感器安装位置（距防爆门M）102030406080第一次压力最高峰值（MPA）017201950220023601680099第二次压力最高峰值（MPA）017902010226023801690098第三次压力最高峰值（MPA）017601960218022801630097334试验结果分析3341瓦斯爆炸传播规律50M3瓦斯空气混合气体爆炸，封膜在距防爆门7M处。图314为三次瓦斯爆炸试验火焰变化曲线，横坐标为火焰测点距防爆门的位置，纵坐标为火焰到达测点的时间，曲线导数的倒数为火焰的传播速度，从曲线可以看出距爆源最近处测点（10M）火焰传播速度最快，接着火焰传播速度逐步下降，距防爆门40M以后测点均未探测到爆炸火焰，说明火焰传播已经完全消失。这是因为50M3瓦斯空气混合气体爆炸在很短的距离处完成爆炸过程发展，所以10M处测点附近传播速度最快，然后传播过程中由于气体膨胀产生的活塞效应和气体传播的摩擦等能量损耗而使火焰呈单调下降趋势，测点40M以后，火焰能量已经消耗殆尽。34图314瓦斯爆炸火焰变化曲线图315为三次瓦斯爆炸压力最高峰值变化曲线，横坐标为压力测点距防爆门的位置，横坐标测点的最高压力峰值。从图中可以看出，距爆源最近测点（10M）的压力峰值是整个爆炸过程的最大值。爆炸冲击波压力峰值随距爆源点距离的增大而单调减少。爆炸压力波呈现以上特点是因为冲击波压力在爆源附近就上升到最大值，而在传播过程中也是由于气体膨胀产生的活塞效应和气体传播的摩擦等能量损耗而使压力不断下降。压力波传播不同于爆炸火焰的传播，波的衰减过程相对较长，在测点60M和80M处有一定的压力值，而已经完全没有了火焰。35图315瓦斯爆炸冲击波压力峰值变化曲线3342瓦斯煤尘爆炸传播规律图316为三次瓦斯煤尘爆炸试验火焰传播变化曲线，曲线斜率的倒数为火焰的传播速度。图317为三次瓦斯煤尘爆炸试验压力峰值变化曲线，横坐标为测点距防爆门位置，纵坐标为压力峰值。从图316和图317可以看出由于煤尘参与爆炸，火焰速度和冲击波压力在铺有煤尘段迅速上升，煤尘铺设段后（煤尘铺设短1030M）经过一段距离的发展，在测点40M附近达到最大值，然后逐步下降。巷道中的煤尘被冲击波扬起后形成煤尘云，达到爆炸界限后被瓦斯爆炸火焰点爆，由于沿巷煤尘参与了爆炸反应，使爆炸得以自身延续和发展，使原来的较弱爆炸发展成为强爆炸。瓦斯爆炸冲击波扬起沉积煤尘，初始的层流火焰点燃煤尘使其爆炸，层流火焰转变成了湍流火焰。大涡湍流使火焰皱褶，增加燃烧面积，小涡湍流可提高火焰内部的有效输运能力，这些都有助于36提高燃烧速率。由于湍流使火焰皱褶成漏斗状，形成冲击波与火焰的相互作用，其结果使燃烧速率增大，最终形成了一个极其扭曲的火焰阵面，这不仅增大了火焰面积，也相应增加了能量释放速率，也是未燃气体和煤尘获得更高的位移速率，并导致压力波进一步增强。这种火焰燃烧速率和气体动力学流动结构之间的正反馈机制使火焰速度和压力值不断增强。爆炸起始阶段，煤尘铺设点需要冲击波把煤尘扬起来参与反应。所以煤尘铺设段前端火焰速度和冲击波压力并不比单纯的瓦斯爆炸大，最大火焰速度和冲击波压力也不在煤尘铺设末端，而在末端后边。当火焰速度和冲击波压力到达最大值后，由于没有了参与反应的煤尘和瓦斯，爆炸反应中止，爆炸波演变为惰性波冲击波，内摩擦、壁面吸热和与介质的摩擦使冲击波不断衰减；火焰也由于不断的消耗，传播速度逐渐下降。试验中由于试验条件的限制，仅在距防爆门1030M之间铺设了煤尘，所以爆炸火焰速度和冲击波压力先上升后下降。实际煤矿井下，若巷道中有大量的沉积煤尘，火焰燃烧速率和气体动力学流动结构之间的正反馈机制使火焰速度和压力值不断增强，会从爆燃发展为爆轰。37图316瓦斯煤尘爆炸火焰变化曲线图317瓦斯煤尘爆炸火焰变化曲线335自动抑爆装置安装位置的选择自动抑爆装置探测器、控制器和抑爆器之间用阻燃屏蔽抗干扰信号电缆连接，三者之间安装时的相对位置如图318所示。控制器靠近抑爆器安装，传感器和抑爆器隔开一定的距离，保证爆炸火焰传播到抑爆器时，抑爆器已经开始喷出抑爆剂。38图318自动抑爆装置各设备安装相对位置自动抑爆装置的动作时间约为33MS，即爆炸发生时，自动抑爆装置探测器从探测到爆炸火焰到抑爆器喷出抑爆剂约33MS，安装时考虑爆炸火焰在探测器和抑爆器之间的传播时间要大于33MS，否则当火焰阵面到达抑爆器，抑爆器尚未喷出抑爆剂，则不能抑制爆炸火焰。可能的爆炸火焰传播速度较小时，探测器与抑爆器之间的距离可以缩短，火焰传播速度较大时，可以适当增加两者之间的距离，以保证抑爆器喷出抑爆剂。但是探测器和抑爆器之间距离过长，电缆传输将会使信号大量损失而影响装置动作，所以两者之间距离不应过长，一般不超过50M。研究瓦斯爆炸和瓦斯煤尘爆炸传播规律表明，工作面发生爆炸的初始阶段，爆炸火焰传播速度一般小于100M/S，33MS的时间传播距离约为33M。为了在工作面爆炸初始阶段抑制爆炸的传播，防止可能发生联锁反应，自动抑爆装置宜在靠近工作面安装。自动抑爆装置探测器探测距离为5M，所以探测器与工作面的安装距离应小于5M，抑爆器与传感器之间的距离应大于33M，取15倍的安全系数，两者距离应大于3315，约5M。为了在距工作面附近抑制爆炸的传播，确定探测器与抑爆器的距离应大于5M,小于10M。控制器应在探测器与抑爆器之间靠近抑爆器安装。工作面煤尘、粉尘大，人员设备多。自动抑爆装置在靠近工作爆炸探测器控制器抑爆器39面约10M处安装，探测器窗口容易被粉尘覆盖，给装置维护造成不便；工作面人员或其它设备的工作很可能接触到自动抑爆装置而对装置造成影响。为此，自动抑爆装置可以适当远离工作面安装。自动抑爆装置在低矮巷道断面应用主要是为了替代隔爆水槽水袋的作用，参考隔爆水袋水槽安装位置为距离工作面60150M，自动抑爆装置可以考虑此位置范围内安装。34自动抑爆装置抑爆试验地下试验巷道不同位置安装自动抑爆装置，装置处于工作状态，通过瓦斯煤尘爆炸试验检验装置的抑爆效果。341试验内容试验分为两组（1）自动抑爆装置靠近工作面安装抑爆试验。在地下试验巷道距离防爆门10M处安装探测器，15M处安装控制器，18M处安装抑爆器。防爆门处开始封闭瓦斯体积浓度8510瓦斯空气混合气体50M3,距防爆门10M30M吊挂和平铺均匀布置30KG煤粉（煤粉粒度150200目），点爆测试压力和火焰数据，检验自动抑爆装置的抑爆效果，试验三次。（2）自动抑爆装置距工作面较远处安装抑爆试验。在地下试验巷道距离防爆门60M处安装探测器，70M处安装控制器，76M处安装抑爆器。同样通过50M3瓦斯空气混合气体30KG煤粉爆炸试验，测试压力和火焰数据，检验自动抑爆装置的抑爆效果，试验三次。40342试验前的准备自动抑爆装置探测器和控制器安装于巷道两边的壁龛里，两个自动抑爆器首先固定在架子上，然后分别放置于巷道壁两侧巷道断面与巷道底部交叉的直线上，抑爆器喷嘴与巷道壁约呈20的夹角，朝向巷道上部。安装如图319、320及321所示。图319探测器安装图320控制器安装图321抑爆器安装41343试验过程3431第1组试验抑爆试验火焰测试数据如表35。表35火焰测试数据火焰传感器安装位置（距防爆门M）102030406080火焰到达时间（S）1176第一次瓦斯浓度95火焰速度（M/S）火焰到达时间（S）1079第二次瓦斯浓度93火焰速度（M/S）火焰到达时间（S）1116第三次瓦斯浓度92火焰速度（M/S）抑爆试验压力测试数据如表36。表36压力测试数据压力传感器安装位置（距防爆门M）102030406080第一次压力最高峰值（MPA）017801150078005600420028第二次压力最高峰值（MPA）017601140077005200370020第三次压力最高峰值（MPA）0175011200750053003600223432第2组试验抑爆试验火焰测试数据如表37。表37火焰测试数据火焰传感器安装位置（距防爆门M）102030406080火焰到达时间（S）10811197129813561519第一次瓦斯浓度94火焰速度（M/S）8699171123火焰到达时间（S）1072118712831340150第二次瓦斯浓度96火焰速度（M/S）87104177125第三次火焰到达时间1118123913381398156542（S）瓦斯浓度92火焰速度（M/S）83101168120抑爆试验压力测试数据如表38。表38压力测试数据压力传感器安装位置（距防爆门M）102030406080第一次压力最高峰值（MPA）017701990224023901660038第二次压力最高峰值（MPA）018102030225023801640035第三次压力最高峰值（MPA）017501970220023101640031344试验结果分析第1组试验自动抑爆装置抑爆器安装于距防爆门18M处，从表35可以看出三次试验中布置于距防爆门20M处的火焰测点均没有探测到火焰数据，这说明三次试验自动抑爆装置均可靠动作，抑爆器及时喷出抑爆剂抑制了爆炸火焰的传播。图322为未采用自动抑爆装置的瓦斯煤尘爆炸传播试验与采用了自动抑爆装置的瓦斯煤尘爆炸抑爆试验各测点压力峰值的对比图。图中曲线上三条为瓦斯煤尘爆炸传播试验压力峰值曲线，下三条曲线为瓦斯煤尘抑爆第1组试验压力峰值曲线，从图中可以看出，在自动抑爆装置抑爆器之前10M处测点6次试验压力峰值均相近，在抑爆器之后抑爆剂抑爆剂的作用，各测点抑爆试验压力峰值比传播试验压力峰值下降程度很大，且是一直下降，这说明自动抑爆装置对压力波的传播也有很好的衰减作用。43图322第1组抑爆试验与传播试验压力峰值对比第2组试验自动抑爆装置抑爆器安装于距防爆门76M处。图323为瓦斯煤尘爆炸传播试验与第2组瓦斯煤尘爆炸抑爆试验火焰传播的对比图。在抑爆器之前瓦斯煤尘爆炸传播试验与瓦斯煤尘爆炸抑爆试验火焰传播规律类似；抑爆器之后，三次抑爆试验80M处的测点均没有探测到火焰，抑制了爆炸火焰的传播。图324为第2组瓦斯煤尘爆炸抑爆试验与瓦斯煤尘爆炸传播试验压力峰值对比图，从图中可以看出，抑爆试验与传播试验压力峰值的变化规律在抑爆器之前一致，而在抑爆器之后，抑爆试验压力峰值比传播试验压力峰值下降程度很大，也说明了自动抑爆装置抑爆过程对压力波有很强的衰减作用。44图323第2组抑爆试验与传播试验火焰对比图324第2组抑爆试验与传播试验压力峰值对比35试验结论（1）自动抑爆装置不但可以抑制爆炸火焰的传播，而且可以衰减爆炸冲击波传播。（2）试验条件下，自动抑爆装置在靠近工作面10M左右安装和距工作面较远的距离60150M之间距离安装均能够抑制爆炸的传播。但在较远距离安装时应适当增加探测器与抑爆器之间的距离。（3）自动抑爆装置动作可靠，性能稳定。6次抑爆试验均可靠触45发抑制了瓦斯爆炸传播，试验完成后对自动抑爆装置各项性能指标检测，均正常。（4）试验研究是在72M2的巷道断面进行的，对于低矮巷道断面，自动抑爆装置在类似试验条件下将有更好的抑爆效果。4低矮断面巷道内抑爆装置的安装本项目主要解决在低矮断面巷道内安装时自动抑爆装置正常使用的问题。项目组成员分别在XX省红炭山矿业公司漳平分公司下属大瑶煤矿、文宾山煤矿和武陵煤矿三个煤矿进行了安装。4641矿井概况411大瑶煤矿大瑶煤矿（原大瑶工区）隶属大坑井田，与文宾山井田毗邻，行政区隶属漳平市双洋镇，距漳平市35公里，井田面积约为299平方公里。矿井井田范围北以35勘探线为界，南以22线勘探线为界，开采深度525M至100M水平标高，共有6个拐点圈定。矿井瓦斯等级为低瓦斯矿井。矿井于2003年9月对北采区360南D5煤层和325一道石门D4煤层进行煤尘爆炸性签定，签定结果为325一道石门D4煤层煤样无煤尘爆炸性危险，北采区360南D5煤层煤样有煤尘爆炸性危险。于2005年5月对D4（325）、F2（290）两层煤进行了煤自燃倾向性等级签定，签定结果为3类，不易自燃（煤炭科学研究总院XX分院）。由于我矿D5煤层主要分布于北二采区260区段，于08年7月份在北二采区260三道石门处安装了煤尘爆炸预警装置。412文宾山煤矿文宾山矿矿区位于漳平市北部，行政区隶属漳平市新桥镇管辖，距漳平市区49公理。地理坐标东经11723161172416北纬25031152502345。文宾山煤矿于1974年开始建井，1982投产，原设计年产量15万吨，1991年矿井重新核定生产能力9万吨年。因前期阶段生产系统尚未完善，生产布局受约束，及受复杂地质开采条件的影响，19821998年历年产量均在7万吨左右徘徊。由于近几年来不断进47行生产布局优化调整，矿井生产系统逐渐完善，生产能力逐渐加强，2004年重新核定矿井生产能力为12万吨；2007年核定生