司荣军，博士，研究员，博士生导师，国家安全生产专家组成员，一级安全评价师，中国煤炭科工集团气体粉尘爆炸防控创新团队带头人,入选重庆市“英才计划”创新领军人才，荣获重庆市“最美科技工作者”等荣誉称号。现任中煤科工集团重庆研究院有限公司工业安全研究分院副院长，兼任中国职业安全健康协会通风安全与健康专业委员、煤矿安全标准化技术委员会粉尘防治及设备分会委员。

主要从事气体粉尘爆炸理论与防治技术及装备方面的研究工作。近年来主持或参与国家重点研发计划课题、国家自然科学基金项目6项，省部级及企业自主科研项目30余项。解决了实际工况瓦斯爆炸特性难以定量测试的难题，填补了超低温、环境湿度、多因素耦合等条件下瓦斯爆炸界限研究的空白，实现了实际工况瓦斯爆炸界限精准辨识；构建了工程尺度系列爆炸管网试验系统，实现了真实场景低浓度瓦斯爆炸灾害效应的模拟试验;开发了主动喷粉抑爆装置、清洁式气体抑爆装置、煤矿井下瓦斯煤尘爆炸区域联控技术，创立了多级爆炸防护系统，实现了低浓度（＜30%）含氧瓦斯的安全输送，成果在全国 400 余座煤矿得到广泛应用，取得了显著的社会和经济效益。获得国家科技进步二等奖1 项，省部级科技奖励10项；制修订国家/行业标准11项；作为专家参与安全生产事故应急救援、事故调查10余次；授权发明专利10余项；获得软件著作权20余项；出版专著3部，发表论文40余篇。

主要内容

结合煤尘爆炸发生的特征及现场防控需要，对煤尘爆炸防控关键技术及装备的研究现状和发展趋势进行综合分析和阐述，以期为有效防控煤矿井下生产过程中的瓦斯煤尘爆炸事故提供重要的技术支撑。

1.  煤尘爆炸抑隔爆技术原理

        爆炸抑隔爆技术按作用原理分为被动式和主动式两大类。

被动式隔爆技术是依赖瓦斯煤尘爆炸产生的冲击波动力来抛撒消焰剂，形成水幕或粉体云幕隔爆带，扑灭滞后于冲击波传播的火焰，阻止爆炸传播的技术。被动式隔爆装置主要包括岩粉棚、隔爆水棚、机械式隔爆装置等，在世界各主要产煤国得到了不同程度的开发和应用。波兰、澳大利亚、南非、英国、美国等均制订了岩粉棚、隔爆水棚现场应用的标准或规范。相较于岩粉，水比热容大，是更好的灭火抑爆剂，能够起到冷却降温作用，同时水蒸气又具有屏蔽效应，成为可燃气体分子或粉尘颗粒热辐射的障碍。隔爆水棚在我国煤矿井下巷道内已广泛应用。

主动式抑隔爆技术是指当爆炸事故发生后，依靠对爆炸火焰、压力信息的超前探测，由控制器触发抑爆/隔爆器快速启动，喷撒粉体消焰剂形成覆盖一定区域的隔爆屏障，扑灭爆炸火焰、衰减爆炸压力波，阻止爆炸的继续传播，其工作原理如图 1所示。

图  1  主动式抑隔爆技术原理图

2.    煤尘爆炸防控关键技术

2.1   高效复合靶向抑爆材料

图  2  不同粉体抑爆剂作用下瓦斯爆炸特征参量变化

2.2   被动式隔爆技术

2.2.1   隔爆水棚

图  4  巷道隔爆水袋棚安装技术要求

2.2.2   机械式隔爆装置

图  5  机械式隔爆装置原理图

2.3   主动式抑隔爆技术及装备

2.3.1   自动喷粉抑隔爆技术

图  6  煤矿井下自动抑爆装置组成

对于不同强度的瓦斯煤尘爆炸，达到熄焰灭火效果需要的粉体质量浓度不同。煤矿灾害防控全国重点实验室利用断面积7.2 m2的工程尺度地下试验巷道，分别进行了瓦斯诱导沉积煤尘爆炸传播及隔爆试验，在不同量粉体消焰剂作用下爆炸火焰到达位置和传播速度的变化如图 7所示。

图  7  瓦斯诱导煤尘爆炸隔爆火焰传播变化

在爆炸传播实验中，当100 m3瓦斯与质量浓度150 g/m3煤尘(距爆源14~70 m)发生复合爆炸时，最大火焰速度出现在40~60 m区域，最大速度为313 m/s[25-26]。而在隔爆实验中，最大火焰速度出现在巷道隔爆器的前端，即20~40 m内。区间火焰平均速度在隔爆屏障作用下出现“拐点”，在隔爆屏障覆盖区，爆炸火焰传播速度迅速降低。当充装90 kg粉体，即隔爆屏障单位面积的粉体质量为12.5 kg/m2时，爆炸火焰的最大传播速度为102.9 m/s，在60 m位置未探测到火焰信号，爆炸火焰被控制在隔爆器后20 m范围内。当消焰剂质量浓度较低时，隔爆屏障不能有效扑灭火焰；随着消焰剂质量浓度增大，隔爆效果增强。

2.3.2   自动水幕抑燃抑爆系统

图  8  自动水幕抑燃抑爆技术原理图

图  9  自动水幕喷雾应用示意图

2.4   爆炸区域联控技术及装备

图  10  爆炸区域联控系统技术原理图

图  11  不同测点位置爆炸压力变化曲线

爆炸区域联控技术针对爆炸传播不同阶段火焰和压力波的位置关系和变化特征，综合探测分析爆炸火焰、压力信息，分级启动不同位置、数量的抑爆/隔爆器。主动抑爆/隔爆装置的隔爆效果受巷道断面尺寸、潜在爆源点的位置和爆炸当量影响。基于这些条件，隔爆装置的技术指标、消焰剂的粉体质量浓度、安装位置则是影响隔爆效果的直接因素，也是主动隔爆装置应用技术中的核心要素。

3.  煤尘爆炸防治技术发展趋势探讨

1) 2020年2月，国家发展改革委、应急管理部、国家能源局等八部门联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确提出了我国煤炭工业要开展智能化建设工作，促进煤炭产业转型升级，提升煤矿安全生产水平。当前，煤矿井下普遍采用的煤尘控爆措施为安装隔爆水槽、隔爆水袋等被动式隔爆装置，但由于其适用性及结构特点，难以适应煤矿智能化的发展。爆炸区域联控系统将抑爆、隔爆装置集中监控，根据爆炸能量大小来研判抑隔爆装置的启动时序与启动数量，实现了爆炸在采场区域的联动控制，具备了一定的智能化水平。但目前区域联控系统尚没有统一的技术要求，需要建立统一的技术标准，规范系统的信号、技术指标、运行功能等，并逐步开展推广应用。

2) 目前，主动式抑隔爆装置对爆炸信息的探测技术主要有2种：一种是探测爆炸产生火焰的红外线或紫外线；另一种是探测爆炸产生的冲击波压力。煤矿井下的生产条件复杂，有时主动式传感器对接收到的信息不能进行智能判识，存在对光电信号或压力信号的误判，致使在并不是真正爆炸发生时，错误触发了系统动作。如有瞬时火花的产生，在非瓦斯积聚环境，或自身能量低，并不会引发爆炸；另外，巷道顶板事故伴随产生冲击波压力，但非爆炸事故引发。现有的传感探测技术不能完全精准识别判断这些非爆炸信息。需要发展爆炸信息与非爆炸信息的准确感知判断技术，研究爆炸火花/火焰能量变化的快速识别方法，提出爆炸压力大小、上升速率综合触发阈值判定方法，提高爆炸信息感知探测器的抗干扰性能。

3) 煤矿井下条件复杂，巷道系统呈现网络化，潜在爆炸危险源众多，危险地点可能发生爆炸的强度或者爆炸发生后传播至特定地点的强度均存在不确定性，阻隔爆炸传播所需要的消焰灭火剂质量浓度不同，亟待建立工程巷道条件下爆炸传播能量与抑隔爆介质用量的关系，而且这些与爆炸防控装置抑爆效率有关。如何根据煤矿井下的危险源状况、爆炸传播规律及抑隔爆装备的技术特点，正确配置安装探测传感器、抑爆/隔爆器的位置及数量，又兼顾经济合理性，是主动抑隔爆技术亟待解决的现场应用难题。

4) 煤矿井下机械式隔爆装置的安装地点及安装方式是今后研究的重点。近年来，煤矿机械式隔爆装置发展迅速，形成了多种规格型号，已逐步在陕北、山东、山西等矿区的上百个煤矿井下推广应用，在采煤工作面进回风巷、煤巷和半煤岩巷掘进工作面等地点，其能够代替隔爆水袋、隔爆水槽。但目前由于缺少井下机械式隔爆装置的安装应用执行标准，现场应用混乱，造成了较大的安全隐患。急需根据井下不同的环境条件，制订机械式隔爆装置的技术标准、安装应用规范等，对潜在危险区域爆炸能量、强度进行判断，确定隔爆装置安装位置、抑爆粉体用量、安装技术要求等，提高装置在现场应用的可靠性。

4.结束语

煤尘爆炸是煤矿井下典型的热动力灾害之一，往往与瓦斯共同演变成复合灾害，破坏性强。煤尘爆炸具有严重性、致灾关联性、发生地点与灾害程度的不确定性等特点，因此爆炸防控技术现场实施应用有严格的技术要求。当前，我国煤矿井下对爆炸防控技术装备的应用存在较多误区，巷道断面、煤尘爆炸传播能量与抑爆剂用量之间存在较强的关联性，爆炸防控技术的应用需要因矿施策，不能盲目地随意安装、照搬经验。被动式的机械式隔爆装置、隔爆水棚的特点不同、技术参数有差异，必须考虑爆炸特征与装备启动、持续作用的关联，提高对现场安装规范性的认知。

近年来，主动式抑隔爆技术、爆炸区域联控技术快速发展并开始推广应用，但目前主动式抑隔爆技术在爆炸信息的准确感知及其阈值综合判定，以及区域联控技术装备的安装布置等方面需要进一步突破关键卡点，提高区域化防控技术的可靠性与可操作性。因此，基于不同危险区域巷道布置、不同爆炸当量，构建区域化的煤尘爆炸灾害可靠协同防控技术体系，提升爆炸灾害防控智能化水平，具有重要意义。