瓦斯煤尘爆炸纯机械被动式降尘供氧应急防护系统及方法与流程

本发明涉及煤矿井下安全防护，尤其涉及瓦斯煤尘爆炸纯机械被动式降尘供氧应急防护系统及方法。

背景技术：

1、瓦斯煤尘爆炸是煤矿井下破坏性最强、伤亡风险最高的典型热动力灾害。根据国内重特大瓦斯煤尘爆炸事故统计数据，爆炸发生时，瞬间产生2300～2500℃的高温火焰、传播速度达2340m/s的超音速冲击波，直接摧毁井下通风设备、风门、风窗等通风构件，瞬间破坏整个巷道通风体系；冲击波扬起巷道沉积煤尘、有毒有害气体，进一步扩大灾害影响范围；通风系统彻底失效后，巷道风流停滞、有毒气体无法排出，爆炸产生的大量一氧化碳、硫化氢等致死气体与高浓度煤尘混合，在无风/微风巷道内快速扩散；同时爆炸消耗大量氧气，加之风流补充中断，巷道内氧含量快速下降，形成高毒、低氧、高粉尘的致命环境，这是造成后续人员伤亡的核心诱因。

2、当前矿井现有应急防护装备，主要包括自动隔爆水棚、电控喷雾降尘装置、压风自救装置等，均存在难以克服的技术短板，无法在瓦斯煤尘爆炸灾变场景下发挥有效防护作用，具体存在以下几方面的不足：

3、（1）依赖外部动力，本质安全度不足；电控式喷雾、通风装置需要依托井下供电线路才能运行；瓦斯煤尘爆炸的首波冲击会瞬间摧毁供电线路，装置直接失电失效；

4、（2）依赖人工操作，灾变触发条件不具备；压风自救装置、手动喷雾阀门需要人员主动开启，但爆炸产生的超压冲击会造成井下人员瞬时晕厥、肢体行动失能，无法在黄金时间内完成阀门开启动作；

5、（3）触发机制不匹配，错过最佳防护窗口；现有纯机械隔爆装置采用的直接冲击感应单元需要承受较大冲击压力才能动作，但爆炸冲击波在巷道内传播过程中快速衰减，装置接收能量不足，触发响应时间滞后于火焰传播时间；

6、（4）功能割裂不全，无法防控次生灾害；传统隔爆水棚、干粉隔爆装置仅能起到隔绝爆炸火焰的作用，缺乏后续降尘、毒气稀释、供氧能力；

7、（5）抗误触发能力弱，日常运维成本高；部分简易机械式触发装置未设置载荷甄别机构，井下日常爆破作业、矿震、皮带运输风流扰动产生的小幅冲击都会导致装备误动作；

8、综上，瓦斯煤尘爆炸灾变场景的核心特征是无电、无人、冲击强、灾害快，这决定了防护装备要想在极端工况下不失效，必须彻底摒弃对电源、电控系统、人工操作的依赖。然而，目前尚缺乏一种能够完全不依赖电源、无需人工干预、可在爆炸瞬间自动启动、且能同时完成降尘、毒气稀释和供氧三重防护功能的纯机械被动式应急防护系统及相应的布置方法。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供了一种瓦斯煤尘爆炸纯机械被动式降尘供氧应急防护系统及方法， 融合杠杆机械传动与压风供水联动协同雾化，提出一种纯机械被动式降尘供氧应急防护技术，依托爆炸冲击波自带能量实现无源自动触发，联动井下现有压风供水管路完成一体化应急防护。

2、本发明是采用以下技术方案实现的：

3、第一方面，瓦斯煤尘爆炸纯机械被动式降尘供氧应急防护系统，包括采用锚杆吊挂式安装固定在巷道顶板的专用支架上的多组纯机械被动式降尘供氧应急防护装置，所述纯机械被动式降尘供氧应急防护装置根据井下不同巷道的灾变风险等级和功能定位，沿巷道纵向分段布置于采掘工作面回风巷及运输巷、采区连接巷道、以及避灾路线沿线及避难硐室门前区域，形成由采掘面终端防护层、采区区域防护层和避灾路线生命防护层构成的三级联动防护体系；其中：

4、所述采掘面终端防护层包括布置于距采煤工作面、掘进工作面回风巷和运输巷内的若干组所述纯机械被动式降尘供氧应急防护装置，在爆炸发生后的灾变初期直接衰减冲击波压力，快速沉降工作面附近的煤尘；

5、所述采区区域防护层包括在矿井两翼、相邻采区、相邻煤层的连接巷道内集中布置的多组所述纯机械被动式降尘供氧应急防护装置，将爆炸产生的有毒气体和粉尘阻隔在单一采区范围内；

6、所述避灾路线生命防护层包括加装于井下避灾路线沿线及避难硐室门前区域的若干组所述纯机械被动式降尘供氧应急防护装置，为撤离人员和被困人员提供局部安全区域并维持巷道内氧气浓度。

7、具体地，所述采掘面终端防护层中每隔预设距离布置一组所述的纯机械被动式降尘供氧应急防护装置，并与工作面的隔爆水棚协同配合；所述采区区域防护层中集中布置的多组所述纯机械被动式降尘供氧应急防护装置形成长度≥30m的连续防护水幕。

8、具体地，每组所述的纯机械被动式降尘供氧应急防护装置包括铰接式联动传动的弧形冲击波感应单元、二级杠杆力矩放大传动机构、集成式联动阀芯以及压风供水联动雾化供氧防护总成；其中：

9、所述弧形冲击波感应单元设置于冲击波受力面，采用高强度合金钢冲压成盘型，盘型工作面设计为内弧形，接收爆炸冲击波并将冲击动压力转化为直线方向的机械推力；

10、所述二级杠杆力矩放大传动机构包括一级省力杠杆和二级位移放大连杆，所述一级省力杠杆通过加长推杆与所述弧形冲击波感应单元的盘型工作面铰接，将盘型受力板接收的微弱冲击推力放大为克服压风供水联动阀门阻力的大扭矩机械力；

11、所述集成式联动阀芯与所述二级杠杆力矩放大传动机构连接，杠杆传动推杆直接连接阀芯阀杆，触发后在驱动力作用下同步开启风路和水路；

12、所述压风供水联动雾化供氧防护总成通过矿用标准kj10快速插头连接复用井下压风管路和静压水管路，在风路和水路开启后形成全断面封闭水幕，同步完成降尘、毒气稀释和供氧防护。

13、具体地，所述二级杠杆力矩放大传动机构中：

14、所述一级省力杠杆动力臂长度为设定阻力臂长度的3倍，将相连接的所述弧形冲击波感应单元盘型工作面接收的初始冲击推力放大3倍；

15、所述二级位移放大连杆继续将所述一级省力杠杆输出的推力放大2倍，总力矩放大倍数为6倍。

16、具体地，所述集成式联动阀芯为一体式双阀联动设计，采用矿用y型密封圈并集成手动应急复位机构，适配0.2~0.8mpa的管路压力，阀门开启度与所述二级杠杆力矩放大传动机构的杠杆行程精准匹配，并通过调整阀芯开度精准控制气水流量比。

17、具体地，所述压风供水联动雾化供氧防护总成包括矿用高压管路、标准过滤器、广角扇形雾化喷头和供风分配器；其中：

18、所述标准过滤器内置100~400目可拆卸式不锈钢滤网，接入管路后对气水介质进行双重过滤；

19、所述广角扇形雾化喷头为多级布置且喷头角度可自由调节，预先将供气压力调整为供水压力的1.2倍以上，高压气流在喷嘴内部将水流剪切破碎为10~70μm的微细雾滴，配合多组喷头立体布置形成完整的全断面封闭水幕；

20、所述供风分配器将井下压风管路中的新鲜风流输送至所述广角扇形雾化喷头形成的喷雾水幕中心进行降温净化后，沿巷道整个断面连续扩散，向受灾区域持续补充新鲜空气。

21、具体地，所述广角扇形雾化喷头的个数和安装角度针对不同尺寸的巷道断面进行适配，包括：

22、对于断面面积＜10㎡的巷道，布置4~6个广角扇形喷头，水幕覆盖长度≥20m；

23、对于断面面积为10~12㎡的巷道，布置6~8个喷头，水幕覆盖长度≥30m；

24、对于断面面积＞12㎡的巷道，采用多组装置并联布置的立体式布置喷头，全断面无盲区覆盖。

25、另一方面，瓦斯煤尘爆炸纯机械被动式降尘供氧应急防护方法，包括以下步骤：

26、在距采煤工作面、掘进工作面回风巷和运输巷内，每隔50m布置1组纯机械被动式降尘供氧应急防护装置，与工作面的隔爆水棚协同配合；爆炸发生后，在灾变初期直接衰减冲击波压力，快速沉降工作面附近的煤尘；

27、在矿井两翼、相邻采区和相邻煤层的连接巷道内，集中布置3~5组纯机械被动式降尘供氧应急防护装置，形成长度≥30m的连续防护水幕，将爆炸产生的有毒气体和粉尘阻隔在单一采区范围内；

28、在井下避灾路线沿线和避难硐室门前区域，加装2~3组纯机械被动式降尘供氧应急防护装置；利用纯机械被动式降尘供氧应急防护装置形成的水幕进行空气净化，为撤离人员和被困人员提供局部安全区域，降低有毒气体吸入量，维持巷道内的氧气浓度，延长被困人员生存时间。

29、具体地，所述纯机械被动式降尘供氧应急防护装置的运行还包括：

30、正常工况待机阶段，通过调试使杠杆机构完全归零，压风供水联动阀门保持严密关闭状态；弧形冲击波感应单元的盘型工作面与巷道轴线垂直，正对爆炸源传播方向；所有管路处于常压力待机状态；

31、爆炸发生后，速度更快的冲击波首先到达防护区段，撞击弧形冲击波感应单元产生初始直线推力；一级省力杠杆按力臂比放大力矩，再通过二级位移放大连杆放大直线位移，经过双重放大后，产生足够的机械推力精准推动压风供水联动阀芯移动，同步完成风路和水路的快速开启；

32、风路和水路开启后，压缩空气以0.3~0.8mpa的压力高速流入压风供水联动雾化供氧防护总成中的广角扇形雾化喷头，将静压水剪切破碎产生10~70μm的微细雾滴；雾滴在高压风带动下，以≥7m的有效射程向巷道内扩散，在120ms内形成覆盖整个巷道断面的封闭水幕；

33、炸冲击波衰减至安全压力后，装置失去外部推力处于非运行状态，通过手动应急复位机构人工关闭对应压风供水阀门，停止防护动作。

34、本发明的有益效果在于：

35、（1）完全摒弃电控传感器和人工操作，利用爆炸冲击波自身能量驱动弧形冲击波感应单元，经二级杠杆力矩放大后触发装置动作，无需电力、无需人工干预，从根本上解决了传统电控设备在灾变断电条件下彻底失效、人工操作在人员失能条件下无法完成触发的核心技术短板；

36、（2）触发响应时间≤15ms、成雾时间≤120ms，在爆炸冲击波与火焰传播的百毫秒级时间窗口内完成防护动作，在火焰到达防护区段前提前形成降尘、毒气稀释屏障，有效阻断次生灾害链式蔓延；

37、（3）根据井下不同巷道的灾变风险等级和功能定位，将装置分层级布置于采掘工作面、采区连接巷道和避灾路线，形成包括采掘面终端防护、采区区域防护、避灾路线生命防护的三级联动防护体系，实现了从灾害源头到传播路径再到人员撤离路线的全链条覆盖，有效控制灾害影响范围并保障人员生存条件；

38、（4）通过集成式联动阀芯同步开启风路和水路，利用压风供水联动雾化技术形成全断面封闭水幕，同时完成高效降尘（全尘降尘效率≥85%）、有毒气体吸附稀释和持续压风供氧（维持氧含量≥18%）三重防护动作，克服了传统装置功能单一、无法全面防控次生灾害的缺陷；

39、（5）通过二级杠杆力矩放大机构的力臂配比设计，设定合理的触发压力阈值（≥0.02mpa），可有效甄别爆炸冲击与日常矿震、爆破作业、风流扰动等工况，杜绝误触发；装置无任何易损电气元件，免维护周期≥5年，触发后手动复位即可重复使用，无耗材成本；

40、（6）采用矿用标准kj10快速插头，与井下现有压风管路和静压水管路直接对接，完全复用井下现有资源，无需重新铺设管路、无需额外供电布线，安装工时仅为传统电控应急装置的1/5，单套装置采购安装成本仅为传统电控防护装置的30%，即接即用，推广门槛低；

41、（7）弧形冲击波感应单元采用高强度合金钢并经渗碳淬火处理，杠杆、连杆、转轴等核心受力构件采用合金结构钢锻造加工并经去应力热处理，所有铰接部位采用矿用自润滑轴承，适配井下多粉尘、高湿度、有水汽的恶劣环境，长期静置不生锈、不卡滞，承受强冲击后不损坏、不变形、不失效。