孙建华,赵景礼, 魏春荣,曲 征,张宪伟

(1.中国矿业大学(北京),北京 100083；2.黑龙江科技学院，黑龙江 哈尔滨 150027)

瓦斯煤尘爆炸是煤炭生产行业亟待解决的重大安全问题，开展对其预防和控制的研究工作十分必要。我国研制成功并在煤矿企业应用的系列隔爆、抑爆装置，根据抑爆方式的不同，可分为被动式抑爆和主动式抑爆两大类。这两种煤矿阻隔爆装置，由于受到井下环境的限制，出现了各种未预期的问题，尤其对弱爆炸(压力低)和较强的爆炸(压力高)抑爆效果极不理想，影响了瓦斯爆炸控制技术的可靠性。另外，现有的被动式抑爆设施和主动式抑爆设施，均为一次性抑爆装置，不具备重复作用性，对井下爆炸后的二次爆炸或多次爆炸事故失去抑爆作用[1][2]。

矿井中的风门，是在需要通过人员和车辆的巷道中设置的隔断风流的门，风门是通风系统的重要构筑物。但现有风门材料不具有阻隔爆炸的冲击波和火焰波的作用，尤其对瓦斯引起的二次爆炸，完全没有阻隔爆炸冲击波和火焰波的性能。同时，由于安装风门的通道会有人员或矿车通过，手动开启不方便，影响通过效率。现有的风门自动控制开启动或关闭的方法，大都是采用声光的方式，但是当巷道内发生爆炸时，爆炸发出的声音会导致风门的开启，控制安全性无法保证。另外，现有的风门结构均是一个整体，当发生爆炸等紧急状况时，若风门发生故障，无法开启，则会导致矿下人员发生危险；并且，当发生爆炸时，若爆炸产生的压力过大，超过风门的承压负荷，势必导致风门损坏。现有的风门缺少快速泄压通道及故障逃生通道。

考虑到煤矿瓦斯、煤尘自动阻隔爆装置的作用，应是消除瓦斯、煤尘爆炸时的火焰锋面高温灼烧、冲击波超压破坏和井巷有毒有害气体的危害和影响。同时，应具备重复作用及使用性，在节约资源同时，能够对井下爆炸后的二次爆炸或多次爆炸发挥阻隔爆作用。本论文提出构建以泡沫陶瓷为主材料的煤矿井下自动风门，通过构建复合型泡沫陶瓷材料、压力传感器泄爆装置和PLC控制的自动开关装置，来实现瓦斯煤尘爆炸时风门的阻隔爆性能。在煤矿井下发生二次爆炸和多次爆炸时，发挥阻隔爆性能，从而提高矿井的抗灾变能力。有望解决现有的风门不具有阻隔爆性能、使用声光控制系统造成的控制安全性差，以及缺少快速泄压通道及故障逃生通道的问题，从而提供一种用于矿井中的多孔泄压阻隔爆自动风门。

1 泡沫陶瓷阻隔爆机理

1.1 泡沫陶瓷抑制爆炸火焰机理

在瓦斯爆炸火焰传播过程中，爆炸火焰穿过泡沫陶瓷时，爆炸气体从泡沫陶瓷孔隙中流动并发生燃烧和爆炸反应，反应热与泡沫陶瓷孔隙壁面发生导热、对流和辐射交换反应。在火焰到达泡沫陶瓷装置之前，泡沫陶瓷处于冷态。当瓦斯爆炸火焰传播到泡沫陶瓷时，陶瓷骨架温度逐渐增加，由于泡沫陶瓷孔径比较小，且厚度足够厚则火焰由于热量损失，不能建立起火焰传播速度和气流速度的平衡，就会发生回火，火焰就不能传播到陶瓷的另一端。在气流穿过泡沫陶瓷孔隙的时候，由于气体分子在泡沫陶瓷固体壁面的碰撞失去能量，活化分子发生销毁，在壁面处会产生淬熄效应，阻止火焰的传播。另外，由孔隙造成的火焰通过阻力也会阻止火焰的传播。

1.2 泡沫陶瓷抑制爆炸波能量机制

泡沫陶瓷中存在复杂的孔道结构，当爆炸波进入这些孔道中进行传播时，它会遇到阻挡的孔筋发生反射、散射。由于这些孔筋呈复杂的网状结构，反射散射的爆炸波再次遇到孔筋后，将发生新的反射、散射。这种非常复杂的反射、散射，将导致爆炸波的能量损失，从而使爆炸前进波不能产生周期反转，和反射波不能相互干涉产生驻波，从而大大衰减了爆炸波的应力峰值。

另外，泡沫陶瓷对爆炸产生的横波也能够抑制。爆轰波之所以能够自持稳定地传播，是由于横波的产生和发展。泡沫陶瓷具有大量的、从表到里的三维互相贯通的网状小孔结构，当爆炸声波入射到表面时，绝大部分的声波会沿着迷宫式的小孔隧道进入泡沫陶瓷内部。在内部传播引起孔隙中的空气振动，同孔隙表面十分粗糙的陶瓷筋络发生摩擦，一部分声能被转变为热能，一部分声能到达刚性壁后被反射回泡沫陶瓷。声波又会重新回到小孔隧道中，带动空气与陶瓷筋络发生摩擦，声能继续被转化、消耗。这两种效应相互作用，使泡沫陶瓷有效地消耗入射声能，能够很好的抑制横波的产生和发展。

2 煤矿多孔泄压阻隔爆自动风门设计方案

2.1 多孔泄压阻隔爆自动风门材料构成

矿井中的多孔泄压阻隔爆自动风门，是以泡沫陶瓷、不对称金属多孔材料、压力传感器、PLC软件控制装置构成，它包括两扇多孔泄压阻隔爆风门和控制系统和支撑框架。所述每扇多孔泄压阻隔爆风门，均由多孔材料基层、两组多孔金属层和多个空心球组成。一组多孔金属材料层的后表面，固定在多孔材料基层的前表面；另一组多孔金属材料层的前表面，固定在多孔材料基层的后表面。所述两组多孔金属材料层上的孔交错设置，并且所述孔的孔径不等，所述两组多孔金属材料层上的每个孔均由一个空心球封闭；以泡沫陶瓷体为基层，前后两面安装不对称金属材料置于空腔体中，安于煤矿风门导轨之内。不对称多孔金属材料共两层，第一层暴露在外侧一面用空心球填充，平时起阻风作用，以免漏透气影响巷道风量，破坏通风系统；第二层为不对称多孔金属钢板，内设凹槽，使爆炸冲击波对泡沫陶瓷产生均匀压力。多孔泄压阻隔爆自动风门的材料组成见图1所示。

1—泡沫陶瓷 2—不对称多孔金属材料 3—加空心球后不对称多孔金属材料图1 多孔泄压阻隔爆自动风门材料组成示意图

2.2 多孔泄压阻隔爆自动风门整体结构设计

两组多孔泄压阻隔爆风门，采用对开启的结构与支撑框架活动连接；两组多孔泄压阻隔爆风门的底部均开有护门体窗，所述护门体窗上设置有护门体窗门，所述每个护门体窗门采用下开启的结构与支撑框架活动连接。一旦矿井发生瓦斯爆炸，冲击波摧毁不对称多孔金属材料2第一层外侧的空心球，通过不对称多孔金属材料，利用泡沫陶瓷性能进行泄压阻隔爆，衰减火焰和压力波的传播。为避免阻隔爆自动风门因爆炸时冲击波压力过大而造成整个风门损坏，从而失去阻隔爆作用，在整体结构上设计护门体窗，并在阻隔爆自动风门两侧安装有压力传感器，在冲击波压力超限时启动护门体窗进行泄压。具体工作原理：若冲击波压力过大时，设在阻隔爆自动风门两侧的3发出信号，启动12进行泄除门体所承受过载的冲击波压力。当阻隔爆自动风门在可承受冲击波范围内，3发出信号，关闭12 ，进行正常复合泡沫陶瓷风门泄压阻隔爆工作。护门体窗同时具有人员紧急逃生和爆炸后再次利用功能。5主要由防爆电动机、减速器、摩擦轮组合而成，驱动钢丝绳牵引门扇运动，通过控制电动机正反转实现风门的开闭动作。11供紫外线灯照射申请开门，8用于检测风门的开闭位置，10用于风门状态显示及车辆通行指挥，带有红绿指示灯，可用于风门状态显示以及车辆进入风门的通行指挥。车辆驶出风门优先，在关门及关门过程中能发出声音提示。9用于防止风门关闭时，夹住处于中间的行人车辆或其他物体。根据车辆所处的不同位置，每一道门开门申请分为内外开门申请，车辆在两道门之外可照射的11为外申请开门，车辆在两道门之间可能照射的11为内申请开门。内申请只打开申请的这一道门并延时关闭，而外申请打开申请的这一道门，在延时关闭后会自动打开另一道门。

2.3 多孔泄压阻隔爆自动风门自动原理

控制系统包括控制模块、驱动装置、一号电机、二号电机、一号紫外线感应器、二号紫外线感应器、一号传动装置和二号传动装置，控制模块的驱动信号输出端与驱动装置的驱动信号输入端连接。所述驱动装置的一号驱动信号输出端与一号电机的驱动信号输入端连接，所述一号电机的输出轴与一号传动装置连接，所述一号传动装置用于驱动多孔泄压阻隔爆风门的开启或关闭；驱动装置的二号驱动信号输出端与二号电机的驱动信号输入端连接，所述二号电机的输出轴与二号传动装置连接，所述二号传动装置用于驱动多孔泄压阻隔爆风门的开启或关闭；一号紫外线感应器的感应信号输出端与控制模块的一号感应信号输入端连接，二号紫外线感应器的感应信号输出端与控制模块的二号感应信号输入端连接；一号紫外线感应器和二号紫外线感应器分别设置在两组多孔泄压阻隔爆风门上；控制模块和驱动装置安装在支撑框架上。

1—泡沫陶瓷; 2—不对称多孔金属材料; 3—压力传感器; 4—风门导轨; 5—风门驱动装置; 6—PLC控制柜; 7—手动操作按钮;8—门限传感器; 9—防夹车开关; 10—紫外线感应器; 11—光敏传感装置(内，外); 12—护门体窗; 13—护门体窗手动开关图2 多孔泄压阻隔爆风门整体结构示意图

2.4 多孔泄压阻隔爆自动风门特点

(1)多孔泄压阻爆自动风门，由泡沫陶瓷，不对称多孔金属材料、压力传感器、PLC软件控制装置构成，其特征是：以泡沫陶瓷为中心，前后两面安装不对称多孔金属材料，置于风门空腔体中，阻爆自动风门两侧装配于风门导轨之内。

(2)多孔泄压阻隔爆自动风门，其特征是：阻爆自动风门门体两侧装有压力传感器，底部设有护门体窗。可以避免阻隔爆自动风门因爆炸时，冲击波压力过大而造成危险，致使整个风门损坏从而失去阻隔爆作用，护门体窗同时具有人员紧急逃生和爆炸后再次利用功能。

(3)多孔泄压阻隔爆自动风门，其特征是：阻爆自动风门不对称金属多孔材料暴露在空气中，一侧小孔用空心球填充至不漏气。

(4)多孔泄压阻爆自动风门，其特征是：PLC软件控制装置控制门限传感器，光敏传感装置，防夹车装置，声光指示器有序(传感器输入信号)工作。

(5)多孔泄压阻爆自动风门，其特征是：门限传感器安装于风门柜架上部，光敏传感器装置安装在风门门体两侧，防夹车装置安装在门底边处，声光指示器安装在两道风门外侧的柜架上部。

(6)多孔泄压阻爆自动风门，其特征是：阻爆自动风门顶端岩壁内，装有风门驱动装置、PLC控制柜、手动操作按钮。

图3 多孔泄压阻隔爆自动风门PLC控制系统框图

3 结论

本论文设计的煤矿多孔泄压阻隔爆自动风门，不单具有阻隔风流的作用，还具有阻隔瓦斯爆炸冲击波的性能。具有隔爆性能强、全自动开关等优点。能配合自动送料装置形成一个完整的安全体系，解决了现有的风门无阻隔爆性能、使用声光控制系统造成的控制安全性差，以及缺少快速泄压通道及故障逃生通道的问题。在爆炸期间，能有效地将危害操作人员的危害物挡住，衰减爆炸冲击波和火焰波强度，降低有毒有害气体浓度。在紧急情况下，遇难人员可通过护门体窗逃生。阻隔爆自动风门起到既安全阻隔爆又能为遇难人员设有逃生出口，对防止爆炸灾害扩大和抢险救灾有重要意义，有望成为矿井阻隔爆救灾系统中的一个重要组成部分。

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