瓦斯煤塵爆炸抑隔爆技術研究進展

司榮軍，王 磊，賈泉升

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

近年來，我國煤礦安全生產(chǎn)形式持續(xù)好轉，但煤 礦致災因素復雜多樣，安全生產(chǎn)事故還存在反復性、長期性的問題。瓦斯（煤塵）爆炸一直是煤礦危害最為嚴重的事故之一。自新中國成立以來，全國煤礦發(fā)生一次死亡百人以上的事故共25 起，其中有21 起是瓦斯（煤塵）爆炸事故，占事故總數(shù)的84%，占死亡總人數(shù)的87%。根據(jù)近年來的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2001—2016 年，我國煤礦發(fā)生的特大瓦斯煤塵爆炸事故共44 起，死亡2 761 人；2017—2019 年上半年，我國共發(fā)生煤礦事故356 起，死亡654 人，其中瓦斯（煤塵）爆炸事故49 起，死亡162 人。瓦斯（煤塵）爆炸事故不僅對礦工生命安全產(chǎn)生巨大威脅，也造成了國家財產(chǎn)的巨大損失。瓦斯（煤塵）爆炸事故的持續(xù)發(fā)生，使得我國專家學者加大了對瓦斯（煤塵）爆炸傳播規(guī)律及防控技術的研究力度。很多高校和科研院所利用自制管道，對管道內(nèi)瓦斯爆炸火焰和沖擊波的傳播規(guī)律進行了實驗研究，并分析了管道特征對爆炸傳播的影響機理[1-9]。在大型巷道內(nèi)開展了瓦斯爆炸傳播規(guī)律實驗研究和數(shù)值仿真研究，為技術的工程應用奠定了基礎[10-13]。學者們對瓦斯爆炸抑制技術進行了詳細研究，分析了水、抑爆粉劑、惰性氣體等對瓦斯爆炸的抑爆機理[14-21]。通過不斷的探索和研究，逐漸形成了較為成熟的瓦斯（煤塵）爆炸抑隔爆技術。該技術是以巷道（管道）內(nèi)瓦斯（煤塵）爆炸火焰、沖擊波傳播規(guī)律為基礎，通過一定的方式使抑制劑（水、粉劑、惰性氣體等）形成一定區(qū)域的抑制帶，從而撲滅爆炸火焰、隔絕爆炸傳播的技術。按照技術原理，瓦斯（煤塵）爆炸抑隔爆技術可以分為被動式隔爆技術和主動式抑隔爆技術。主動式抑隔爆技術已經(jīng)在我國煤礦低濃度瓦斯抽放管路、排空管路等進行了大規(guī)模的應用，取得了良好的效果；但主動式抑隔爆技術在煤礦井下應用還缺乏相應的技術規(guī)范支撐，因此應用較少。被動式隔爆技術是煤礦井下巷道隔絕瓦斯（煤塵）爆炸的主要手段，在國內(nèi)外煤礦得到推廣應用?；诖耍瑢ν咚梗簤m）爆炸抑隔爆技術的研究歷程、技術及裝備特點進行介紹，并對其發(fā)展方向進行了展望。

1 瓦斯（煤塵）爆炸傳播規(guī)律

目前發(fā)生的很多煤礦瓦斯爆炸事故都屬于可燃氣體爆燃問題，即火焰以亞音速傳播，前驅(qū)沖擊波在火焰陣面前方形成擾動，火焰在被擾動的介質(zhì)中傳播，形成了火焰波和前驅(qū)沖擊波的兩波三區(qū)結構。爆炸產(chǎn)生的火焰和沖擊超壓對礦井設施和人員生命安全造成損害，其發(fā)展變化特性決定了爆炸事故破壞程度的大小。為了應用抑隔爆技術減小災害范圍，國內(nèi)外學者開展了爆炸傳播規(guī)律研究。其中，爆炸壓力波和火焰陣面的位置關系研究為被動式隔爆技術及裝備研發(fā)提供了理論依據(jù)；爆炸壓力峰值及火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊妊芯縿t為主動式抑隔爆裝備研發(fā)及應用技術研究提供技術支撐。

爆炸沖擊波的直接沖擊和火焰灼燒對井下人員和設備設施的破壞非常顯著。部分學者對直管道和巷道內(nèi)的沖擊波和火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律進行了研究[22-25]。如文獻[22]在直徑為500 mm 的大尺度管道內(nèi)開展了瓦斯爆炸傳播規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)最大壓力峰值出現(xiàn)在封閉端，在0.7～1.9 MPa 之間；火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增加，在出口處達到最大。文獻[13]在斷面7.2 m2、總長度896 m 的大型巷道內(nèi)開展了不同體積量的瓦斯煤塵爆炸傳播實驗，發(fā)現(xiàn)瓦斯爆炸火焰區(qū)長度是瓦斯積聚區(qū)的3～6 倍，瓦斯煤塵爆炸火焰區(qū)長度為煤塵區(qū)長度的2 倍左右；與純瓦斯爆炸相比，有煤塵參與爆炸時壓力峰值更大，火焰速度更快，其威力和破壞程度遠遠大于瓦斯爆炸。

部分學者還開展了環(huán)境條件對瓦斯爆炸傳播規(guī)律影響的實驗研究工作，研究發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛葘Ρ_擊波超壓和火焰?zhèn)鞑ニ俣扔忻黠@影響[26-28]，并對爆炸超壓的振蕩特性進行了研究[29]，分析了點火能量對瓦斯爆炸沖擊波和火焰的影響關系[29-32]。

拐彎、分叉、截面積突變等管道特征會對瓦斯爆炸傳播產(chǎn)生明顯的影響。近年來，學者們利用自制的管道，開展相關研究工作。如文獻[33-35]開展了不同拐彎角度的管道瓦斯爆炸實驗測試，發(fā)現(xiàn)沖擊波峰值超壓衰減率隨著管道拐彎角度的增大而增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃蠛鬁p小，經(jīng)過拐彎管道后迅速增加。文獻[36-41]開展了分叉管路瓦斯爆炸實驗測試，研究發(fā)現(xiàn)管道分叉處為一擾動源，誘導附加湍流，氣流的湍流度增大[37]，管道分岔對瓦斯爆炸的火焰和超壓都有增強的作用[38]。文獻[42-44]研究了管道截面積變化對瓦斯爆炸的影響，發(fā)現(xiàn)管道截面積突然變大會導致明顯的爆炸沖擊波超壓衰減[42]。

煤礦井下存在礦車、風筒、支護設施設備，一旦發(fā)生瓦斯煤塵爆炸事故，這些設備作為障礙物會在一定程度上影響爆炸火焰和沖擊波的傳播規(guī)律。目前，國內(nèi)外學者做了比較多的障礙物對瓦斯煤塵爆炸傳播的影響研究[45-53]，文獻[54-55]認為障礙物的存在對瓦斯爆炸壓力和火焰的傳播速度具有顯著的激勵作用，在一定程度上能提高爆炸湍流火焰的傳播速度，文獻[56]認為障礙物能降低瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑サ膶恿魉俣?。文獻[57-62]認為，障礙物的存在一定程度上對瓦斯爆炸的壓力產(chǎn)生了激勵作用，增大了瓦斯爆炸的威力。文獻[63]認為斷面變化影響了瓦斯爆炸的參數(shù)。文獻[64-68]認為阻塞率對瓦斯爆炸壓力有一定的影響，且阻塞率為50%時影響效果最明顯。文獻[69]認為阻塞率和障礙物層數(shù)是影響泡沫鐵鎳金屬阻抑瓦斯爆炸效果的主要因素。

2 主動式抑隔爆技術

2.1 主動式抑隔爆技術原理

主動式抑隔爆技術是指通過對爆炸信號的超前探測，主動噴灑抑爆劑，隔絕并熄滅火焰，終止爆炸火焰?zhèn)鞑サ募夹g。根據(jù)該技術研發(fā)的裝備，即主動式抑隔爆裝備，一般由觸發(fā)探測器、控制器、抑爆器3 部分組成。其原理為；將探測器安裝在潛在爆源處，當發(fā)生瓦斯（煤塵）爆炸時，探測器感知爆炸信息并迅速傳輸?shù)娇刂破鳎刂破饔|發(fā)抑爆器噴出抑爆劑，快速形成有效的抑爆劑云霧，與爆炸火焰充分接觸，吸收能量、破壞反應鏈，加速火焰的熄滅，從而終止火焰在瓦斯、煤塵云中的繼續(xù)傳播。自動抑隔爆裝置原理示意圖如圖1。

圖1 自動抑隔爆裝置原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of automatic explosion suppression device

主動式抑隔爆裝備按照應用場所，可以分為管道式、機載式和巷道式；按照驅(qū)動方式，可以分為儲壓式和產(chǎn)氣式；按照抑爆劑種類，又可以分為噴粉式、噴液式（噴水）以及噴惰性氣體式。

2.2 主動式抑隔爆技術及裝備的研發(fā)歷程

為控制爆炸事故范圍、減小災害，世界各主要產(chǎn)煤國不斷探索與創(chuàng)新抑隔爆技術，研發(fā)了具備實時響應、快速噴灑特點的抑爆裝置。1984 年，原西德利用儲壓原理研發(fā)了粉氣混裝的BVS 型抑爆裝置，形成粉霧時間＜100 ms；1985 年，美國以爆破拋撒為原理研發(fā)了Cardox 型抑爆裝置，形成粉霧時間180～490 ms；1990 年，原蘇聯(lián)基于實時產(chǎn)氣原理研發(fā)了ΒΠУ 型抑爆裝置，形成粉霧時間100 ms；英國以水為抑爆劑，通過壓縮空氣推動活塞噴水，研發(fā)了MK-Ⅱ型抑爆裝置，水擴散到巷道空間的時間＜180 ms。20 世紀90 年代末，南非研發(fā)了HS 系列機載式阻燃抑爆系統(tǒng)，能在爆炸發(fā)生30 ms 內(nèi)快速啟動；近年來，俄羅斯研制出巷道GBXT 自動化隔抑爆裝置，僅用25 ms 就可啟動裝置[70]。

我國開始研發(fā)主動式抑隔爆技術及裝備的時間較早，中煤科工集團重慶研究院有限公司（以下簡稱重慶煤科院）是最早開始相關研究并取得系列成果的科研單位。通過“八五”科技攻關計劃項目“防止瓦斯煤塵爆炸監(jiān)控報警及抑爆技術”，重慶煤科院成功研發(fā)了ZYB-S 型實時產(chǎn)氣式抑爆系統(tǒng)，是我國第1 臺抑爆系統(tǒng)，其信號探測方式為可見光探測，通過產(chǎn)氣式原理進行抑爆劑，具備簡單的故障檢測功能。ZYB-S 型實時產(chǎn)氣式抑爆系統(tǒng)如圖2。

圖2 ZYB-S 型實時產(chǎn)氣式抑爆系統(tǒng)Fig.2 ZYB-S real-time gas production explosion suppression system

通過“九五”科技攻關計劃“無電源觸發(fā)式抑爆裝置研究”、“自動式隔爆裝置隔絕煤塵爆炸傳播研究”等專題項目，重慶煤科院成功研發(fā)了ZGB-Y 型自動隔爆裝置、產(chǎn)氣式ZHY12 型自動抑爆裝置、YBW-I 型無電觸發(fā)式抑爆裝備等設備。ZGB-Y 型自動隔爆裝置如圖3。其中，ZGB-Y 型自動隔爆裝置是國內(nèi)第1 套通過儲壓式原理實現(xiàn)抑爆劑噴灑的隔爆裝置，具備爆炸條件識別、延時運算控制等功能；實時產(chǎn)氣式ZHY12 型自動抑爆裝置可以在100 ms 內(nèi)形成有效噴粉屏障；YBW-I 型無電源觸發(fā)式抑爆裝備具有抑爆性能優(yōu)越、成本低廉、價格便宜等優(yōu)點。其中，ZHY12 實時產(chǎn)氣式自動抑爆裝置通過研發(fā)改進，在低矮斷面巷道中得到成功應用[71]。根據(jù)研究成果，起草了煤炭行業(yè)標準MT 694—1997《煤礦用自動隔爆裝置通用技術條件》，對煤礦用自動隔爆裝置的技術條件、測試要求等進行了規(guī)定。

圖3 ZGB-Y 型自動隔爆裝置Fig.3 ZGB-Y type automatic flameproof device

“十五”期間，重慶煤科院承擔了科研院所社會公益研究專項資金項目“氣云和粉塵火災爆炸預防及監(jiān)控技術”，研發(fā)了ZRXL 型燃氣式干粉自動滅火抑爆系統(tǒng)。系統(tǒng)主要應用于非煤領域，系統(tǒng)啟動速度提高一倍以上，傳感器抗干擾能力增強。ZRXL 型燃氣式干粉自動滅火抑爆系統(tǒng)如圖4。

圖4 ZRXL 型燃氣式干粉自動滅火抑爆系統(tǒng)Fig.4 ZRXL gas-fired dry powder automatic fire suppression system

“十一五”期間，通過承擔《低濃度瓦斯安全輸送成套技術開發(fā)與裝備研制》項目，重慶煤科院研制了技術成熟的ZYB 瓦斯管道輸送自動噴粉抑爆裝置，并起草了安全行業(yè)標準AQ 1076—2009《煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設計規(guī)范》、AQ 1079—2009《瓦斯管道輸送自動噴粉抑爆裝置通用技術條件》，規(guī)范了瓦斯管道輸送自動噴粉抑爆裝置的性能、技術要求、安裝工藝等。技術及裝置在山西、安徽、貴州等國內(nèi)10 余個省份的煤礦企業(yè)得到了廣泛應用，有力保障了我國低濃度瓦斯的安全輸送及利用。ZYB 瓦斯管道輸送自動噴粉抑爆裝置如圖5。

山西蘭花漢斯瓦斯抑爆設備有限公司引進了南非漢斯HS 公司的主動抑爆技術及系統(tǒng)[72]，在山西部分煤礦企業(yè)進行了應用。

圖5 ZYB 瓦斯管道輸送自動噴粉抑爆裝置Fig.5 ZYB gas pipeline automatic powder spraying and explosion suppression device

上述主動式抑爆裝置（系統(tǒng)）所采用的抑爆介質(zhì)都是粉劑，其主要成分為磷酸二氫銨，高濃度粉劑云霧可以終止燃燒反應鏈，熄滅火焰。為了豐富主動式抑爆技術在煤礦的應用，重慶煤科院研發(fā)了在煤礦井下采掘巷道應用的水幕抑爆系統(tǒng)[73]。該系統(tǒng)探測到爆炸火焰信號后，由多組水幕設施噴灑水霧形成水霧帶，隔絕爆炸火焰的進一步傳播，其特點是水霧帶隔絕效果好、成本低、安全環(huán)保，且水霧還具有降塵作用，能夠防止煤塵參與反應形成二次爆炸。同時，還能夠隔絕有毒有害氣體的傳播。

為了適應不同的應用場合和環(huán)境，“十二五”期間，重慶煤科院研發(fā)了ZYBRG8-2 瓦斯管道輸送二氧化碳抑爆裝置和ZYBQG10-2 瓦斯管道輸送七氟丙烷抑爆裝置，其抑爆介質(zhì)為二氧化碳、七氟丙烷等惰性氣體。ZYBRG8-2 瓦斯管道輸送二氧化碳抑爆裝置如圖6，ZYBQG10-2 瓦斯管道輸送七氟丙烷抑爆裝置如圖7。惰性氣體抑爆的原理主要是窒息和冷卻：一方面，氣態(tài)抑爆劑分子分布于燃燒物的周圍，起到隔離作用，降低單位空間內(nèi)氧氣濃度，并減少甲烷與氧氣的接觸，起到隔絕窒息的作用；另一方面，液態(tài)抑爆劑從裝置內(nèi)噴灑出并迅速轉變成氣態(tài)需要吸收大量的熱量，降低了保護區(qū)和燃燒爆炸反應區(qū)的溫度，起到冷卻降溫的作用，降低燃燒反應速率。該系列技術及裝置噴灑的抑爆介質(zhì)為氣相，對使用場所及環(huán)境無污染。

在“十二五”期間，重慶煤科院研發(fā)了應用于煤礦井下巷道內(nèi)的主動式抑爆技術及裝備。其中，ZYBJ 礦用機載式自動噴粉抑爆裝置安裝于井下掘進機上，當掘進機頭附近產(chǎn)生爆炸火花時，在爆炸初始階段噴灑抑爆劑，具有整機響應時間短、動作靈敏、性能可靠、抑爆器噴撒滅火劑迅速等特點。ZYBJ型礦用機載式自動噴粉抑爆裝置如圖8。ZYBH(A/B)巷道式自動噴粉抑爆裝置安裝于井下平巷、轉載點或設備集中點附近，當發(fā)生爆炸事故時，傳感控制器探測到火焰信號并分析后觸發(fā)抑爆器，抑爆器迅速噴射出抑爆劑云霧并形成隔離帶，將爆炸抑制或阻斷火焰?zhèn)鞑?，具有抑爆劑量大、噴粉滯后時間短、成霧時間快、有效覆蓋面大的特點。ZYBH（A）型巷道式自動噴粉抑爆裝置基本構成如圖9。

圖6 ZYBRG8-2 瓦斯管道輸送二氧化碳抑爆裝置Fig.6 ZYBRG8-2 gas pipeline transportation carbon dioxide explosion suppression device

圖7 ZYBQG10-2 瓦斯管道輸送七氟丙烷抑爆裝置Fig.7 ZYBQG10-2 gas pipeline transportation heptafluoropropane explosion suppression device

圖8 ZYBJ 型機載式自動噴粉抑爆裝置Fig.8 ZYBJ airborne automatic powder spray explosion suppression device

機載式自動噴粉抑爆裝置主要針對爆炸初期火焰進行快速抑制，巷道式自動噴粉抑爆裝置則針對已經(jīng)發(fā)展起來的爆炸火焰進行隔絕抑制。該系列技術及裝備的研發(fā)為煤礦井下瓦斯（煤塵）爆炸事故防治奠定了基礎。

圖9 ZYBH（A）型巷道式隔爆裝置基本構成Fig.9 Basic composition of ZYBH（A）roadway explosionproof device

3 被動式隔爆技術

3.1 被動式隔爆技術原理

被動式隔爆技術依靠瓦斯煤塵爆炸產(chǎn)生的沖擊波動力來拋撒消焰劑，形成覆蓋一定區(qū)域的抑制帶，撲滅滯后于沖擊波傳播的火焰，阻止爆炸進一步傳播。被動式隔爆裝置就是基于這一技術原理研發(fā)，例如巖粉棚、水袋棚、水槽棚等，因其使用方便、成本低廉的優(yōu)點，在世界各主要產(chǎn)煤國得到了較為廣泛的應用。撒布巖粉方法是煤礦最早使用的控制瓦斯煤塵爆炸傳播的方法，波蘭、美國、英國等國家還制定了相應的標準。隨著研究的深入，又相繼研發(fā)了隔爆巖粉棚、隔爆水槽、隔爆水袋等隔爆措施。

根據(jù)瓦斯煤塵爆炸火焰、壓力傳播規(guī)律，在爆炸反應初期，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫哂跊_擊波傳播速度，火焰陣面在前，沖擊波峰在后；隨著爆炸的進一步發(fā)展，沖擊波速度快速增加，在距離爆源40 m 左右時，沖擊波趕上并超過火焰陣面；隨著傳播距離的增大，沖擊波與火焰陣面的間距越來越大。隔爆水槽、水袋就是利用爆炸所產(chǎn)生的沖擊波壓力擊碎水槽或使水袋脫鉤，使容器中的水形成覆蓋一定區(qū)域的水霧，撲滅隨后的火焰陣面，阻止爆炸繼續(xù)傳播。被動式隔爆措施的原理決定了它只能適用于隔絕瓦斯（煤塵）爆炸火焰?zhèn)鞑?，而不適用于撲滅壓力很小的瓦斯燃燒火焰。

《煤礦安全規(guī)程》（2016）第一百八十八條規(guī)定：高瓦斯礦井、突出礦井和有煤塵爆炸危險的礦井，煤巷和半煤巖巷掘進工作面應當安設隔爆設施。隔爆水槽、隔爆水袋在我國已普遍使用。

3.2 巖粉棚

巖粉棚是在巷道中安設的裝載巖粉的設施，當爆炸發(fā)生時，沖擊波掀翻巖粉棚使得巖粉飛揚并形成抑制帶，隔絕爆炸傳播。巖粉棚的消焰劑是巖粉，其原料為石膏、白云石、石灰?guī)r等，巖粉中的可燃物含量應小于5%，游離二氧化碳的含量不超過10%，材料不能含有毒物質(zhì)[74]。

目前國內(nèi)外常見的巖粉棚主要有惰性巖粉棚子和防潮巖粉棚子等。惰性巖粉棚子大多由若干巖粉槽或巖粉板組成，其隔爆機理為：爆炸發(fā)生時，爆風鋒面到達巖粉棚子，巖粉揚起形成濃厚的惰性巖粉云，對傳播著的火焰形成一種減速阻力，能阻止火焰對懸浮在空氣中但未燃燒的煤塵產(chǎn)生熱輻射，還能吸收部分煤塵爆炸所產(chǎn)生的熱量。由波蘭研制開發(fā)的KDB 型惰性巖粉棚子就是一種簡單、實用、隔爆性好的巖粉棚子[75]。永煤集團新橋煤礦借鑒波蘭研制的重型巴爾巴拉型巖粉棚，并對其在新橋煤礦的安裝和應用技術進行了研究[76]。普通巖粉棚的巖粉受環(huán)境的影響，易受潮結塊而難以飛揚形成有效抑制帶，削弱了撲滅火焰的效果。為解決普通巖粉棚易受潮的問題，重慶煤科院對巖粉棚的防潮性進行了進一步的研究。巖粉主要通過2 種方法進行防潮，即內(nèi)防潮和外防潮。內(nèi)防潮主要通過在巖粉中添加化學試劑進而起到防潮的作用，但巖粉制作復雜且成本高，不宜推廣使用；外防潮主要通過在巖粉槽的結構上采取措施，將巖粉裝入泡沫塑料制作的槽子中并加蓋密封。防潮巖粉棚安裝簡單，且?guī)r粉槽和巖粉制作簡便，是煤礦理想的隔爆措施[77-78]。

早期英國使用的巖粉棚分為3 類，即輕型巖粉棚、中型巖粉棚和重型巖粉棚[79]，這是根據(jù)“為每平方米斷面巷道斷面提供的巖粉用量”來劃分的，3 種棚的巖粉用量分別為107.4、195、390.7 kg/m2。我國的巖粉棚分為重型和輕型2 類。重型巖粉棚作為主要巖粉棚，巖粉量不少于400 kg/m2；輕型巖粉棚作為輔助巖粉棚，巖粉量不少于200 kg/m2。

3.3 隔爆水槽和隔爆水袋

從20 世紀20 年代開始，波蘭、西德、法國、英國、日本、蘇聯(lián)等國家就開展了水棚隔絕煤塵爆炸的研究工作，并成為當時世界主要產(chǎn)煤國隔絕煤塵爆炸的措施之一。我國從80 年代開始相關工作，重慶煤科院、平頂山礦務局、鶴壁礦務局對隔爆水棚進行了試驗研究，并逐步在煤礦進行了推廣應用[80]。

我國現(xiàn)在普遍使用的被動式隔爆技術裝備分為隔爆水槽、隔爆水袋2 大類，水槽或水袋動作瞬間如圖10。水的比熱容為4.2×103J/（kg·K），與火焰接觸，能大幅降低火焰溫度，使煤塵粒子之間的熱傳遞不能繼續(xù)進行。水在高溫火焰作用下形成水蒸氣，水在蒸發(fā)過程中要大量吸收熱量。同時，所形成的水蒸氣能隔絕熱輻射，抑制了煤塵的加熱氧化反應進行。

圖10 水槽或水袋動作瞬間Fig.10 Moment of action of the sink or water bag

周奠邦[81]通過研究認為“啟動棚子的爆炸波和火焰到達棚子的時間差、水霧在巷道斷面內(nèi)的擴散狀態(tài)、水霧充滿巷道的長度”是影響水袋棚動作有效性的主要因素，并對水袋棚的安裝方式進行了研究。秦文貴[82]對輔助隔爆水袋棚和主要隔爆水袋棚的安裝方法進行了研究，并在煤礦進行了推廣應用。魏樂平[83]介紹了一種利用阻燃風筒制作水槽棚的方法。李華安[84]對水袋棚材質(zhì)、結構形狀、架設方法和用水量等進行了研究。文獻[85-88]針對不同煤礦的特點，對隔爆水袋棚的結構設計、安裝方法和安裝地點等進行了介紹。為了克服水槽、水袋中的水易蒸發(fā)、易污染的缺點，蔡周全[89]對密封式隔爆水袋進行了研究，并在直徑2 m、長29 m 的圓形管道內(nèi)進行了試驗。齊更亮、陳足章等[90]研發(fā)了通過水位傳感器監(jiān)測水槽水位的自動注水裝置，該裝置還可以通過安全動監(jiān)控系統(tǒng)將水量狀態(tài)顯示到地面計算機上。史澤華[91]研發(fā)了針對水槽（水袋）的滴灌式自動補水裝置，該裝置不采用任何電氣設備，通過計算水量蒸發(fā)速度實現(xiàn)水槽（水袋）內(nèi)水量的損耗和補充處于大致的動態(tài)平衡。隔爆水槽、隔爆水袋可按照材質(zhì)、安裝方式和安裝距離進行不同分類。不同類型的隔爆水槽水袋如圖11。

雖然被動式隔爆措施都是依靠爆炸壓力的作用形成水霧狀態(tài)的，但撒布水方式不同，對爆炸壓力大小的要求不同，就影響被動式隔爆措施適用范圍。撒布水方式與安裝方式有關，也與材料有關。具體分為4 類：

圖11 不同類型的隔爆水槽水袋Fig.11 Different types of explosion-proof water tank water bags

1）掀翻方式。依靠沖擊波壓力掀翻水槽而撒布水。主要采用上托式安裝時作用原理，包括塑料水槽和泡沫水槽，其所需驅(qū)動的爆炸壓力相對較小，一般大于5 kPa，但隨著水量增大，所需驅(qū)動壓力隨之增大。安裝時注意保持棚間距，以方便水槽傾倒。

2）脫釣方式。依靠沖擊波壓力使水袋一邊脫釣撒布水的方式。它是各種吊掛式水袋的作用原理。其所需驅(qū)動的爆炸壓力相對較小，一般大于5 kPa，隨著容水質(zhì)量增大，所需驅(qū)動壓力隨之增大。安裝時特別注意掛鉤方向和角度，千萬不可捆死水袋。

3）擊碎方式。依靠沖擊波壓力擊碎水槽撒布水。一般是嵌入式水槽安裝方式，水槽或強度不同，所需擊碎壓力不同，所需的爆炸壓力相對較大，一般大于9 kPa。塑料水槽較大，泡沫槽較小。

4）撕裂方式。依靠沖擊波壓力撕裂水袋撒布水。是密封式隔爆水袋作用原理。密封式隔爆水袋材料不同，所需爆炸波壓力不同，所需的爆炸壓力相對較大，一般大于9 kPa。安裝時注意保持架間距，使水袋有擺動的間隔。

被動式隔爆水槽、水袋是以隔爆水槽棚或隔爆水袋棚的形式在井下應用，統(tǒng)稱為隔爆棚。隔爆棚按安裝位置分為主要隔爆棚及輔助隔爆棚，其中水袋棚不能作為主要隔爆棚；按安裝方式分為集中式安裝及分散式安裝。主要隔爆棚安裝地點包括：礦井兩翼，與井筒相通的主要運輸大巷和回風大巷；相鄰煤層之間的運輸石門和回風石門；相鄰采區(qū)之間的集中運輸巷和回風巷。輔助隔爆棚的安裝地點包括：采煤工作面進風巷和回風巷；采區(qū)內(nèi)的煤巷、半煤巷掘進巷道；采用獨立通風、并有煤塵爆炸危險的其它巷道；煤倉與其相連的巷道間；裝載點與其相連的巷道間。

3.4 機械式隔爆裝置

機械式隔爆裝置是近年來出現(xiàn)的新型隔爆裝置，機械式隔爆裝置如圖12，其仍然基于被動式隔爆原理研發(fā)，主要由沖擊波接收裝置、抑爆粉劑、料倉、吊掛裝置等組成。機械式隔爆裝置采用錨桿連接的方式固定在巷道頂板上方，并根據(jù)巷道情況選擇裝置的布置方式、安裝數(shù)量等。當煤礦井下發(fā)生瓦斯（煤塵）爆炸事故時，沖擊波接收裝置探測到爆炸壓力信號，觸發(fā)裝置動作，高壓氣體攜帶抑爆粉劑噴出形成抑制帶，將爆炸隔離在一個較小的區(qū)域內(nèi)并撲滅火焰，防止爆炸產(chǎn)生連鎖反映，引起危害更大的二次爆炸。

圖12 機械式隔爆裝置Fig.12 Mechanical explosion-proof device

早在1996 年，我國學者就提出了一種依據(jù)爆炸壓力信號噴灑抑爆劑的隔爆裝置設想[92]，雖然該裝置不屬于純機械式的范疇，但仍然為相關研究工作提供了思路。21 世紀初期，機械式隔爆裝置在俄羅斯、烏克蘭等國得到了推廣應用，取得了良好的效果。2010 年開始，我國企業(yè)引進國外技術，研發(fā)了機械式隔爆裝置，并在多家煤礦企業(yè)進行了推廣應用。

4 瓦斯（煤塵）爆炸抑隔爆技術發(fā)展趨勢

主動式抑隔爆技術及裝備具備爆炸信號的智能探測功能，且能夠自動噴灑抑制劑，快速形成抑制帶，其安裝方式較為靈活，因此在煤礦井下有重要的應用價值。目前，主動式抑隔爆技術在瓦斯抽放管路、排空管路上的應用技術已經(jīng)非常成熟，但在煤礦井下的應用較少。所以，瓦斯（煤塵）爆炸抑隔爆技術在未來還應該從以下幾個方面取得突破。

一方面，由于煤礦井下巷道結構復雜，設備設施眾多，一旦發(fā)生爆炸事故，爆炸火焰和沖擊波的傳播規(guī)律與小型管道存在很大的尺度效應。因此，下一步需要開展大型網(wǎng)絡巷道內(nèi)的瓦斯（煤塵）爆炸實驗研究，探索實際工況條件爆炸火焰和沖擊波的傳播規(guī)律，以及障礙物對其的影響規(guī)律。夯實理論基礎，為主動式抑隔爆技術在煤礦井下的應用提供理論依據(jù)。目前，重慶煤科院正在制定能源行業(yè)標準《煤礦主動式隔抑爆裝置應用技術規(guī)范》，為主動式抑隔爆技術在煤礦井下的應用提供技術指導。

另一方面，由于未來我國煤礦將向智能化、無人化方向發(fā)展，瓦斯（煤塵）爆炸抑隔爆技術也應該適應這一發(fā)展趨勢。在信號探測方面，可以將爆炸火焰、溫度、壓力等信號有機結合，提升探測的準確性和可靠性；在智能化判識方面，通過多元化的信號探測感知爆炸強度，智能判斷噴灑抑制劑的數(shù)量，在保證抑制效果的基礎上節(jié)約成本和提升效率。同時，還應該針對不同的爆炸場景進行有針對性地技術研發(fā)和提升，如采場區(qū)域、掘進工作面、運輸巷等，將被動式隔爆技術與主動式抑隔爆技術綜合應用，將快速抑制技術與爆炸隔離技術有機結合，通過智能化手段實現(xiàn)分級啟動和聯(lián)動控制，實現(xiàn)瓦斯（煤塵）爆炸事故的有效控制。

5 結 語

1）從基礎研究來看，小尺度管道內(nèi)的瓦斯（煤塵）爆炸火焰、沖擊波傳播規(guī)律研究較為成熟，水、粉劑、惰性氣體等抑爆介質(zhì)的阻燃抑爆機理基本摸清；但大型網(wǎng)絡巷道內(nèi)的瓦斯（煤塵）爆炸傳播規(guī)律，以及障礙物對其的影響機制還需進一步研究。

2）被動式隔爆巖粉棚、水槽棚、水袋棚、管道式主動噴粉（氣）抑爆裝置等技術成熟，并且有相關標準、規(guī)范等技術文件指導，在我國煤礦井下、瓦斯抽放管路、排空管路等區(qū)域及裝置上得到廣泛應用；但主動式抑隔爆裝置在煤礦井下的應用還處于起步階段，還應該深入開展安裝方式、安裝數(shù)量、安裝位置等工藝研究，為下一步的推廣應用提供技術支撐。

3）必須看到，我國現(xiàn)有的抑隔爆裝備還存在智能化程度不高、應用場所單調(diào)等缺點；為了適應未來我國煤礦井下智能化、無人化的發(fā)展趨勢，應該將被動式隔爆技術與主動式抑隔爆技術綜合應用，將快速抑制技術與爆炸隔離技術有機結合，通過智能化手段實現(xiàn)多區(qū)域裝備的分級啟動和聯(lián)動控制，實現(xiàn)瓦斯（煤塵）爆炸事故的有效控制。