一种矿井瓦斯闪爆应急扑灭装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种矿井瓦斯闪爆应急扑灭装置及其使用方法，属于煤矿安全技术领域。

背景技术

瓦斯闪爆是指一定体积分数的甲烷和空气组成的混合气体在火源诱发下发生的爆炸或燃烧等剧烈的氧化反应，产生的明火是引起二次爆炸的主要诱因，其造成的危害和损失是煤矿各类灾害中最为严重的。由于甲烷的相对分子质量小于空气平均分子量，甲烷浮在空气上层，回采工作面上隅角风流不畅，易造成瓦斯浓度超限，一旦闪爆火源出现极易造成瓦斯闪爆，进而引发瓦斯爆炸事故，因此瓦斯闪爆是煤矿瓦斯治理的难点和痛点。据官方发布数据统计，约89.7%的瓦斯闪爆事故发生在回采工作面上隅角位置。

目前，瓦斯火焰扑灭的技术如中国专利CN110145867A，其公开了“一种矿用的自动喷粉抑爆装置”，该发明装置通过紫外线传感器检测瓦斯爆炸火焰，喷粉装置实现扑灭瓦斯燃烧火焰的目标。该发明装置主要应用于瓦斯闪爆所引起的进风大巷或运输大巷瓦斯爆炸事故，无法起到预防作用；并且其安装具体位置及使用方法也较为笼统，不具有针对性，无法有效解决采煤工作多发的瓦斯闪爆事故。国内预防瓦斯闪爆与瓦斯闪爆应急扑灭的技术尚未见文献报道；为了减少瓦斯闪爆事故的发生，保护人员与设备的安全，急需研究一种可以捕捉瓦斯闪爆发生时的第一特征，并及时扑灭闪爆火焰，阻止进一步发生瓦斯爆炸事故的装置。

发明内容

本发明旨在提供一种矿井瓦斯闪爆应急扑灭装置及其使用方法，能够捕捉瓦斯闪爆发生时的第一特征，并及时扑灭闪爆火焰，避免发生瓦斯爆炸事故。

本发明装置能够实现瓦斯闪爆检测与处置的联动：亮度检测系统内的亮度传感器在检测到超过设定亮度值时或火焰检测系统内的多波段红外检测装置和红外热成像图像采集装置在检测到超过设定温度值时，就会启动报警输出装置，并在第一时间通过信息传递装置向PLC控制系统发送瓦斯闪爆预警，PLC控制系统的通讯模块接收数据后，通过模/数转换与逻辑判断后向设备驱动模块输出相应的控制信号，进而决定向自动喷粉抑爆装置发送启动指令，扑灭瓦斯火焰，将瓦斯闪爆事故控制于瓦斯燃烧阶段。据事故统计数据，回采工作面上隅角发生闪爆事故概率非常大，因此该装置着重于检测并处理上隅角危险情况，更具有针对性，进而最大程度上避免瓦斯闪爆事故的发生与发展。

本发明提供了一种矿井瓦斯闪爆应急扑灭装置，包括亮度检测系统、火焰检测系统、PLC控制系统、自动喷粉抑爆装置；

所述的亮度检测系统包括：亮度传感器、报警输出装置及信息传递装置；亮度传感器在检测到超过亮度的设定值时，就会启动报警装置，并在第一时间通过信息传递装置向PLC控制系统发送瓦斯闪爆预警。亮度检测系统安装在回采工作面上隅角回风侧第一个液压支架与巷帮中间，距切顶线0.3m处，能够实时检测回采工作面上隅角的亮度情况。

所述的火焰检测系统包括：信号处理装置、报警输出装置、多波段红外检测装置和红外热成像图像采集装置；信号处理装置设有与多波段红外检测装置、红外热成像图像采集装置相对应的两个不同的信号处理装置，按顺序命名为第一信号处理装置与第二信号处理装置；报警输出装置输出的信号依次对应记为第一火焰探测信号与第二火焰探测信号；火焰检测系统安装在回采工作面上隅角回风侧第一个液压液压支架与巷帮中间，距切顶线0.3m处，与亮度检测系统间隔0.5m。火焰检测系统利用多波段红外检测与红外热成像两种方式验证是否发生瓦斯燃烧，提升瓦斯燃烧检测的准确度。火焰检测系统一旦监测到瓦斯燃烧，报警输出装置会立即向PLC控制系统发送事故预警。

亮度检测系统和火焰检测系统均安装在回采工作面上隅角区域的中心位置，亮度检测系统和火焰检测系统的间隔为0.5m；两个检测装置均通过简易固定装置安装在相应位置的锚杆上。

所述的PLC控制系统包括：PLC控制器、通讯模块、储存模块、设备驱动模块、声光报警装置；PLC控制系统的通讯模块在接收到亮度检测系统或火焰检测系统发送的瓦斯闪爆事故预警后，PLC控制器经过逻辑判断，进行模/数转换后向设备驱动模块输出相应的控制信号，设备驱动模块进而决定是否开启声光报警装置，并向自动喷粉抑爆装置发送启动指令，同时储存模块对系统动作状态进行记录。

所述PLC控制系统安装在进风工作顺槽巷帮距回采工作面20m巷壁中间可拆卸式滑动轨道上，使PLC控制系统处于新鲜风流中，避免煤尘或事故损害，提升装置的安全性。PLC控制器通过矿用数据线与亮度检测系统、火焰检测系统及自动喷粉抑爆装置进行连接，实现信号传递。

所述的自动喷粉抑爆装置包括；气体发生剂储存室、气体发生剂、贮粉筒、反应控制器、磷酸盐灭火粉末、导向喷嘴、固定杆；反应控制器安装在自动喷粉抑爆装置的尾部，并通过矿用数据线与PLC控制系统连接，用于接受PLC控制系统的指令并迅速启动气体发生剂反应；自动喷粉抑爆装置的气体发生剂储存室与贮粉筒共同位于同一圆柱形腔体内，气体发生剂储存室内设有气体发生剂，贮粉筒内设有磷酸盐灭火粉末，气体发生剂储存室与贮粉筒中间通过隔离膜分隔。

气体发生剂储存室用于储存气体发生剂，气体发生剂储存室被隔板从环向分为三个储存室，从内到外依次为第一储存室、第二储存室、第三储存室。每个储存室内都设置相应引发气体发生剂反应的火花塞，从内向外的三个火花塞依次命名为第一、第二、第三火花塞。反应控制器控制火花塞产生火花，引燃气体发生剂快速反应，迅速产生大量高压CO

自动喷粉抑爆装置共设有三个，第一个自动喷粉抑爆装置安装在回风顺槽中，距回采工作面5m，距巷道顶板0.3~0.5m处；第二个自动喷粉抑爆装置安装回采工作面最后一个液压支架外侧，距切顶线0.3~0.5m处；第三个自动喷粉抑爆装置安装在进风顺槽的回采工作面第一个液压支架外侧，距巷道顶板0.3~0.5m处。第一个与第三个自动喷粉抑爆装置在回采工作面移动一段距离后，可向后移动至不同锚杆上；第二个自动喷粉抑爆装置能够随着回采工作面液压支架的推移而移动。减少自动喷粉抑爆装置的使用数量，节约成本。

所述自动喷粉抑爆装置的气体发生剂均由硝基胍、二氧化锰组成，其中二者质量比为硝基胍占90%、二氧化锰占10%，反应控制器一旦接收到抑爆信号，立即启动，引燃气体发生剂，促其快速燃烧，产生大量高温高压CO

所述自动喷粉抑爆装置的有效喷粉距离为60m，可以满足绝大多数回采工作面上隅角空间的需要。自动喷粉抑爆装置安装在回采工作面进风和回风的位置，并且自动喷粉抑爆装置安放的角度均向回采工作面倾斜，自动喷粉抑爆装置与巷壁水平向内倾斜角度在20~40°内，不仅形成交叉喷粉，而且灭火粉末可以沿着风流方向进入采空区，增加磷酸盐灭火粉末有效距离，提升灭火效果。

所述PLC控制系统还包括声光报警装置，包括显示屏与语音模块以提示有关操作人员处置事故并进行应急救援。

所述亮度检测系统、火焰检测系统、PLC控制系统及自动喷粉抑爆装置形成通畅的抑爆网络，可以实现信息的传输与指令的发送。

本发明还提供了上述矿井瓦斯闪爆应急扑灭装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）将亮度检测系统和火焰检测系统安装在回采工作面上隅角区域的中心位置，具体为：回风侧最后一个液压支架与巷帮中间，距切顶线0.3m处，启动亮度检测系统和火焰检测系统，对回采工作面上隅角位置进行实时监测；

（2）回采工作面上隅角区域，由于采空区异常涌出或顶板垮落引起瓦斯浓度瞬间升高，加之电火花、摩擦火花、炸药爆破等原因诱发闪爆时，只要亮度检测系统与火焰检测系统其一检测到瓦斯闪爆征兆，均会立即启动报警装置并向PLC控制系统发送事故警报。

（3）为了保证设备的安全性，PLC控制系统安装在进风工作顺槽地面与切顶中间巷帮，距回采工作面约20m处。控制系统在接收亮度与火焰检测系统发送的事故警报时，设备驱动装置会在0.2s之内启动自动喷粉抑爆装置的反应控制器。

（4）闪爆应急扑灭装置设计了三个自动喷粉抑爆装置，第一个自动喷粉抑爆装置安装在回风顺槽中，距回采工作面5m，距巷道顶板0.3~0.5m处；第二个自动喷粉抑爆装置安装回采工作面最后一个液压支架外侧，距切顶线0.3~0. 5m处；第三个自动喷粉抑爆装置安装在进风顺槽的回采工作面第一个液压支架外侧，距巷道顶板0.3~0.5m处；三个自动喷粉抑爆装置在接收PLC控制系统发出的指令后，反应控制器立即启动，使气体发生剂快速反应并产生大量高压CO

（5）瓦斯闪爆火焰被扑灭后，亮度与火焰检测系统会及时停止警报，不再向PLC控制系统发送事故预警，那么PLC控制系统就会停止向自动喷粉易爆装置的反应控制器发送启动指令，喷粉抑爆装置停止喷粉工作。

本发明的有益效果：

（1）亮度与火焰检测系统共同检测瓦斯闪爆现象，只要其一检测到危险征兆，就会向PLC控制系统发送预警，控制系统启动自动喷粉抑爆装置。两种检测系统在一定程度上减少装置失灵与误判的概率，进而提高事故的应急响应概率。

（2）火焰检测系统中包括多波段红外检测装置和红外热成像图像采集装置，采用两种检测装置并存的方式，能够及时检测出瓦斯闪爆事故，提高检测的准确性。

（3）亮度与火焰检测系统通过简易固定装置安装在相应位置的锚杆上，随着回采工作面的移动，亮度与火焰检测系统可拆卸至后方相应锚杆上，确保亮度与火焰检测系统能够有效检测瓦斯闪爆第一特征；PLC控制系统安装在可拆卸式滑动轨道上，也可以随着回采工作面的移动而移动；减少设备的使用数量，节约成本。

（4）自动喷粉抑爆装置结构简单、易于安装，可以循环利用；自动喷粉抑爆装置不再是传统压力开启方式，而是采用电磁控制技术，能够更加及时的启动和关闭装置。

（5）整套装置具备完整的信息传递链条，并能针对具体信息采取相对应的措施，具备高效事故处理能力。

附图说明

图1是本发明装置的安装点平面布置图；

图2是自动喷粉易爆装置结构示意图；

图3是自动喷粉抑爆装置的气体发生剂储存室剖面图；

图4是第一自动喷粉抑爆装置安装点立面图；

图5是第二自动喷粉抑爆装置安装点剖面图；

图6是第三自动喷粉抑爆装置安装点立面图；

图7是本发明装置的控制流程图；

图中，1、煤层；2、采空区；3、回风工作顺槽；4、进风工作顺槽；5、采煤机；6、液压支架；7-1、第一自动喷粉抑爆装置；7-2、第二自动喷粉抑爆装置；7-3、第三自动喷粉抑爆装置；8、亮度检测系统；9、火焰检测系统；10、PLC控制系统；11、第一储存室；12、第二储存室；13、第三储存室；14、隔板；15、反应控制器；16、隔离膜；17、磷酸盐灭火粉末；18、导向喷嘴；19、气体发生剂；20、工作面上隅角位置；21、矿用数据线。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1-6所示，一种矿井瓦斯闪爆应急扑灭装置，包括亮度检测系统8、火焰检测系统9、自动喷粉抑爆装置、PLC控制系统10。

一种矿井瓦斯闪爆应急扑灭装置在正式启动之前，PLC控制系统10会对亮度检测系统8与火焰检测系统9进行检测，若检测出两检测装置中任意一个不能正常工作，PLC控制系统10就会开启声光报警装置，提示人工介入检修。

亮度检测系统8安装在在回采工作面上隅角区域的中心位置，具体为：回风侧第一个液压支架与巷帮中间，距切顶线0.3m处（具体如图1和4），能够实时检测回采工作面上隅角的亮度情况。亮度检测系统8包括亮度传感器、报警输出装置及信息传递设备；亮度传感器在检测到火焰的亮度后，会立即启动警报装置，给井下作业人员提供更多逃生时间，并通过信息传递设备向PLC控制系统10发送瓦斯闪爆预警。亮度检测系统8属于现有技术，不需要过多叙述其结构与形式，只要能满足检测亮度与信息传递功能即可。

火焰检测系统9安装在在回采工作面上隅角区域的中心位置，具体为：回风侧第一个液压支架与巷帮中间，距切顶线0.3m处，与亮度检测系统8间隔0.5m（具体如图4）；包括信号处理装置、报警输出装置、多波段红外检测装置和红外热成像图像采集装置；信号处理装置拥有与多波段红外检测装置、红外热成像图像采集装置相对应的两个不同的信号处理装置，按顺序命名为第一信号处理装置与第一信号处理装置；报警输出装置输出的信号也依次对应为第一火焰探测信号与第二火焰探测信号；多波段红外探测装置主要用于探测得到信号，而信号的处理则由第一信号处理装置进行，通过其内置的火焰判断算法，可以判断目标区域中是否存在火焰，并输出对应的第一火焰探测信号；红外热成像图像采集装置主要用于采集热图信号，但是其信号的处理需要由第二信号处理装置进行，第二信号处理装置可分析红外热成像图像中是否存在符合火焰特征的区域，并输出对应的第二火焰探测信号。多波段红外检测装置与红外热成像图像采集装置均为现有技术，其具体结构和形式不再赘述。基于多传感器的火焰探测装置，可以提升火焰的检测效果，主要体现在三个方面，一是可以探测到更早期的火焰，是对多波段红外传感器的一种补充；二是对于大面积火源，可以与多波段红外传感器结合，进行双重确认，进一步降低误报率；三是探测时间短，可以对运动的火焰进行探测，可用于对运动目标的火焰监测，拓展了火焰探测装置的应用场景。

PLC控制系统10安装在距回采工作面20 m处的进风工作顺槽4切顶与地面中间位置特制的巷帮滑动轨道上，使PLC控制系统10处于新鲜风流中，提升装置的安全性；包括：PLC控制器、通讯模块、储存模块、设备驱动模块；PLC控制系统10在通讯模块接收到亮度检测系统8或火焰检测系统9发送的预警后，PLC控制器经过逻辑判断，进行模/数转换后向设备驱动模块输出相应的控制信号，进而决定是否开启自动喷粉抑爆装置、是否向地面应急救援科室发送紧急预警，使事故第一时间能够得到救援，尽可能减少人员伤亡与财产损失，同时储存模块对系统动作状态进行记录。

自动喷粉抑爆装置在本装置中一共设有三个，第一自动喷粉抑爆装置7-1安装在回风工作顺槽3中，距回采工作面5m，距巷道顶板0.3m处（如图4）；第二自动喷粉抑爆装置7-2安装回采工作面最后一个液压支架外侧，距切顶线0.3m处（如图5）；第三自动喷粉抑爆装置7-3安装在进风工作顺槽4，回采工作面第一个液压支架外侧，距巷道顶板0.3m处（如图6）；包括反应控制器15；隔离膜16；灭火粉末17；导向喷嘴18；气体发生剂19； 自动喷粉抑爆装置的反应控制器21在接受PLC控制系统10发送的预警后，反应控制器15在0.2s内启动第一个储存室的气体发生剂19快速反应，产生大量高压CO

瓦斯火焰被扑灭后，亮度检测系统8与火焰检测系统9会及时停止警报，不再向PLC控制系统10发送瓦斯闪爆预警，那么PLC控制系统停止向自动喷粉抑爆装置的反应控制器15发送启动指令，喷粉抑爆装置就会关闭反应控制器，停止喷粉工作。

所述亮度检测系统的亮度传感器的型号为HD-S107；火焰检测系统的两种探测器为JTGB-UF-XSS666点型三波段火焰探测器与FLIRA310型红外热成像探测器的简单综合应用装置。

所述PLC控制系统10与自动喷粉抑爆装置的反应控制器21之间通过矿用数据线实现信息预警的传递。

所述自动喷粉抑爆装置的主体部分长1.69m，反应控制器长为0.14m，筒室长为1.3m，导向喷嘴长为0.25m，装置体积小巧，易于安装。自动喷粉抑爆装置7的贮粉筒前端设置导向喷嘴24，导向喷嘴直径为0.3m，使灭火粉末沿着导向喷嘴实现扩大喷粉角度，使灭火粉末所覆盖的区域更为广泛，灭火效果更佳。

下面在一个优选实施例中对本发明一种矿井瓦斯闪爆应急扑灭装置及使用方法响应步骤进行描述：

S100，系统接电、初始化；

S200，PLC控制系统检查亮度检测系统与火焰检测系统是否处于正常工作状态

S201，亮度检测系统与火焰检测系统二者中有一个异常，PLC控制系统开启声光报警装置，提示人工介入维修，并跳转S200；

S300，亮度检测系统内的亮度传感器在检测到超过设定亮度值时或火焰检测系统内的多波段红外检测装置和红外热成像图像采集装置在检测到超过设定温度值时，就会启动报警输出装置，并在第一时间通过信息传递装置向PLC控制系统发送瓦斯闪爆预警；

S400，PLC控制系统的通讯模块接收到检测装置发送的事故预警数据后，通过逻辑判断与模/数转换后，其设备驱动模块输出相应的控制信号，进而决定向自动喷粉抑爆装置发送启动指令；

S500，自动喷粉抑爆装置发在接收启动指令后，气体发生剂立即反应，产生大量高压CO

S600，亮度检测系统与火焰检测系统不再向PLC控制系统发送事故预警时，PLC控制系统就会停止向自动喷粉抑爆装置发送启动指令，装置应用结束。见图7所示。