基于ZFM4/48 型區(qū)域自動噴粉滅火裝置的煤礦抑爆系統(tǒng)設(shè)計

衛(wèi)穎婕

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備科工安全儀器有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000）

引言

煤層內(nèi)部通常會包含有大量瓦斯，所以在煤礦開采過程中，工作面會涌出很多瓦斯氣體。瓦斯屬于易燃易爆氣體，當(dāng)?shù)V井內(nèi)的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到一定程度時，如果再遇上明火或者由于機(jī)械摩擦、電路短路等產(chǎn)生的火花時，就非常容易引起火災(zāi)，甚至爆炸[1-4]。礦井內(nèi)出現(xiàn)火災(zāi)就會產(chǎn)生大量的有毒有害的煙霧氣體，對于小范圍的火災(zāi)如果不及時進(jìn)行撲滅，必然會引發(fā)更大范圍的火災(zāi)，對礦井造成非常嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。為了能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)礦井內(nèi)部的火苗并對其進(jìn)行撲滅，煤礦科研人員設(shè)計研究了礦井滅火抑爆系統(tǒng)[5]。但類似的安全系統(tǒng)在我國并不是非常普及，因此有必要對其進(jìn)行深入的分析和研究，以提升系統(tǒng)的性能，推廣其應(yīng)用范圍[6]。

1 煤礦抑爆系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

如圖1 所示為煤礦抑爆系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖。從圖中可以看出，整個煤礦抑爆系統(tǒng)是由多個部分構(gòu)成的，主要包括區(qū)域自動噴粉滅火裝置、礦用本質(zhì)安全型控制器和電源、煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?、聲音和燈光報警裝置等。通過煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅骺梢詫?shí)時檢測礦井內(nèi)部的煙霧和火焰情況，以判定礦井的安全狀態(tài)。

2 抑爆系統(tǒng)主要硬件設(shè)施

圖1 煤礦抑爆系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

1）區(qū)域自動噴粉滅火裝置。本系統(tǒng)中采用的區(qū)域自動噴粉滅火裝置的型號為ZFM4/48，主要由高壓抑爆劑存儲罐以及閥門開啟裝置構(gòu)成，高壓抑爆劑存儲罐的作用是存儲滅火干粉，閥門開啟裝置的作用是一旦系統(tǒng)檢測到礦井內(nèi)存在火苗或煙霧時，會下達(dá)控制指令開啟閥門，將存儲罐的閥門開啟后存儲罐內(nèi)的滅火干粉會自動噴出，將區(qū)域內(nèi)的火苗撲滅。開啟高壓抑爆劑存儲罐的基本原理是通過電子觸發(fā)器對封膜片進(jìn)行擊破處理，根據(jù)相關(guān)測驗(yàn)結(jié)果，閥門可以在2 ms 內(nèi)快速打開。可以看出，區(qū)域自動噴粉滅火裝置的反應(yīng)時間非常短，能夠在非常短的時間內(nèi)將粉末噴出進(jìn)行滅火。

2）煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鳌５谝?，系統(tǒng)中選用的煙霧傳感器型號為KGN1，該型號煙霧傳感器為本安型傳感器，主要針對煤礦進(jìn)行設(shè)計，在煤礦井下有廣泛應(yīng)用。其正常的工作環(huán)境為：空氣相對濕度不超過95%，空氣溫度在-20～40 ℃范圍內(nèi)，周圍不存在非常顯著的振動和沖擊。煙霧傳感器需要通過12.5～18 V 的直流電源進(jìn)行供電，當(dāng)空氣中的煙霧濃度在0.1 mg/m3時，該型號傳感器可以在15 s 內(nèi)檢測到煙霧的存在；第二，選用的火焰?zhèn)鞲衅餍吞枮镚HZ5，同樣為本安型傳感器，可以在礦井復(fù)雜的工作環(huán)境下使用。通過火焰?zhèn)鞲衅髂軌蚩焖?、?zhǔn)確地檢測火焰相關(guān)信息，并將其轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號輸入到控制器中進(jìn)行分析和處理。該型號傳感器具有探測范圍廣、反應(yīng)靈敏、準(zhǔn)確率高、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)勢，在煤礦領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。需要通過5 V 直流電壓對其進(jìn)行供電，工作電流不超過70 mA，對于5 m 范圍內(nèi)燭光的火焰能夠在5 ms 時間內(nèi)檢測到。

3）PLC 控制器。傳感器檢測得到的數(shù)據(jù)信息，需要傳輸?shù)絇LC 控制器中進(jìn)行處理，以判斷是否超過安全范圍值。可以看出PLC 控制器是整個煤礦抑爆系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心，性能的優(yōu)劣會對整個抑爆系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生重要影響。結(jié)合煤礦實(shí)際情況，最終選用的是西門子公司設(shè)計制造的S7-1200 型PLC 控制器。該信號傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)異的優(yōu)勢，能夠在1 ms 時間內(nèi)完成檢測數(shù)據(jù)信號與安全范圍閾值的對比分析工作。可以看出，該型號控制器的應(yīng)用可以縮短抑爆系統(tǒng)的整體響應(yīng)時間。

4）供電電源。本系統(tǒng)在工作時煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱蚉LC 控制器都需要電源對其進(jìn)行供電，電源取自于礦用電壓，為交流127 V。但上述裝置都要求本安型直流電壓對其進(jìn)行供電，且不同裝置要求的電壓大小存在差異。所以需要通過本安型電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備將礦用127 V 交流電壓轉(zhuǎn)換成為各裝置需要的本安型直流電壓。另一方面，為了確保抑爆系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還配備了備用電源。目的在于如果礦井電源無法正常供電時，可以在6 ms 時間內(nèi)將供電電源切換到備用電源中，對煤礦抑爆系統(tǒng)進(jìn)行供電。雙電源設(shè)計能夠在很大程度上提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3 煤礦抑爆系統(tǒng)的基本工作流程

如圖2 所示為煤礦抑爆系統(tǒng)的基本工作流程圖。系統(tǒng)啟動運(yùn)行后，首先是進(jìn)行初始化處理，作用是對各裝置的設(shè)置參數(shù)進(jìn)行歸零，同時檢測各裝置是否能正常工作。進(jìn)行初始化處理確保一切正常后，煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鲉庸ぷ?，對礦井內(nèi)部環(huán)境的煙霧和火焰情況進(jìn)行實(shí)時檢測。檢測得到的數(shù)據(jù)信息通過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號，輸入到PLC 控制器中進(jìn)行對比分析。經(jīng)過PLC 控制器處理后，只要煙霧指標(biāo)和火焰指標(biāo)中的其中一個指標(biāo)超過了系統(tǒng)設(shè)定的安全范圍閾值?？刂破骶蜁逻_(dá)控制質(zhì)量，控制滅火裝置的閥門開啟裝置，進(jìn)而將高壓抑爆劑存儲罐開啟，內(nèi)部存儲的滅火干粉大量噴出進(jìn)行滅火。另一方面，系統(tǒng)還會下達(dá)指令控制聲音和燈光報警裝置，以發(fā)出聲音警告和燈光警告，提示井下相關(guān)工作人員進(jìn)行處理。

圖2 煤礦抑爆系統(tǒng)的基本工作流程圖

以上就是煤礦抑爆系統(tǒng)的基本工作流程，可以看出，整個流程比較簡單，可以縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時間，提升系統(tǒng)的可靠性。設(shè)計的抑爆系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了自動化處理，不需要安排專人進(jìn)行看守，能夠快速撲滅礦井中出現(xiàn)的火苗，確保礦井安全。

4 煤礦抑爆系統(tǒng)應(yīng)用效果試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)過程介紹

為了對設(shè)計的煤礦抑爆系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)，搭建了一個煤礦硐室模型，硐室模型的規(guī)格尺寸盡量按照煤礦實(shí)際尺寸來執(zhí)行，其長度、寬度和高度分別為4 m、4 m 和3.5 m。在硐室模型中布置本文設(shè)計的煤礦抑爆系統(tǒng)，并在硐室空間模型中隨機(jī)布置5 個火源，火源在工作時能夠噴出火焰和煙霧?；谏鲜龃罱ǖ哪Ｐ烷_展試驗(yàn)工作，整個試驗(yàn)過程通過高速工業(yè)攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，然后基于拍攝錄像來分析系統(tǒng)的運(yùn)行情況。試驗(yàn)開始時，5 個火源同時冒出火焰和煙霧，系統(tǒng)啟動工作撲滅火焰。共進(jìn)行了兩次試驗(yàn)，以下對相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行介紹和分析。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對實(shí)驗(yàn)過程的錄像進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在兩次實(shí)驗(yàn)過程中，煤礦抑爆系統(tǒng)的煙霧傳感器、火苗傳感器全部正常工作，快速檢測到了煙霧和火焰。抑爆系統(tǒng)快速反應(yīng)，啟動區(qū)域滅火裝置，將5 處火苗全部撲滅，并且后續(xù)0.5 h 內(nèi)沒有出現(xiàn)火苗復(fù)燃的現(xiàn)象。進(jìn)一步統(tǒng)計分析了系統(tǒng)的響應(yīng)時間，發(fā)現(xiàn)兩次實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)的響應(yīng)時間均沒有超過1 s，即在火苗點(diǎn)燃1 s時間內(nèi)，滅火裝置就啟動工作，噴灑滅火干粉將火苗撲滅。

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，設(shè)計的煤礦抑爆系統(tǒng)能夠有效工作，快速檢測火苗和煙霧，并將火苗撲滅，后續(xù)不再出現(xiàn)復(fù)燃的現(xiàn)象。將該系統(tǒng)應(yīng)用到工程實(shí)踐中，能夠顯著提升礦井的安全性，避免礦井內(nèi)部出現(xiàn)大面積的火災(zāi)甚至爆炸的情況。

5 結(jié)論

經(jīng)過相關(guān)試驗(yàn)工作發(fā)現(xiàn)，基于區(qū)域自動滅火裝置的煤礦抑爆系統(tǒng)，能夠?qū)^(qū)域內(nèi)的火苗和煙霧情況進(jìn)行自動檢測，一旦發(fā)現(xiàn)火苗和煙霧超過安全范圍閾值，系統(tǒng)就會啟動滅火裝置，及時將火苗撲滅，確保煤礦安全。說明設(shè)計的煤礦抑爆系統(tǒng)能夠有效檢測并撲滅火苗，應(yīng)用效果非常好。