新型气囊式自动封闭装备研究.pdf

第3 7 卷第5 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 7N o ．5 2 0 0 8 年9 月 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yS e p ．2 0 0 8 新型气囊式自动封闭装备研究 周福宝，刘应科，张仁贵 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室安全工程学院，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 摘要针对传统封闭技术及设施、装置的不足和煤矿火区安全封闭的需求，基于压力自动控制原 理，研制出一种能自动充气进行封闭火区的装备，并进行了煤矿井下的现场测试．结果表明对于 断面为5 ．6 6m 2 的非规则粗糙壁面巷道，气囊自动充气封闭的时间仅为1 2 ～1 3m i n ，比常规密闭 的施工时间短；采用褶皱和裙边结构，气囊漏风率仅为5 ％左右，具有良好的封闭效果．气囊的充 气封闭过程实现了自动化、无人化，对具有爆炸危险的井下水水区进行封闭时，可防止密闭施工 过程中发生人员伤亡． 关键词矿井火灾；火区；密闭；气囊 中图分类号T D7 5 3 ．6文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 5 0 6 0 4 0 4 R e s e a r c ho naN e wA u t o m a t i cI n f l a t a b l eD e v i c ef o r S e a l i n gF i r eA r e a s Z H O UF u b a o ，L I UY i n g k e ，Z H A N GR e n - g u i S c h o o lo fS a f e t yE n g i n e e r i n g ，S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fC o a lR e s o u r c e sa n dM i n eS a f e t y ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t An e wi n f l a t a b l ed e v i c eb a s e do nt h ea u t o m a t i cc o n t r o lp r i n c i p l eo fp r e s s u r ew a sd e v e l o p e dt oo v e r c o m es h o r t c o m i n g si nt r a d i t i o n a ls e a l i n gt e c h n o l o g i e sa n dt om e e tt h en e e d so f s e a l i n gf i r ea r e a ss a f e l y ．T h i sd e v i c ew a st e s t e di nt h er o a d w a yo fac o a lm i n e ．T h er e s u l t s s h o wt h a tf o ra ni r r e g u l a ra n dr o u g h - w a l lr o a d w a yo f5 ．6 6m zi na r e a ．i to n l yt a k e s1 2 ～1 3 m i n u t e st os e tu pt h ei n f l a t a b l ed e v i c e ，w h i c hi sl e s st i m et h a nr e q u i r e df o rs e t t i n gu pc o n v e n t i o n a ls e a l i n gd e v i c e s ．T h ea i rl e a k a g er a t ei so n l ya b o u t5 ％d u et ot h eu s eo fac o r r u g a t i o na n d s k i r tt y p es t r u c t u r ei nt h ed e v i c e ．T h i si n d i c a t e sag o o ds e a l i n ge f f e c t ．T h ei n f l a t a b l ed e v i c ec a n b ea u t o m a t i c a l l yi n f l a t e dw i t h o u tm a n u a lo p e r a t i o n ．T h i sh e l p st op r e v e n tc a s u a l t yi n t h e p r o c e s so fs e a l i n ga nu n d e r g r o u n df i r ea r e aw i t hg a s e x p l o s i o np o t e n t i a l ． K e yw o r d s m i n ef i r e ；f i r ea r e a ；s e a l i n g ；i n f l a t a b l ed e v i c e 矿井火灾是煤矿主要灾害之一，常会造成巨大 经济损失．扑灭矿井火灾最为有效的方法就是直接 灭火．但在火势发展迅猛，直接灭火不能奏效的情 况下，往往需要采取封闭火区的方法．抢险救灾过 程中，如何安全、快速地实现封闭灾区，是控制灾害 范围、减少灾害损失、避免继发性灾害的关键．目 前，国内外普遍采用的快速密闭有板闭、砖闭、聚氨 酯喷涂密闭、喷胶及轻质混凝土砌块、降落伞式密 闭和气囊式密闭等- 6 ] ．在实际运用中，板闭漏风 大，封闭效果差；砖闭、混凝土砖块的运输和砌筑工 作量大，砌筑时间长；降落伞式密闭承受风压能力 有限，稳定性差，易受风流方向的改变而失效．此 外，在封闭过程中这些密闭都需要有人员在现场作 业，对封闭高瓦斯灾区存在爆炸危险性[ 7 { ] 。国内外 收稿日期2 0 0 7 1 2 2 0 基金项目国家自然科学基金项日 5 0 6 0 4 0 1 4 作者简介周福宝 1 9 7 6 ，男。江苏省南京市人，副教授，工学博士，从事矿井通风与安全方面的研究． E - m a i l f ．z h o u c u m t ．e d u ．c aT e l 0 5 1 6 - 8 3 9 9 5 0 5 3 万方数据 第5 期周福宝等新型气囊式自动封闭装备研究6 0 5 现有的气囊式密闭的充气过程也需有人员在现场 作业，且气囊卸压渗漏后难以补气，安全性和可靠 性存在不足．因此，研究一种自动、快速、安全的新 型封闭装备对于矿井火灾的抢险救灾意义重大．本 文基于压力自动控制原理，研制出能自动封闭、施 工快速、安全可靠的新型气囊密闭，并在煤矿井下 进行了现场试验． 1 新型气囊式密闭的设计 1 ．1 设计原理及总体结构 气囊式自动封闭装备包括高压气源、气囊、限 位支架、高压胶管、压力补偿充气装置 见图1 ．其 设计原理及流程选定封闭地点，设定限位支架，在 支架间放置气囊，调节压力补偿充气装置设定充气 压力，连接管路开始充气，施工人员撤离现场，气囊 随充气量的增加逐渐膨胀，当气囊内压力达到设定 压力时，气囊内外的压力平衡从而自动停止充气， 完成封闭过程．若气囊卸压，则高压气源对气囊自 动进行补气．气囊充气封闭巷道的过程，真正实现 了无人化和自动化，确保了封闭过程的安全． 图1气囊密闭的组成 F i g ．1C o m p o n e n to ft h ei n f l a t a b l ed e v i c e 1 ．2 气囊面料选型 选择合适的气囊面料，保证气囊密闭的可靠 性、安全性和持久性，是项目研究的关键之一．常用 的气囊面料有橡胶、塑料薄膜或尼龙布等．橡胶的 气密性好、耐磨，但同等面积时橡胶的重量要大得 多，且成型时需要特定的模具．塑料薄膜质量轻、气 密性好，但是不耐磨、易为尖锐物体刺穿，尼龙布耐 磨，但气密性稍差．本次试验的气囊面料采用制作 高级冲锋艇的面料海帕龙胶布，即内层基布为 高强度尼龙织料，外涂海帕龙原料，海帕龙原料中 添加抗静电剂，符合抗静电的要求．这种面料耐磨、 气密性好、重量轻．气囊面料厚度有0 ．3 ，0 ．5 ，0 ．7 ， 0 ．9m m 等规格，经初步计算，采用0 ．7m m 规格的 面料，其重量为0 ．5k g ／m 2 ，则封堵断面为1 0m 2 的 巷道，气囊仅为1 5k g ，可减轻施工人员的负担，加 快抢险救灾过程中密闭的施工． 1 ．3 气囊的结构设计 气囊的形状有矩形和梯形，也可按照巷道断面 的形状和尺寸加工出系列化的气囊成品．气囊的结 构有整体式和组合式，对于断面小于6m 2 的巷道 选用整体式，对于断面大于6m 2 的巷道选用组合 式．其高度一般应比巷道最大高度大2 0 0 ～3 0 0 m m ，宽度应比巷道最大宽度大4 0 0 ～6 0 0m m ，纵 向长度为2 0 0 ～3 0 0m m ． 增加气囊边缘和巷道凹凸壁面之间的接触面 积，是减少漏风的关键．传统式气囊难以达到边角， 气囊与粗糙巷壁之间的接触点少，触点之间存在较 大的漏风通道 如图2 a ．本文设计的气囊在成型 时通过预加压力，使气囊边缘呈现曲线型褶皱．充 气后气囊褶皱会鼓胀并与巷道周边有效地接触，堵 塞巷道边角，提高了封闭的严密性，如图2 b 所示． 同时，在气囊的边缘留设长度为2 0 “ - - 3 0c m 的尼龙 布裙边，填塞褶皱之间的的小缝隙． 图2 传统气囊与新型气囊的结构设计 F i g ．2 S t r u c t u r a ld e s i g no ft h et r a d i t i o n a la n d n e w - t y p ei n f l a t a b l ed e v i c e s 1 ．4 压力补偿充气装置 如图3 所示，压力补偿充气装置由高压胶管、 气体减压阀、压力表和充气接口组成．减压阀采用 了二级减压，从高压气源到气囊共有3 个压力表， 第1 个压力表显示原始压力，第2 个显示一次减压 后的压力，第3 个显示二次减压后的压力．高压气 源通过阀门、管路与气囊相连，调节第2 和第3 个 压力表，一般第2 个压力表调整到3 0k P a ，第3 个 压力表调整到3k P a ．当气囊内气体压力达到3 k P a 时，因充气接口内外压力平衡，充气过程自动 停止；若气囊渗漏，其内压力低于3k P a 时，自动恢 复充气，直至充气口内外压力重新达到平衡． 图3 压力补偿充气装置 F i g ．3 A na u t o m a t i ci n f l a t a b l ed e v i c e u n d e rp r e s s u r er e l i e f 万方数据 中国矿业大学学报 第3 7 卷 1 ．5 气囊限位装置 当气囊安设于巷道之中必然承受较大的风流 压力．譬如，当巷道密闭前后的压差为4 9 0P a ，巷 道断面为1 0m 2 时，密闭体受力达到5k N ，因此， 必须设计限位装置．具体可采用轻型支架固定，即 在气囊两侧都支设2 根轻型支架，调整高度，使其 支撑巷道顶、底部，气囊被限定在安装地点．也可在 进风流的气囊侧面设计3 个半圆拉环A ，B ，C 见 图4 ，利用绳索进行辅助固定，绳索的另一端绑定 在巷顶或巷帮上． a 气囊的正视图 b 绳索固定时的侧视图 图4 绳索固定气囊示意 F i g ．4 I n s t a l l a t i o no ft h ei n f l a t a b l ed e v i c ew i t hr o p e 2 工业性试验 2 ．1试验地点 试验地点选择在神华宁夏煤业集团公司乌兰 煤矿5 7 4 4 回风巷，巷道壁面粗糙，巷道断面为 5 ．6 6m 2 ，形状及尺寸如图5 所示．巷道内设有压力 为0 ．4 “ - - 0 ．5M P a 的压缩空气．巷道属于矿井通风 网络中的次要分支，内设风门，短时间内开闭风门 的对矿井通风系统影响较小．试验气囊的规格为 3 ．0m 2 ．5m ． 1 ●} - 一 2 0 ～3 0 m 密闭气 鼠门 k A a 试验地点布置 b 巷道断面 图5 试验地点巷道参数 F i g ．5 P a r a m e t e r so ft h et e s t i n gr o a d w a y 2 ．2试验过程 1 确定施工地点；2 测封闭前的风速把风 门开至9 0 。，6 0 。和3 0 。，分别测出不同角度时密闭地 点的风速；3 气体参数测定测定试验地点大气 压和干湿球温度；4 支设气囊利用绳索固定气 囊，连接压风管路和气囊充气口，设定压力补偿充 气装置的压力为3k P a ，打开阀门进行充气；5 测 量风速和压差打开风门至9 0 。，6 0 。和3 0 。，测量气 囊密闭两侧的静压差，采用烟雾测定阀测量漏风风 速L 9 j ，6 拆除气囊装置，结束实验． 2 ．3 测试结果及分析 试验中对巷道封闭前后不同的风门开启角度、 充气时间、气囊两侧静压差和密闭前后的风量进行 了详细测量，结果如表1 所示． 表1 现场工业试验结果 T a b l e1R e s u l to ft h ei n s i t ue x p e r i m e n t 风门开启充气时气囊两侧静密闭前风鲢Q j ／街闭后风量Q o ／ 角度／ 。 问t ／m i n 压差h ／P a m 3 r a i n “ m 3 r a i n1 9 01 3 ．03 5 3 f i 01 2 ．02 8 7 3 01 2 ．5 2 6 6 4 8 0 ．1 8 4 4 5 ．2 0 4 0 7 ．0 4 2 4 ．5 2 2 1 ．5 6 2 0 ．0 3 密闭体的漏风率可采用下列公式计算 P L Q i 7 - F Q 一．1 0 0 ％， 1 式中P 。，为气囊漏风率，％；Q i 为密闭施工前的风 量，m 3 ／m i n ；Q o 为密闭施工后的风量，m 3 ／m i n ． 密闭体漏风量可采用下式进行计算u 叫 Q L 舢√蠢而， 2 式中Q 。为密闭的漏风量，m 3 ／s ；U 为密闭的周界， m ；h 为密闭内外两侧风压差，P a ；D 为密闭体的厚 度，m ；k 为风流渗透系数，物理意义是负压为9 ．8 P a 时通过厚度1 ．0m 的密闭的周界所流过的风 量，m 2 ／ P a s ；n 为风流流动状态指数，层流时挖 1 ，紊流时卵 2 ，中间流态时，竹 1 ～2 ，对于密 闭体通常行取2 ．由式 2 可得 ， k i 兰兰 ． 3 u √盎 则可计算出气囊式密闭体的风流渗透系数，如 表2 所示． 表2 评价密闭漏风状况的参数 T a b l e2P a r a m e t e r so fe v a l u a t i n ga i rl e a ks t a t u so fd e v i c e 对以上井下现场试验和试验数据结果的评价 1 气囊式密闭装置体积小，重量轻，安设简 单，2 ～3 人即可运输到密闭地点并完成密闭工作； 2 气囊充气时间约为1 2 ～1 3m i n ，完全符合 抢险救灾时快速密闭的需求； 3 气囊式密闭的漏风率为5 ％左右； 4 气囊式密闭的风流渗透系数为2 9 0 1 0 - 5 “ - - 3 2 0 l O - 5I n 2 ／ P a s ，与有裂隙的料石密闭墙 的风流渗透系数相当‘1 “，表明研制的密闭具有较 好的堵漏效果． 万方数据 第5 期周福宝等新型气囊式自动封闭装备研究6 0 7 3 结论 1 新型气囊式密闭装置采用褶皱和裙边结 构，具有良好的封闭效果，对于非规则粗糙壁面的 巷道，漏风率仅为5 ％左右，风流渗透系数与有裂 隙的料石密闭墙的风流渗透系数相当； 2 新型气囊式密闭装置充气体积小、重量轻， 架设时间短； 3 气囊式自动封闭新装备具有自动充气和调 压作用，实现了灾区封闭的无人化，对具有爆炸危 险性的火区进行封闭时，可避免密闭施工过程中发 生人员伤亡； 4 利用瓶装高压气体作为高压气源，可在无 压风、无电的井下地点对巷道实现快速封闭． 参考文献 E 1 ] 王省身，张国枢．矿井火灾防治[ M ] ．徐州中国矿业 大学出版社，1 9 9 0 ． [ 2 ] 李万捷，申迎华．一种新型快速密闭装置的研究及 应用[ J ] ．中国安全科学学报，2 0 0 2 ，1 2 6 6 0 6 2 ． L IW a n - j i e ，S H E NY i n g b u a ．S t u d ya n da p p l i c a t i o n o fn e wf a s th e r m e t i cd e v i c e [ J ] ．C h i n aS a f e t yS c i e n c e J o u r n a l ，2 0 0 2 ，1 2 6 6 0 - 6 2 ． [ 3 ] V E R A K I SHC ．T e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t sa n dm i n e s a f e t ye n g i n e e r i n ge v a l u a t i o n s [ C ] ／／M U T M A N S K Y JM ，R A M A N lRV ．P r o c e e d i n g sa n dM o n o g r a p h s i nE n g i n e e r i n g W a t e ra n dE a r t hS c i e n c e s ．L o n d o n T a y l o ra n dF r a n c i sG r o u p ，2 0 0 6 5 6 5 5 6 8 ． [ 4 ] 冯述虎，郭福君．气囊式快速密闭的关键技术及其 试验[ J ] ．煤炭科学技术，1 9 9 8 ，2 6 9 1 6 1 9 ． F E N GS h u h u ，G U OF u - j u n ．K e yt e c h n o l o g ya n d e x p e r i m e n to fa i rc h a m b e rf a s th e r m e t i c [ J ] ．C o a l S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，1 9 9 8 ，2 6 9 1 6 - 1 9 ． [ 5 ] T H I M O N SED ，K 1 S S E L LFN ．P a r a c h u t e - t y p e s t o p p i n g s [ J ] ．E n g i n e e r i n ga n dM i n i n gJ o u r n a l ， 1 9 7 9 ，1 8 0 2 9 1 - 9 5 ． [ 6 ] 王国超，戴小平，邓国红，等．降落伞充气式耐高温 快速密闭的研究[ J ] ．矿业安全与环保，2 0 0 0 ，2 7 6 5 6 ． W A N GG u o - c h a o 。D A IX i a o - p i n g ，D E N GG u o - h o n g ，e ta 1 ．S t u d yo np a r a c h u t e - t y p eh i g ht e m p e r a t u r e - r e s i s t a n tf a s ts e a l [ J ] ．M i n i n gS a f e t y ＆E n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o n ，2 0 0 0 ，2 7 6 5 - 6 ． [ 7 ] Z H O UFB ，R E NWx ，W A N GDM ，e ta 1 ．A p p l i - c a t i o no ft h r e e - p h a s ef o a mt Of i g h ta ne x t r a o r d i n a “l y s e r i o u sc o a lm i n ef i r e [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f C o a lG e o l o g y ，2 0 0 6 ，6 7 1 ／2 9 5 1 0 0 ． [ 8 ] Z H O UF u b a o ，W A N GD e - m i n g ，Z H A N GY o n g - j a n ，e ta 1 ．．P r a c t i c eo ff i g h t i n gf i r ea n ds u p p r e s s i n g e x p l o s i o nf o ras u p e r - l a r g ea n dh i g h l yg a s s ym i n e 口] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 7 ，1 7 4 4 5 9 4 6 3 ． [ 9 ] 黄元平．矿井通风[ M ] ．徐州中国矿业大学出版 社，1 9 8 6 ． [ 1 0 ] 宋永津．煤矿均压防灭火[ M ] ．北京煤炭工业出版 社，2 0 0 2 ． 责任编辑王继红 万方数据