井下车载灭火系统应用现状及发展趋势

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）

目前，煤矿井下辅助运输普遍采用防爆柴油机无轨胶轮车进行人员、材料及设备的运输，相较有轨运输而言，以防爆柴油机为动力的车辆防火形势愈加严峻。据统计，矿山车辆火灾事故的起火点大多在发动机附近，空压机、涡轮增压器及排气歧管是主要易高温元件[1]。发动机负荷过重、水箱缺水、高温元件附着可燃物、油管漏油、电线短路、操作保养不当等是设备自燃的主要诱因。根据相关标准，无轨胶轮车应配置自动灭火系统或便携式灭火器等消防装置[2]。随着井下特种车辆不断向重型化发展，特种车辆载重吨位已达100 t，其防爆柴油机功率达300 kW，整车携带燃油超过200 L、携带液压油超过500 L，在温度较高的封闭发动机舱内，一旦发生火灾后蔓延速度极快，极易造成重大人员伤亡及设备损毁[3]。使用普通手持干粉灭火器对火情的响应速度和灭火能力已不能满足大型车辆的灭火需要，配置灭火效率更高的手动灭火系统和可实时监测并迅速反应的自动灭火系统尤为重要[4]。

井下车载灭火系统较地面系统而言，要求其具有简单可靠、耐受井下恶劣条件、灭火能力大、便于安装更换及免维护的特点。主要车载灭火装置主要有探火管式干粉灭火器[5-6]、依赖驾驶员操作的手动式灭火系统及可自动监测并动作的自动灭火系统。

1 井下车载手动灭火系统应用现状

目前，煤矿井下车辆常用的灭火系统多为手动式，主要有管网式干粉灭火系统和管网式加压水喷淋灭火系统。此类系统不设火源探测器及自动触发器，完全依赖驾驶员对火情的及时感知。当驾驶员发现火情后迅速按下手动触发器开始灭火，该系统配置成本较低，具有且简单可靠，灭火能力突出、易于维护保养及更换的特点。

1.1 管网式干粉灭火系统

管网式干粉灭火系统系统通常将驱动氮气瓶与干粉瓶独立设计，同时配置启动氮气瓶，三者间由密闭气管连接，启动氮气瓶布置于驾驶员可及时触及的位置，车身较长时可多位置备份布置[4]。当火情发生时拔出启动氮气瓶保险销并按下启动按钮，气管瞬间充压并打开驱动氮气瓶阀门，驱动氮气瓶持续释放高压氮气进入干粉瓶组，将干粉通过灭火管路吹入并淹没发动机舱实现灭火。在发动机舱敷设灭火管路通常选用不锈钢波纹管，管路沿发动机两侧纵向布置并间隔分布针孔喷头。

管网式干粉灭火系统灭火能力大，系统可靠性高，不受井下恶劣环境的影响。但该系统缺点在于，干粉喷出时会溢出发动机舱并在井下巷道内弥漫，容易影响救援视线及人员逃生。此外，干粉附着在发动机机体等高温设备上烧结固化，增加了灾后设备清理修复难度。

1.2 管网式加压水喷淋灭火系统

管网式加压水喷淋灭火系统主要由储水罐、储气罐、减压阀、灭火按钮、水管管路及喷淋头等组成。管网式加压水喷淋灭火系统组成如图1。不锈钢耐压储水罐安装在车体上，罐体容积根据发动机功率选取，通常为50～100 L，罐体最高耐受压力0.3 MPa。采用车载储气罐作为加压气源，通过减压阀调节压力30～100 kPa。由于大功率防爆柴油机气启动的需要，车辆自身配置储气罐容积通常大于100 L，充气压力为0.6～0.8 MPa，将储气罐作为紧急情况下的储水灭火压力气源有较大裕量，可保证自动灭火可在车辆熄火时仍能正常使用。当火情发生时按下灭火按钮，储气罐压缩空气通过减压阀后向储水罐加压并控制气控换向阀换向，联通水管管路并触发发动机停机，加压水通过水管进入发动机舱进行喷淋灭火。

图1 管网式加压水喷淋灭火系统组成

管网式加压水喷淋灭火系统具有简单可靠及易维护的特点，水流压力可通过调节减压阀实现，其灭火效果极佳，且喷淋水灭火对井下人员无健康威胁，适应井下恶劣的车载工况。地面普遍采用的喷水系统压力水一直以充满的状态存在于管路之中，本系统采用喷水与加压同时进行，与地面湿式系统相比具有一定先进性。此外，该系统也可引出1 路水管用于车辆冲洗及发动机高温时的散热器冲洗降温等作业。

2 井下车载自动灭火系统应用现状

井下车载自动灭火系统一般包括灭火罐、火源探测器、自动触发器、手动触发器、灭火管路及喷头等元件组成。火源探测器类型有：用于探测温度的熔断触发式探头，其内部采用热敏元件，当环境温度升高至热敏元件耐温极限时熔断触发灭火，安装此类火源探测器时，灭火系统无须供电；也有用于探测温度的感温电缆及红紫外双频光感探测器，安装此类火源探测器时，灭火系统须车辆电源为其供电方可持续工作。作为爆炸性气体环境下的灭火系统，其能否不依赖车体供电独立可靠工作是一项重要指标。

2.1 温度探测式自动灭火系统

井下温度探测式自动灭火系统，一般采用熔断触发方式，熔断式自动灭火系统组成如图2，该系统与车辆电气系统等保持独立，灭火系统在车辆熄火后仍保持警戒状态。灭火管路常态下无压，当火源探测器所在位置的温度高于设定温度阈值时，火源探测器内的热敏释压元件爆裂并刺破内置的高压气囊，使管道内压强上升，触发灭火罐内部阀门打开实现灭火[5]。其无压单管道的设计具有一定技术先进性，井下实际使用效果较好，便于安装且免维护，适应恶劣的矿井环境。

图2 熔断式自动灭火系统组成

该系统缺点在于对火情响应存在一定滞后，起火后火源探测器不会立即动作，当火势发展至熔断探测器时才会自动开启灭火，探测器距着火点位置对滞后时间起决定作用。为保证响应及时性，探测器数量通常配置多个，对各易高温点进行重点监测。

2.2 火焰探测式自动灭火系统

为提高火源探测的及时性，火源探测器由单一的熔断触发式逐步向热光综合智能检测方向发展。火焰探测式自动灭火系统能在火情发生瞬间自动感应，设置警报延时并自动启动完成灭火[7-8]。火焰探测式自动灭火系统组成如图3，系统主要组成有：控制主机、温度传感器、火焰探测器、灭火罐、喷头及电缆等。通过探测明火火焰和温度等参数，将信号反馈至控制主机，控制主机给电动球阀供电，打开灭火罐阀门实现自动灭火，同时控制防爆柴油机自动停机。该系统也也可通过拔出保险销操作灭火罐压把实现手动紧急灭火。

图3 火焰探测式自动灭火系统组成

该系统缺点在于：由于井下恶劣环境及发动机机舱内的高温烘烤，导致电控箱、传感器及线路故障多发，且故障检测及调试困难。感光式火焰探测器可靠性及抗污染能力较差，在遭受强光瞬时照射、电焊弧光等干扰下可能发生误动作导致灭火系统启动，常因为探头受到煤泥污染遮挡而漏报火情，需要定时人工清洁镜面。为避免探测盲区及误报，光学火焰探测器通常在发动机舱内对角斜朝下安装，在探测器锥形探测范围内应杜绝错误报警源。此外，该系统由于依赖车辆电源供电，当车辆断电熄火后自动灭火侦测停止工作，无法对熄火后的车辆作出自动检测扑救。

3 灭火系统关键元部件前沿技术

3.1 火源探测器

常用火源探测器类型有：用于探测温度的熔断式探测器、热电偶传感器、线性感温电缆；用于探测明火火焰的红紫外光波探测器。

1）目前较先进的熔断式火源探测器与触发器一体式集成，当火情发生后探测器内部熔断后打开触发器内高压气囊，在管网内形成的瞬间高压将灭火罐阀门打开。该元件具有靠性高，免维护及易更换的特点。

2）线性感温电缆是矿山设备常用的感温元件，电缆内部为感温绝缘材料包裹的2 根弹性钢丝，当火情发生后熔断感温绝缘材料并使2 根钢丝接触，控制主机监测到钢丝短路信号后输出灭火指令[4]。使用感温电缆时应注意防止由于外力损伤及高温老化等原因导致的误报、漏报。

3）红紫外双波段探测器具有误报率低、响应速度快的特点，可通过迅速探测物质燃烧火焰中的不可见光辐射判定火情。火焰探测器响应时间可缩短至毫秒级，可用于抑爆系统的传感元件，用于阻断气体爆炸、炸药爆炸及坦克内部消防[9]。

3.2 灭火剂

新型超细干粉灭火剂兼具化学灭火和物理灭火特点，通过与火焰接触产生化学反应夺取燃烧自由基与热量[10]，对车辆油料火灾有良好的灭火效果。但由于驾驶室、客箱与发动机舱的火灾原因及特点不同，驾驶室及客箱灭火，封闭舱室内使用干粉灭火对车内人员有较大危害，容易遮挡逃生视线及造成窒息，使用水系灭火剂具有灭火能力强、无毒、易降解的特点，通过水雾喷头实现精细喷淋[11]，可使大量细颗粒状灭火剂能在火源表面形成巨大反应面，通过带走火源热量降低温度的方式，达到灭火目的。

4 结 语

煤矿井下车载灭火系统的发展必然要与其实际需求相适应，要求其能在爆炸性气体环境、淋水、粉尘、震动、碰撞、油污及缺少维护等恶劣工况下仍保持系统可靠工作，还须注意水系灭火剂在冬季高寒地域使用的防冻处理。此外，系统配置容量应能有效抑制并彻底熄灭火情，确保不发生二次火灾。

1）限于煤矿井下爆炸性环境的特殊性，无电自动灭火系统有其独特优势，但由于感温熔断式探测器探测距离有限，应根据探测器探测距离考虑布置位置及数量。灭火系统中启动器、探测器、氮气瓶及灭火罐等应作冗余设计，可采用双驱动输出以增强其可靠性，同时须减小元部件体积及简化连接方式，便于车体内部布置及更换。

2）对于依赖电传的自动侦测式灭火系统，每次接通电源后系统应开启自检，各节点可通过二极管闪烁以显示主机、探测器、执行端口是否性能良好。控制面板应能显示火情、系统运行指示、故障指示并配置灭火按钮、急停按钮等，以便于驾驶员了解灭火器工作状态、是否需要清洁光学探测器镜面以及紧急操控。