煤矿防爆安全知识讲义(新)

煤矿防爆安全知识讲义煤炭工业上海电气防爆检验站2005．1目录前言第一篇矿井气体爆炸性混合物的形成1、我国煤矿井下的基本环境条件2、我国煤矿井下的基本工况条件3、煤矿井下巷道内的气体4、爆炸性混合物的形成第二篇矿用防爆电气设备的基本要求1、概述2、基本要求3、专用规定4、《煤矿安全规程》对电气设备的有关规定（摘录）第三篇矿用隔爆型电气设备“d”1、隔爆外壳的基本防爆原理2、隔爆型电气设备3、隔爆型电气设备结构第四篇增安型电气设备“e”1、概述2、通用要求3、专用规定第五篇本质安全型电路与本质安全型电气设备“i”1、概述2、本安型电路的防爆原理3、本安型电气设备的结构要求4、本安型电路设计计算基础第六篇矿用一般型电气设备“KY”1、概述2、通用技术要求3、专用技术要求4、标志5、铭牌第七篇制造与维修1、质量体系2、生产制造的基本条件3、隔爆型电气设备的使用与维修4、增安型电气设备的维修5、本质安全型电气设备的使用与维修第八篇试验检测1、概述2、防爆性能试验3、电气性能试验前言煤炭、石油、化学、纺织等工业在国民经济中占很重要的地位，这些行业在生产过程中会产生爆炸性气体．蒸汽或爆炸性粉尘，这种场所均称为爆炸性危险场所。按国际IEC标准和我国防爆标志GB3836.1的规定，防爆电气设备分为二类，即I类：煤矿用电气设备；II类：除煤矿外的其他爆炸性气体环境用电气设备。除I类场所之外，II类场所按爆炸性物质出现的频敏程度、持续时间又划分为“0区”．“1区”、“2区”三个等级，其中0区危险程度最大。防爆型式是为防止点燃周围爆炸性混合物而对电气设备结构所采取特定的安全措施，就我国现有制定的强制性国家标准及近几年来的技术状况来说，其防爆型式有：隔爆型“d”、增安型“e”、本质安全型“i”、正压外壳型“p”、油浸型“o”、充砂型“q”、“n”型、浇封型“m”、特殊型“s”、混合型（上述类型的复合，例d[ib]I）。我国煤矿井下常用的型式以隔爆型、增安型、本质安全型、特殊型及混合型为主，因此本讲义主要包括《爆炸性气体环境用电气设备》通用要求、隔爆型“d”、增安型“e”及本质安全型“i”四部分。在我国煤矿井下还使用着矿用一般型电气设备“KY”，为此，也一并作基本介绍。本讲义拟作矿用防爆基本知识、设备使用维护、基本设计的介绍，对科研设计及煤矿电气设备使用人员有一定参考价值，因此也是一本基本培训素材。煤炭工业上海电气防爆检验站2005年1月第一篇矿井气体、爆炸性混合物的形成1我国煤矿井下的基本环境条件1.1空气成份在煤矿井下采掘过程中，空气里含有瓦斯（甲烷）、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、二氧化氮、氨及其它碳氢化合物，其中瓦斯（甲烷）含量占85%以上。当空气中的瓦斯（甲烷）含量达到5～15％时，遇上＋650℃以上的高温或具有足够能量的火花，便会发生气体爆炸的危险。在采掘过程中还会引起大量煤尘的飞扬，当煤尘粒度在0.75～1mm以内，其浓度在30～2000g/m3范围内时，遇上＋700℃以上的较大热源，便可能发生爆炸的危险。这两种爆炸是伴生的，一般在瓦斯爆炸后引起煤尘爆炸，而煤尘爆炸造成的破坏更为严重。因此，《煤矿安全规程》对煤矿井下的空气成份与井巷中风流速度都作了严格的规定。对采掘设备也有相应的规定，例在综合机械化采掘工作面，规定采煤机、掘进机设立内喷雾降尘装置；对工作面、井下煤仓、溜煤眼、翻罐笼、输送机、装煤机及其它转载地点都规定有外喷雾或喷水措施。1.2环境温度煤矿井下的气温是随着地层深度和四季季节的变化而有所区别，就同一地点的年平均温度比较稳定，上下温差变化甚微。《煤矿安全规程》规定生产矿井采掘工作面不得超过＋26℃，机电峒室不得超过＋30℃。个别地点若超过规定的温度，必须采取降温措施，进风井筒冬季结冰时，必须装设空气预热设备，保持进风口以下空气温度在＋2℃以上。我国防爆标准GB3836.1《通用要求》中规定电气设备环境温度在－20℃～＋40℃时能正常运行。以上的规定既考虑煤矿井下矿工有较合适的工作环境，又考虑了电气设备在运行中能基本防止高温散热差及高、低温的热剧变、热老化现象导致绝缘老化、工作寿命短，以确保正常运行。1.3相对湿度煤矿井下湿度大，有淋水是一大特点，相对湿度在95～100％左右范围内变化，当井下温度在大于＋25℃情况下，对电气设备的绝缘性能影响很大。为此，I类电气设备规定必须按国标GB／T2423.4标准《交变湿热试验方法》进行测试，以确保电气设备在恶劣气候条件下能正常运转。1.4周围空间煤矿井下作业空间狭窄，巷道受顶板压力的作用造成煤块、岩石冒落，使电气设备易遭碰、砸、压，而且煤矿生产作业经常变动，电气设备需要频繁移动。因此，要求矿用电气设备外壳既要防爆，又要在承受强度情况下设计得轻巧，同时电性能满足要求，运行可靠，操作简单，维修方便。1.5电气设备壳内的环境条件由于电气设备外壳达到防爆要求，因此电气设备在正常运行中壳内温度扩散条件差，尤其对经常频繁起动、停止工作状态有分断大电流现象，其电器件触头的电弧会引起设备内高分子绝缘材料的分解，从而产生有害物质，导致电子、电器元件工作条件的恶化。由于过负荷、过电压等原因，在隔爆外壳中也会出现电弧短路故障，电弧能量使得隔爆外壳中的压力导常升高，甚至造成外壳结构的破坏，这是值得引人注意的。2我国煤矿井下的基本工况条件2.1供电系统和电压等级煤矿供电系统一般为地面变电所，以10kV或6kV供电下井中央变电所、采区变电所直到工作面配电点，基本属于垂直方式四级供电系统。煤矿井下电气设备的发展伴随着供电电压等级的变化而发展。采区供电电压普遍采用380V、660V、1140V电压等级，综采机械化工作面现已采用3300V电压等级，手动电动工具（例煤电钻）及井下照明均规定采用127V电压等级。自89年起，煤炭行业发展日产7000吨高产高效综合机械化采掘工作面任务，我国采煤机单机功率已达到500kW以上，整台采煤机装机容量达1000kW以上，由此而使井下采区供电电压由1140V电压等级向3300V电压等级发展。2.2电压偏差煤矿井下由于开采深度、层次的变化，采煤工作面距离的移动及更换，井下用电负荷经常变化，因此供电电压的波动范围也较大，这就要求矿用电气设备能在75%～110%的额定电压下正常工作，同时对电性能提出更高的要求，如：矿用电器的动作特性和电子保护的电压稳定性等。2.3冲击与振动矿用电气设备从井上到井下各场所的运输过程要承受不同程度的冲击与振动，采、掘、运机械（包括运输机车）用的机械电气设备在设备运行更要承受不同程度的冲击与振动，其振动频率、振幅及时间与正弦振动概念不同，很难以现有标准来判定，电气设备运行不正常与冲击、振动也有很大关系。2.4安装类别安装类别（过电压类别）主要对低压电器面言，矿用电气设备按GB/T14048.1低压开关设备和控制设备总则的有关规定，基本按III、IV类考虑。3煤矿井下巷道内的气体把煤层及其围岩涌出的天然气和井下巷道内由于大气氧与煤、岩石、木棚之间化学反应和生物化学反应以及在井下钻眼爆破工作和有机物质燃烧形成的工艺气体，均统称为矿井气体。矿井气体的主要成份是瓦斯，也称甲烷（CH4）及其同系物，煤矿井下最危险的是爆炸性气体。它包括甲烷（98％）及其同系物（乙烷、丙烷、丁烷）及其它可燃性气体。井下空气中瓦斯的含量很大程度上取决于地质构造、煤层埋藏深浅程度及开拓方式。对井下巷道内瓦斯含量主要取决于各种自然因素，例如开采深度、煤层瓦斯含量、煤层中甲烷压力和透气性。一般来说，瓦斯主要的涌出源是顺槽准备巷道的新暴露面和回采工作面经常更新的移动工作面及采落的煤。在通风量不足的情况下，巷道内瓦斯含量会超过“煤矿安全规程”规定的标准。尤其在准备巷道的掘进工作面，回采工作面的采煤机附近和工作面与回风巷道的交界处附近更为严重。3.1在掘进巷道打眼放炮情况下据有关资料介绍，放炮后大约在半分钟之内，瓦斯浓度由1％提高到16％；在1分钟之内，瓦斯浓度可提高到30%左右；在3～15分钟内，瓦斯浓度降低到4.5％。当局扇停止通风时，这种巷道瓦斯积聚浓度则随着瓦斯绝对涌出量的增加、瓦斯浓度超限时间的延长、巷道长度及倾角增大而增大。3.2在回采工作面的采煤机附近落煤带和工作面与回风巷交界处采煤机落煤带内瓦斯涌出量除了与煤的瓦斯含量有关以外，还与落下的煤和新暴露煤壁的瓦斯逸出量有关，一般认为开采煤层的厚度、工作面风速、煤层瓦斯天然含量和回采工作面平均日推进速度是使最大瓦斯浓度超过工作面各断面平均值的主要因素。3.3矿井瓦斯等级的划分《煤矿安全规程》规定，一个矿井中，只要有一个煤（岩）层发现过瓦斯，该矿井即定为瓦斯矿井，并依照矿井瓦斯等级的工作制度进行管理。矿井瓦斯等级，按照平均日产1t煤涌出瓦斯量和瓦斯形式进行划分，即低瓦斯矿井：10m3及其以下，高压斯矿井10m3以上及煤与瓦斯突出矿井三种。对低瓦斯矿井中，个别采区瓦斯涌出量较大或瓦斯涌出有异常情况时，则该采区应按高瓦斯区进行管理，具体由矿务局定时组织鉴定工作，报上级部门批准执行。4爆炸性混合物的形成4.1爆炸性气体空气混合物的爆炸界限瓦斯－空气混合物的爆炸是大气中氧气与瓦斯在危险高温或足够的火花能量时的自动回速反应，同时伴随着放热，产生二氧化碳气体和水蒸汽，即：CH4＋2O2＋7.52N2＝CO2＋2H2O＋7.52N2＋831.0千卡／克分子在正常条件下，5％～15％瓦斯－空气混合物是爆炸性混合物。当井下空气中瓦斯含量＜5％或＞15％时，由于在瓦斯含量低的低混合物中瓦斯燃烧时产生的热量不足以维持燃烧，而瓦斯含量高的高混合物中瓦斯过剩，对混合物起冷却作用（瓦斯的热量消耗比空气高1.5倍），两者均使混合物不爆炸。但是，在井下空气中瓦斯含量超过15％时，由于瓦斯气体取代氧气，对于人的生命的有危险的。例如，空气中瓦斯气体含量超过43%时，由于氧气不足，人就会发生窒息的危险。由上可知，5％是爆炸下限，15％是爆炸上限，它还随着初始压力的上升而提高。任何爆炸性气体混合物都存在着爆炸的下限和上限，现将列举几种名称列表所示。名称分子式可爆炸极限（体积比％）最低引燃能量(mJ)燃点温度(K)2316下限（％）上限（％）瓦斯（甲烷）CH45150.282316丙烷C3H82.19.50.252383乙烯C2H42.7340.12557乙炔C2H21.5820.0192893氢H24.075.60.0192483氨NH31528二硫化碳CS21.260硫化氢H2S4.345甲苯C7H81.276.75-24844.2电气设备在故障状态下电气绝缘材料有机成份受热分解气体煤矿井下空气湿度较大，矿井水蒸汽有腐蚀作用，电气设备在长期运行过程中由于煤尘向电气外壳内部不断侵入，会使原有电气材料绝缘性能降低，严重者会导致电气击穿现象；也由于电气保护装置调整不符合要求或者保护失效，电气设备大功率的放电，对绝缘材料产生热作用；如果带电部件匝间短路或电路系统短路产生飞弧现象等，这些均是产生可燃性气体的直接原因。众所周知，塑料在持续加热到几百度时，最初是机械性能下降，然后产生材料分解，析出气体和烟雾。所析出的气体中氢气和一氧化碳占主要成份，据有关资料介绍，绝缘材料在电弧电流1400A，电压700V作用下，在0.2～0.25秒时间内，在密封钢壳（净容积16升）内发现了可燃性气体，其中氢和一氧化碳含量较大，而外壳内部的压力取决于电流强度和电弧燃烧时间。现以三种树脂在密闭容器内高温分解现象列表所示：气体高温分解1克树脂产生气体量（cm3）聚酰胺树脂环氧树脂苯乙烯聚脂共聚物二氧化碳528.319.0一氧化碳10028.2-氢80.6--甲烷56.330.216.9乙炔-2.9-乙烯-8.813.2气体总量288.984.473.8爆炸危险浓度计算下限值（体积比，％）7.76.1*2.6*在10分米3空气的容积内足够产生爆炸性气体的经过高温分解的树脂数量2.97.7*3.6注：①*—为近似值②上述三种树脂中，尽管均有耐高温的特点，但经高温分解，足以达到爆炸危险的浓度，不能忽视。4.3爆炸性混