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第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 煤矿井下车载水喷雾灭火系统 王丽威 （中国煤炭科工集团太原研究院有限公司， 山西 太原 030006） 摘要 指出了煤矿井下车载灭火系统存在的不足， 分析了水喷雾灭火系统的优缺点以及车载 的可行性。 结合防爆柴油机无轨胶轮车的特点， 设计了车载水喷雾灭火系统。 该系统基于常压干 式管网， 利用车载水源、 气源， 采用集成式火源探测器及水雾喷头， 实现了火源检测及自动响应。 论述了控制系统的动作机理、 元部件配置及布置方式,对灭火系统主要参数进行了计算。 关键词 无轨胶轮车； 车载灭火系统； 水喷雾； 防爆柴油机； 火源探测器 中图分类号 TD525文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0268-04 Vehicle-mounted Water Spray Fire Extinguishing System in Underground Coal Mines WANG Liwei （China Coal Technology and Engineering Group Taiyuan Research Institute, Taiyuan 030006, China） Abstract This paper points out the shortcomings of traditional vehicle-mounted fire extinguishing system in underground coal mines. The advantages and disadvantages of water spray fire extinguishing system are analyzed, and the feasibility of vehicle- mounted water spray fire extinguishing system is discussed. In addition, a vehicle-mounted water spray fire extinguishing system is designed combined with the characteristics of trackless tyred vehicle with the explosion-proof diesel engine. The system is based on the normal pressure dry pipe network, and has the vehicle-mounted water source and air source, as well as the integrated fire source detector and water spray nozzle, thus the fire detection and automatic response is realized. The action mechanism, component configuration and arrangement mode of the control system are discussed. Furthermore, the main parameters of the fire extinguishing system are calculated. Key words trackless tyred vehicle; vehicle-mounted fire extinguishing system; water spray; explosion-proof diesel engine; fire source detector 防爆柴油机无轨胶轮车是煤矿井下重要的运载 设备， 具有运行数量多， 使用强度大， 路况条件差的 特点，车辆维修保养较为频繁。煤矿井下辅助运输 巷道断面尺寸约为 20 m2,风速最高可达 8 m/s， 车辆 因异常原因一旦发生火情，火势会迅速扩大，有害 气体扩散， 造成严重的井下火灾事故[1-2]。 依据 MT/T 9892006 矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条 件规定防爆胶轮车应配置自动灭火系统或便携 式灭火器等消防装置；防爆柴油机功率超过 70 kW 时， 应配备车载灭火器或至少 2 台便携式灭火器； 车 载灭火系统启动， 则防爆柴油机应能自动熄火。 目前，煤矿井下自动灭火系统采用的火源探测 机理主要有探测电阻变化的感温电缆/热电偶式、 探测热辐射频率的红/紫外光波探测式以及常闭喷 头熔断式；执行灭火操作所采用的触发元件主要有 防爆电动球阀、隔爆电磁阀、气控阀门以及手控阀 门；灭火药剂通常采用超细干粉或特制灭火溶液。 这类灭火系统在系统可靠性、灭火能力、空间布置 以及采购维护成本等方面尚存在问题，且无法满足 使防爆柴油停机的功能[3-4]。长期以来， 我国煤矿井 下防爆胶轮车仅配备便携式干粉灭火器。 水喷雾灭火系统广泛用于建筑、 燃油发电设备、 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.045 王丽威.煤矿井下车载水喷雾灭火系统 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 268-271. WANG Liwei. Vehicle-mounted Water Spray Fire Extinguishing System in Underground Coal Mines ［J］ .Safe－ ty in Coal Mines, 2020, 51 （10） 268-271. 移动扫码阅读 基金项目中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项资 助项目 （2018QN032） 268 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 1集成式火源探测器结构 Fig.1Structure of integrated fire source detector 电气设备、化工设备、地铁车站等场所的控火灭火 和防护冷却[5]。GB 502192014 水喷雾灭火系统设 计规范指出，水喷雾灭火系统可用于扑救固体火 灾、 丙类液体火灾、 饮料酒火灾和电气火灾， 并可用 于可燃气体和甲、 乙、 丙类液体的生产、 储存装置或 装卸设施的防护冷却。水喷雾灭火系统不仅有很强 的控灭火能力，还可遮盖热辐射，俘获大量燃烧扬 起的烟尘、 颗粒物， 对有毒气体有一定的洗涤作用， 能改善人员的逃生环境。宋永超、 谢志成等[6-11]研究 认为，水喷雾系统对于隧道火灾的烟气蔓延速度、 烟气温度、能见度及有毒气体浓度等方面具有较好 的控制效果。此外， 水喷雾对设备及环境无害， 耗水 量小，具有较好的经济性。结合防爆柴油机无轨胶 轮车火灾特点，设计一种煤矿井下车载水喷雾灭火 系统具有重要意义。 1水喷雾灭火系统车载可行性 1.1灭火能力及适应性 水喷雾灭火系统是通过增加系统水压，采用水 雾喷头，使水流在高压作用下分解形成以喷头为锥 顶的分散雾滴， 粒径小于 1 mm。与喷淋水灭火系统 相比，水喷雾灭火系统在相同耗水率情况下大大增 加了水与燃烧物的接触面积，通过表面冷却作用、 窒息作用、稀释乳化作用，使用较少量水即可达到 优于喷淋水灭火系统的效果。 防爆柴油机机舱是车辆火灾的重点防控区域， 起火点一般位于空压机、增压器及排气管等位置。 与道路车辆用柴油机相比，煤矿用防爆柴油机的高 温排气通道以及空压机壳体等元部件均采用水套 式冷却方式，柴油机表面正常工作温度均小于 150 ℃，对其外壳采用水喷雾灭火的方式不会造成元部 件损坏。 防爆柴油机机舱火灾的初期形式表现为固体物 质火灾，可燃物主要为各类粘附在壳体上的油污、 维修保养后遗漏的棉纱、木屑及煤尘等，采用水喷 雾灭火可迅速将其扑灭。若放任其火势扩大，造成 箱体内柴油、 液压油流淌燃烧， 火势将难以控制。因 此，设计的水喷雾灭火系统应具有较短的响应时间 及较强的喷雾强度。 1.2水喷雾系统车载的条件 1） 车载水源。防爆胶轮车一般采用矿用防爆柴 油机作为动力，采用防爆水洗箱对尾气进行消焰及 净化，为提升车辆单次加水后的运行里程，通常额 外配置较大容积的储水箱为防爆水洗箱进行补水, 储水箱容积一般为 100～300 L，防爆柴油机功率越 大， 配置的储水箱容积越大。紧急情况下， 储水箱水 源可用作自动水喷雾灭火系统的消防水源。 2） 车载气源。防爆柴油机一般采用气马达带动 飞轮旋转的方式进行启动。由于气马达启动功率较 大，车辆气动系统一般标配有容积为 100～200 L 的 储气罐， 额定充气压力为 0.8 MPa， 防爆柴油机运转 时，机身自带的空压机持续为储气罐进行补气。当 自动灭火系统启动后， 防爆柴油机随即熄火停机， 储 气罐内的蓄能空气可用作自动水喷雾灭火系统对消 防水加压的动力源。 3） 集成式火源探测器。为实现火灾探测和自动 灭火的功能，采用一种熔断后可触发灭火系统启动 灭火机制的集成式火源探测器。集成式火源探测器 结构如图 1，玻璃泡爆裂温度 182 ℃，响应速度为 RTI 12。火源探测器携带的压缩气体为 CO2， 容积为 10 mL， 额定压力 20 MPa， 一次性元件， 触发后即需 要更换。集成式火源探测器具有结构紧凑，抗震能 力强， 可靠性高的特点。火源探测器动作机理为 正 常状态时，锁定锥在玻璃泡及钢珠的支撑下保持固 定， 钢珠在受到锁定锥、 弹簧及壳体 3 个方向的挤压 力的作用下保持平衡。当玻璃泡中的液体温度升高 至极限温度时， 玻璃泡爆裂， 锁定锥在钢珠的挤压作 用下向撞针一侧移动， 钢珠同时向锁定锥轴心移动， 弹簧力完全作用在活塞上， 推动活塞向气瓶加速， 使 撞针插入气瓶颈部的封盖中，气瓶内储存的压缩气 体迅速排入触发管路， 使触发管路气压升高至 0.25 MPa 以上， 气控换向阀实现换向。 269 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 2自动喷雾灭火系统组成及原理 Fig.2Composition and principle of automatic water spray fire extinguishing system 图 3自动喷雾灭火系统工作流程 Fig.3Work flow of automatic water spray fire extinguishing system 2灭火系统 2.1系统组成及原理 常压干式管网自动喷雾灭火系统组成及原理如 图 2。 储水箱是消防用水的储水容器， 储气罐是消防 水加压的动力源，火源探测器同时作为火灾的探测 元件及系统启动元件。 当系统处于准工作状态时， 紧急按钮、 气控换向 阀及轴阀均处于断开位置；储气罐保持额定工作压 力 0.8 MPa；进气切断缸及柴油切断缸处于接通位 置， 防爆柴油机正常运转。 当火灾发生时，火源探测器熔断并触发气控换 向阀换向，气控换向阀锁止在接通位置；储气罐压 缩空气迅速控制柴油切断缸及风门切断缸动作， 迫 使防爆柴油机停止运转；压缩空气经减压阀减压后 进入储水箱， 储水箱加压至 0.2 MPa 时轴阀开启； 加 压水通过轴阀进入灭火管网，从水雾喷头喷出， 灭 火系统响应时间小于 10 s。手动紧急按钮与气控换 向阀并联设计，当人员首先发现火情并按下紧急按 钮时， 系统执行同样的灭火动作。 完成灭火过程后， 手动复位气控换向阀， 同时更 换熔断的火源探测器。灭火系统流程如图 3。 2.2系统元部件配置 减压阀组由单向阀、 安全阀、 减压阀及气压表组 成。单向阀可防止水倒流回控制管路，造成管路结 冰或换向阀损坏。安全阀开启压力设定为 0.5 MPa， 可避免储水箱因压力过大而损坏。减压阀带调节旋 钮及气压表，通过调节对储水箱的压力实现对喷水 流量的控制， 调节范围为 0.2～0.5 MPa。 轴阀为气控常闭式， 开启压力为 0.2 MPa； 气控 换向阀具有阀芯定位及手动复位功能，当控制管路 压力大于 0.2 MPa 时，气控换向阀换向并锁止在开 启位置， 使储气罐的压缩空气持续进入进气切断缸、 柴油切断缸、储水箱以及轴阀等处。进气切断缸和 柴油切断缸动作时， 可使防爆柴油机立即停机， 车辆 自动执行缓速制动。 紧急按钮供人员手动紧急灭火时使用，阀芯带 定位功能， 人员拍下紧急按钮后可迅速撤离， 该功能 对于井下巷道人员逃生具有重要意义。 灭火管网为常压干式管网， 为便于布置， 管路采 用抗干烧的挠性金属管。干式管网最大的优点在 于， 其管路中储存的为高压空气， 具有耐寒、 耐热的 特点，适用于温度低于 4 ℃和高于 70 ℃的工作环 境。在准工作状态时， 管路内常压、 无水， 任意拆解 管路不会导致系统误动作， 便于车辆的维修保养。 3关键参数 3.1喷水强度 根据 “预防为主， 消防结合” 的方针， 设计喷水强 度及持续时间应立足于有效控制车辆初期火灾。防 爆柴油机车辆作为煤矿井下长距离运输车辆，若按 地面建筑标准设计较长的灭火持续时间，必然要求 携带大量的消防用水，影响车辆运行的经济性。对 水喷雾灭火的持续时间作为一个工程判断问题处 理。采用较短的响应时间及大流量水喷雾进行覆盖 1－储水箱； 2－减压阀组； 3－轴阀； 4－进气切断缸； 5－柴油切断缸； 6－水雾喷头； 7－气控换向阀； 8－源探测器； 9－紧急按钮； 10－储气罐。 270 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 式灭火的方案具有可行性。 经测算，防爆柴油机重点防护部位喷雾表面积 S 为 1.6 m2。参考 60～120 ℃闪点的液体火灾的设计 依据， 保护对象设计喷水强度 W 为 20 L/ （min m2） ， 设计喷水持续时间不少于 5 min。 3.2喷头参数 采用 ZSTW B10/90 型雾化喷头， 额定工作压力 为 0.35 MPa， 喷头的流量系数为 10， 喷头的流量计 算公式为 qk10p姨（1） 式中 q 为水雾喷头的流量， L/min； p 为喷头的 工作压力， MPa； k 为水雾喷头的流量系数。 为保证喷雾能够通过火焰直达燃烧中心，根据 水雾喷头的喷雾曲线，喷头与被防护部位的距离定 为 0.5 m。喷头数量 N 计算公式为 NSW/q（2） 式中 S 为受保护面积， m2； W 为设计喷水强度, L/ （min m2） 。 根据喷头数量及流量可知， 储水箱容积 Q 应至 少保证 168 L 的消防用水容积。 3.3储气罐压降 储气罐应维持灭火系统启动全过程中的管网压 力， 最低喷水压力不得小于 0.35 MPa。储气罐设计 容积 V1为 140 L， 额定工作压力 p1为 0.8 MPa。 将消 防水全部喷完后储气罐剩余压力为 p2，压力平衡公 式为 p2p1V1/ （V1Q）（3） 根据式 （3） ， 可得出储气罐压降曲线。随着喷水 量逐渐增加，储气罐压力逐渐下降，当消防用水全 部喷完时， 储气罐剩余压力约为 0.35 MPa， 仍然满 足水雾喷头工作所需压力。 4结语 设计的车载水喷雾灭火系统采用原有车载气 源、 水源， 采用气动控制， 不含电气元件， 可靠性高， 可以手动触发及终止，采用常压干式管网，具有气 源蓄能能力大、储水箱蓄水能力大、控制简单可 靠， 转换迅速的特点， 能在恶劣环境下长期处于备 用状态。 采用水作为灭火介质不仅可以解决维护保养更 换的问题，操作简单，大大降低了使用维护成本及 故障率，保障了车辆井下安全运行。采用水喷雾对 环境、 保护对象， 保护区人员没有影响， 减少干粉灭 火器等带来的各种不易处理的后果。该系统还可用 于车辆内部进行定期喷雾清洗，防止发动机及其它 部件表面粉尘堆积影响散热， 造成安全隐患。 参考文献 ［1］ 李智伟.矿用胶轮车防火性能及其发展趋势 ［J］ .煤矿 机电， 2016 （2） 92-93. ［2］ 刘伟， 郭鹿林， 刘立春， 等.矿井火灾的危害及预防措 施 ［J］ .煤矿安全， 2008， 39 （7） 48-50. ［3］ 王丽威.井下车载灭火系统应用现状及发展趋势 ［J］ . 煤矿安全， 2019， 50 （9） 126-129. ［4］ 李志国.浅谈车载灭火系统在露天煤矿卡车上的应用 ［J］ .神华科技， 2011， 9 （6） 71-74. ［5］ 李海欣， 于凤俊.柴油发电机房水喷雾灭火系统的设 计及特点 ［J］ .建筑设计管理， 2013， 30 （4） 58-61. ［6］ 戴琪.隧道内水喷雾系统参数对灭火效果的影响 ［J］ . 消防科学与技术， 2018， 37 （4） 496-500. ［7］ 周湧.隧道泡沫水喷雾联用灭火系统的设计与计算 ［J］ .隧道与轨道交通， 2017 （3） 32-35. ［8］ 刘肥.射流水雾化及其灭火机理研究 ［D］ .兰州 兰州 理工大学， 2008. ［9］ 宋永超.水喷雾系统对隧道火灾烟气控制影响分析 ［J］ .铁道建筑技术， 2018 （11） 93-97. ［10］ 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