重型礦卡火災防控系統關鍵技術*

陳廣泰，劉正元，楊寶珠，李爭，陸夢羽，陳闖

(中車大連機車研究所有限公司， 遼寧 大連 116021)

0 引言

人類對礦產資源的使用至少有50萬年的歷史。21世紀初，礦產資源的開采、運輸、提煉雖然已經逐漸邁向全面機械化，但礦山事故依然居高不下。據煤礦安全網統計，僅2019年上半年，全國煤礦企業發生事故67起，死亡108人[1]。其中礦山運輸類事故15起，死亡15人。2020年上半年，全國煤礦企業發生事故48起，死亡74人。其中，礦山運輸類事故12起，死亡13人。安全需要完備的技術保障措施。本文將以礦用自卸車為例著重研究重型礦卡火災防控相關問題。

1 重型礦卡火災防控技術的國內外發展現狀

1.1 國外現狀

重型礦卡技術復雜程度高、設備價值量大、安全要求高、維護檢修困難。全球具備成熟研發和制造能力的僅有卡特彼勒CATERPILLAR、小松KOMATSU、日立HITACHI、特雷克斯TEREX和利勃海爾LIEBHERR等幾家知名企業。

國外火災防控技術研究較早，但針對于重型礦卡的火災研究卻很少。德國Siemens-Cerberus、美國安素公司、3M公司、AFEX公司均是全球較早一批生產制造滅火系統的公司并已經成熟運用于重型礦卡。美國安素公司、AFEX公司生產制造的干粉滅火系統代表著世界的領先水平。隨著技術的發展，先后出現了水基滅火裝置、泡沫干粉聯用滅火裝置和氣體滅火裝置。

1.2 國內現狀

一臺重型礦卡的內燃系統、傳動系統、制動系統、電氣系統非常復雜，堪比一臺電傳動內燃機車。國內重型礦卡的主要生產廠家有中國中車、湘潭電機、本溪重汽、徐工、北方股份等龍頭企業[2]。其配備的火災防控系統以安素公司的超細干粉為主，而國內沒有公司具備此技術。為填補我國消防行業的空白，政府開始高度重視火災防控技術，加大對消防行業研究開發、試驗驗證、生產制造的投入，得以縮短了我國消防技術與國際先進水平的差距。但在重型礦卡火災防控系統上仍要以進口為主，缺乏特種運輸行業的火災防控體系。

2 重型礦卡火災的主要成因

礦山環境惡劣，機械晝夜運作潛在火災危險性極高。據統計，重型礦卡起火事故有發動機起火、馬達起火、排氣管起火、輪胎起火、駕駛室起火、電器柜起火、電控柜起火等[3]。這些事故可根據火源類型分為兩種：油液火、電氣火。由于重型礦卡主要以柴油發動機提供動力，其自卸、動力轉向、舉升等大多數工況下采用液力機械傳動，車體遍布各種液壓油管及柴油輸油管，所以油液泄露便成為了其主要起火原因，這種事故概率的占比遠遠大于電氣火。兩種火災成因總結如下：

1) 發動機輸油管路中的霧化柴油，液壓系統中的霧化液壓油以及其他管路中的油液，常常由于管路的破損使油液滴濺乃至噴射接觸到發動機或渦輪增壓器排氣管、制動系統剎車盤、制動電阻等高溫物體表面導致的油液高溫接觸火災；神華集團黑岱溝煤礦2011年由于液壓油噴射到溫度極高的渦輪增壓器及排煙管而引起的火災發生了5起[4]。

2) 由于作業環境惡劣，作業強度大、工作時間長等原因導致的電氣設備過載、線纜破損、老化漏電、線端松動，從而使線纜短路、高溫自燃引起設備起火。

3 重型礦卡火災防控系統的發展需求與方向

3.1 發展需求

重型礦卡由于其運用環境惡劣，工作強度大，油液、脂類大量存在等原因導致其火災風險相較于其他工程車輛都高。重型礦卡對火災安全防控需求十分迫切，火災防控系統已成為礦卡重要組成部分。

礦卡由于其自身儲存大量油液、工作時高溫發熱部件多、工作區域遠離市區難以救援等原因，礦卡火災的早期火災探測報警技術變得尤為重要，然而我國針對該領域的火災探測報警技術尚不成熟。有一半重型礦卡甚至不配有任何探測報警系統。探測報警系統需要由探測器與報警控制器兩部分組成。國產探測器性能不穩定且以民用為主，受制于傳感器技術水平，能穩定用于監測礦卡火災的國產火災探測器以及與之匹配的報警控制器仍然匱乏。

當礦卡擁有了火災探測器報警系統時，其應當進一步具備相應的自動滅火技術?；馂奶綔y報警可及早地疏散人員，而滅火技術則是為了將火災經濟損失降到最低。我國滅火技術發展迅猛，在建筑消防方面可謂是世界前沿，但是針對于半封閉環境的大型運輸設備選擇卻很少。其主要是缺乏專用的滅火劑和灌裝容器。高沖擊振動環境與極端溫度條件對于灌裝設備具有很大的考驗。

綜上所述，重型礦卡使用的火災防控系統應滿足以下幾點需求：能對火情精準、快速地探測，合理的判斷邏輯，在最短時間內響應；長期穩定的運行，在火災發生時能高效、可靠地滅火；滅火后設備的可恢復性、絕緣性、腐蝕性以及易清潔性都需要進行考慮，盡量減少對設備的二次傷害。

3.2 發展方向

現階段重型礦卡火災防控系統應該向著全自動、智能化、可視化方向發展。滅火裝置、探測裝置、控制裝置、視頻監控裝置集成的火災防控系統正逐步取代傳統手持式滅火器。全自動火災防控系統在火災初期既可及時發現火情又可實時顯示設備狀況并自動釋放滅火劑撲滅大火，有效地避免了火災發生時人為滅火的不可靠問題。

經過多年的發展，針對重型礦卡的火災防控設施逐漸完善，現主要使用的傳統手持干粉滅火劑、進口CO2火災防控系統、干粉火災防控系統、混合液體火災防控系統[5]尚未完全考慮災后設備可恢復性和對環境污染程度。所以滅火劑應當選擇新型的無腐蝕、無殘留氣體火災防控系統。

火災發生時不能及時探測火災、撲滅火災并抑制火災復燃的火災防控系統將逐漸被淘汰。我國的火災防控系統正向專業化、系統化體系發展。使用多物理量復合探測技術、優化邏輯控制，配以專用的新型滅火藥劑，是實現超早期火災探測、防控的必經之路。

4 重型礦卡火災防控系統關鍵技術

火災防控系統主要由探測、報警控制、滅火執行以及諸如遠程數據傳輸和報警聯動等其他聯動裝置等構成[6]。為保障人民生命安全，減少國家經濟損失，維護社會穩定發展，加強重型礦卡火災防控系統基礎技術和應用技術研究,以及綠色智能等產品技術的開發，具有十分重要的意義。

4.1 重型礦卡的火災分析技術

火災分析可分為火災重建與火災預測，而火災模型搭建是其中最重要的步驟，是評估火災和驗證防火性能的主要手段?；馂慕Ｒ诨瘜W與物理基本定律，否則無法準確解釋火災。當火災發生時，火勢將會受到流場的嚴重影響。因此在模型搭建時，模型結構簡化程度不同、流場流動假設不同，將會得出不同的火災模型。

火災模型可分為用數學方程組建立的數學模型與按照一定比例復制的物理模型。由于復雜的幾何圖形不能始終與原始圖形保持一致，因此研究人員必須評估與記錄幾何圖形基本元素，在了解各個模型物理基礎上，進行模型搭建。

圖1是根據某型號礦用自卸車進行的火災模型建立。首先根據礦車真實機械模型進行模型結構簡化，獲得我們要研究的火災發生場所的結構簡化模型，然后通過對環境參數(風速、溫度、氣壓等)進行調整，最后設置所需的測溫點來實現對溫度監測。通過仿真軟件進行流場仿真，可以預測或重建溫度變化趨勢、煙氣流場等數據。

圖1 流場切片圖

有關于火災的發展，目前研究領域只能在某種程度上針對基本特征進行建模?；馂牡陌l展階段可分為初期、發展、猛烈、下降、熄滅五個基本階段，隨環境條件的不同，這五個階段會演化出形式各異的火災發展曲線。其中火災初期階段與發展階段是發現、撲滅火災的黃金時期，是火災建模最關注的研究點。

4.2 火災探測與感知

火災探測技術依靠兩部分，一是傳感器技術，二是邏輯處理技術。

傳感器是能測量并按照一定規律轉換成輸出的器件或裝置[7]?；馂奶綔y技術均依靠傳感器檢測、傳輸和放大，火災產生的煙霧、火焰和高溫等介質的變化，該變化通常會以電流信號或者電壓信號形式傳出，通過探測器本體或者控制器預設程序計算后發出火災信號、報告火災發生位置等信息。目前火災探測器根據檢測對象的不同，可分為感煙、感溫、輻射、氣體以及復合探測器。這幾類探測器僅吸氣探測器、感煙探測器可以較早地發現火災，但經長期使用上述兩種探測器極易因外界因素引起誤報，故復合多類型探測器的方式是目前解決誤報、漏報最可靠的方法。

礦山運輸設備長期處于多塵環境，感溫、感煙探測器的維護成本較高，所以現有的礦山運輸設備多采用免維護的線型感溫電纜或點式定溫探測裝置，作為火災防控系統的“感官”。線性感溫電纜內部有兩根彈性鋼絲，每根鋼絲外面包有一層感溫且絕緣的材料[8]，在正常監視狀態下，兩根鋼絲處于絕緣狀態，當周邊環境溫度上升到預定動作溫度時，溫度敏感材料破裂，兩根鋼絲產生短路，輸入模塊檢查到短路信號后會報警[9]。此種探測器本身靈敏度、控制器對其的邏輯控制直接影響火災防控系統的有效性。我國現階段生產的探測器雖然價格低廉，但誤報率高、響應慢，無法完全取代進口探測器。

4.3 火災防控系統控制策略

火災防控系統設計以精準、簡單、高效為原則，通過早期預警、聯動控制，實現精確噴射，可為設備提供全面的防護保障?；馂姆揽叵到y主要分為三大組成部分，即控制系統、探測系統、滅火執行系統。由不同傳感器構成的火災探測系統時刻監視著周圍環境的溫度、煙氣、火焰變化。發生火災時，探測系統可迅速響應并傳遞信號到控制器。通過控制器內部集成的算法進行邏輯判斷，一旦判斷為火災，一方面輸出動作信號，控制滅火執行系統動作，撲滅火災；另一方面發出消防聯動信號及報警信號，通知相關人員緊急撤離。

電動輪礦用自卸車主要保護區域集中在柴油機、電傳動系統、液壓傳動系統、制動系統、柴油管路、液壓管路、閥組、電線電纜等部位。針對以上部位布置探測器與滅火劑管路是十分必要的。圖2是某礦用自卸車滅火執行裝置的示意圖。

圖2 某礦用自卸車滅火執行裝置

圖3為某電動輪礦用自卸車火災防控系統拓撲圖，該系統分別在前后輪、增壓器、液壓泵、制動器布置探頭，時刻監控火情。探測器串聯接入控制器，火災發生時探測器發送電流信號到控制器，進而通過控制器控制滅火器噴射。

圖3 某礦用自卸車火災防控系統

4.4 適用于重型礦卡環境下的環保型滅火劑

重型礦卡存在大量可燃液體：潤滑油、柴油、潤滑脂、液壓油及其他可燃物[10]。當這些運輸設備“人歇車不歇”的晝夜工作時，發動機缸體、排氣裝置以及制動產生大量的熱，而許多油管、電線電纜與這些高溫裝置接觸緊密，存在著很大的火災隱患。

根據NFPA潔凈氣體滅火系統標準[11]，將礦用運輸設備使用到的滅火劑統計如下：

低成本、環保、易攜帶的CO2滅火劑、干粉滅火劑是目前在礦山機械運用最廣泛的滅火劑，但降溫效果有限，且無法抑制復燃。表1中水基、泡沫滅火劑主要針對A類火，在礦山運輸設備復雜的火災環境和電動輪附近使用容易造成二次電氣災害，且施救后難以清理。從表2中可知,以全氟己酮為代表的清潔氣體滅火劑不僅滅火性能優良，而且符合環境保護要求，具有良好的電氣絕緣性能，尤其是揮發后不會產生任何腐蝕作用和破壞作用，滅火的同時設備狀態保持正常，逐步應用在重型礦卡中。

表1 滅火劑分類

表2 超細干粉與全氟己酮對比分析

全氟己酮滅火劑用量計算：

確定保護區的容積V=(L×W×H)m3；滅火劑濃度取為4.5%，滅火系統的滅火設計濃度不應小于滅火濃度的1.3倍，固最小設計濃度為5.85%；計算滅火劑設計用量：

(1)

式中:W為滅火設計用量或惰化設計用量,kg；C1為滅火設計濃度或惰化設計濃度,%；S為滅火劑過熱蒸汽在101 kPa大氣壓和防護區最低環境溫度下的比容,m3/kg；V為防護區的凈容積，m3；K為海拔高度修正系數，可按本規范附錄B的規定取值。

滅火劑過熱蒸汽在101 kPa大氣壓和防護區最低環境溫度下的比容，應按下式計算：

S=0.066 4+0.000 274 1·T

幾種典型化學滅火劑與滅火系統的性能對比詳見表3[12]。

表3 滅火劑性能對比表

4.5 遠程監測與車地一體化控制

采用先進的傳感器技術、車載信息采集技術、無線通信技術、流媒體傳輸技術和故障預測健康管理技術，把重型礦卡的火災探測裝置采集的狀態數據、定位信息、故障信息、視頻信息、車輛身份信息以及火災信號報警信息處理整合后，利用APN(Access Point Name)專網無線傳輸技術實時傳至地面系統進行分析處理[13]。當無火災發生時，地面系統對火災防控設備遠程實時監測、智能運維等信息進行綜合應用。當地面系統一旦接收到車載火災探測信息及火災報警信號后，迅速啟動車地無線通信裝置，包括視頻聯動、揚聲器和麥克風，實時進行遠程火災精準一體化現場督導指揮控制。

系統主要包括位于車載端的火災探測裝置、數據采集傳輸裝置、通信裝置和專用車載天線及配套線纜；位于地面監測中心的車地數據無線通信接入設備和智能手持終端模塊；車地無線傳輸方式采用專用APN物聯網和數字化礦山WLAN或5G無線局域網進行火災實時狀態數據、視頻文件及事件記錄文件的傳輸[13]。

系統組成架構如圖4所示。

圖4 遠程監測與車地一體化控制組成

隨著智能化自動駕駛系統的發展，火災防控系統還需要進一步與礦車智能化自動駕駛系統進行無縫融合。

5 結論

重型礦卡火災造成的財產損失和人員傷亡是礦山開采及運輸工作的痛點，因此火災防控極其重要。在機械化普及，電傳動設備大規模應用的發展背景下，若不配備相應的自動火災防控設備，火災發生的風險將不會得到有效控制。

以火情智能感知和新型滅火劑等關鍵技術應用為基礎的國產自主設計重型礦卡用火災防控系統設計能夠使礦用自卸車等運輸設備的重大火災事故得到有效控制，保障安全生產。