何勇軍，易 欣，王偉峰，康付如，陳煒樂(lè)，胡 震

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 711054；2.陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 711054；3.四川警察學(xué)院 治安系，四川 瀘州 646000）

“碳達(dá)峰”和“碳中和”的發(fā)展思路作為國(guó)家重大戰(zhàn)略目標(biāo)，利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)建立煤礦智慧礦井勢(shì)在必行[1-2]。然而隨著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，煤礦機(jī)械化程度越來(lái)越高，對(duì)煤礦智能電氣化程度的需求逐漸加大，煤礦井下發(fā)生外因火災(zāi)的數(shù)量也逐年增多，特別是井下變電站著火、配電點(diǎn)著火、電纜著火以及電氣設(shè)備著火等電氣火災(zāi)事故。煤礦井下環(huán)境復(fù)雜多變，用電設(shè)備種類雜、數(shù)量多且較為分散，電纜線路較長(zhǎng)，因此電氣火災(zāi)具有隱蔽性強(qiáng)、隨機(jī)性高、燃燒速度快、撲救難度大以及損失程度大等特點(diǎn)[3]。一旦發(fā)生電氣火災(zāi)，就會(huì)借助電纜、設(shè)備、風(fēng)流、瓦斯及煤塵等引起連鎖反應(yīng)，造成電氣設(shè)備損壞，燒毀生產(chǎn)設(shè)備、改變礦井通風(fēng)狀態(tài)、井下內(nèi)部環(huán)境污染以及人身傷害等，不僅會(huì)影響井下的電氣安全，也有可能引發(fā)二次燃燒爆炸災(zāi)害事故，影響整個(gè)礦井系統(tǒng)的安全。例如廣西二塘煤礦死亡30 人的變電所火災(zāi)、湖南立勝煤礦“1.5”死亡34 人電纜火災(zāi)、吉林萬(wàn)寶煤礦“12.6”死亡34 人絞車房火災(zāi)等重特大電氣火災(zāi)事故，給煤礦企業(yè)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失并造成嚴(yán)重的社會(huì)影響。因此，智能監(jiān)控和滅火技術(shù)對(duì)煤礦井下電氣火災(zāi)防治具有重要的意義。為此，對(duì)煤礦井下電氣火災(zāi)成因進(jìn)行分析，總結(jié)當(dāng)前電氣火災(zāi)智能監(jiān)控和滅火技術(shù)基礎(chǔ)上，提出未來(lái)技術(shù)發(fā)展的研究導(dǎo)向和工作重心。

1 煤礦井下電氣火災(zāi)成因分析

煤礦井下供電系統(tǒng)包括各類變電所、配電點(diǎn)以及各類阻燃電纜，其中變電所又包括中央、分區(qū)、采區(qū)以及移動(dòng)防爆變電所等。對(duì)煤礦井下電氣火災(zāi)事故原因分析發(fā)現(xiàn)，電氣線路短路、過(guò)負(fù)荷、漏電以及接觸不良等電氣故障等是引發(fā)電氣火災(zāi)的主要成因[4-5]。這些電氣故障從輸電線路的局部過(guò)熱開始，產(chǎn)生高溫或電火花，自身絕緣層被點(diǎn)燃的同時(shí)，引燃周圍可燃、易燃物，從而引發(fā)火災(zāi)，加之煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，遇到瓦斯或煤塵積聚，極易引發(fā)二次災(zāi)害事故。

首先，電路短路故障是導(dǎo)致電氣火災(zāi)的最主要原因，輸電線路或電氣設(shè)備發(fā)生短路時(shí)，短路電流能夠高達(dá)額定電流的幾十倍，熱量在短時(shí)間內(nèi)快速積聚形成危險(xiǎn)溫度；其中電弧性短路故障點(diǎn)產(chǎn)生了高壓，但電流較小被難以察覺(jué)，故障電弧會(huì)累積能夠產(chǎn)生近3 000 ℃的高溫，熔化絕緣層并引燃周圍可燃物。其次，煤礦井下線路負(fù)載極限設(shè)計(jì)較低，隨意在線路中增加設(shè)備，超負(fù)荷運(yùn)行；線路的維護(hù)、保養(yǎng)、檢修不到位，線路絕緣層老化嚴(yán)重等都是引起線路過(guò)負(fù)荷的具體原因。煤礦井下漏電現(xiàn)象的發(fā)生范圍較廣，且不易被發(fā)覺(jué)，也是引發(fā)井下電氣火災(zāi)的重要原因之一，煤礦井下導(dǎo)線長(zhǎng)時(shí)間帶電運(yùn)行、使用環(huán)境潮濕易腐蝕、絕緣層的機(jī)械損傷以及電氣設(shè)備對(duì)地絕緣損壞等都會(huì)造成漏電電氣故障。此外，煤礦井下電纜之間、電纜與電氣設(shè)備之間接觸不良、井下電氣設(shè)備安裝使用不當(dāng)以及工作電火花都易引發(fā)電氣火災(zāi)。

2 煤礦井下電氣火災(zāi)智能監(jiān)控技術(shù)

對(duì)于煤礦井下電氣火災(zāi)智能監(jiān)控技術(shù)，通常采用的是變電站電氣監(jiān)控系統(tǒng)，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)井下變電站及用電設(shè)備的電氣故障監(jiān)測(cè)，又能發(fā)出報(bào)警信號(hào)。此外，為了滿足未來(lái)智慧礦山建設(shè)的需要，電氣火災(zāi)巡檢機(jī)器人能夠有效解決傳統(tǒng)人工巡檢的難題，應(yīng)用于復(fù)雜、特殊的井下環(huán)境，能夠?qū)γ旱V井下電氣火災(zāi)智能檢測(cè)和報(bào)警。除此之外，對(duì)于電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)和巡檢機(jī)器人無(wú)法監(jiān)測(cè)報(bào)警的特殊部位和場(chǎng)所，比如易發(fā)熱的母線接頭、小型配電柜等，可以采用特殊的點(diǎn)式傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，采集分析溫度、氣體成分等特征信息。下面將重點(diǎn)介紹智能變電站電氣監(jiān)控系統(tǒng)和電氣火災(zāi)智能巡檢。

2.1 變電站電氣監(jiān)控系統(tǒng)

變電站作為煤礦井下配電側(cè)和用電側(cè)極為重要的樞紐，是整個(gè)煤礦配電系統(tǒng)的核心部位，也是保證井下可靠運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)智慧電網(wǎng)的根本。煤礦井下工況條件特殊，電壓穩(wěn)定性較差、電磁干擾強(qiáng)、電氣線路長(zhǎng)，發(fā)生電氣火災(zāi)概率較大，對(duì)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行要求高，這使得煤礦井下變電站電氣監(jiān)控區(qū)別于普通的監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)電氣設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控，有效預(yù)防煤礦井下電氣火災(zāi)的發(fā)生。早期的井下變電站電氣監(jiān)控系統(tǒng)，主要是通過(guò)手持各類檢測(cè)儀器對(duì)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，再通過(guò)井下電話進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)，這種人工方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不僅影響檢測(cè)人員人身安全，也不利于工作人員及時(shí)進(jìn)行故障維護(hù)；進(jìn)入20 世紀(jì)歐美國(guó)家最早提出變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，后續(xù)國(guó)際電工委頒布了自動(dòng)化變電站的通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)（IEC61850），自此各國(guó)對(duì)礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)的研究發(fā)展迅猛；21 世紀(jì)初，微機(jī)、微電子、儀用變壓器、智能合并單元等關(guān)鍵技術(shù)越發(fā)成熟，讓煤礦井下變電站智能無(wú)人化監(jiān)測(cè)逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，基本可以實(shí)現(xiàn)井下電氣故障監(jiān)測(cè)信息以工業(yè)以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)互通[6-8]。早期變電站電氣監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖1。

圖1 早期變電站電氣監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架圖Fig.1 Framework diagram of early substation electrical monitoring system

2000 年大柳塔煤礦采用3 層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、Control Logix 平臺(tái)技術(shù)，依托礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，通過(guò)在井下變電站開關(guān)柜裝配PM3000、FLEX 等智能元件實(shí)現(xiàn)變電所“三遙”功能，從而實(shí)現(xiàn)煤礦井下全國(guó)首例無(wú)人變電所[9]。2003 年興隆莊煤礦井下變電所采用CAN 總線方式電氣監(jiān)控系統(tǒng)[10]；2005 年錢家營(yíng)礦較早引入KJ118 型礦用變電所遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，采用10 M/100kB 以太網(wǎng)為局域網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸[11]；2006 年鮑店煤礦煤對(duì)礦井下采區(qū)變電所采用CAN 總線的電氣監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)Σ蓞^(qū)變電所進(jìn)行電氣監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)遙測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控遙信、開關(guān)斷路器的遙控和遙調(diào)，有電氣故障定位和報(bào)警功能，也基本實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守[12]。2009 年，陽(yáng)煤三礦采用100 M 工業(yè)以太網(wǎng)變電所遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，有效保障了煤礦井下供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定[13]。此外，還有大量的研究人員研發(fā)出基于ARM、PLC、RS485、CNN 總線和工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的井下變電所電氣監(jiān)控系統(tǒng)，提高了煤礦井下電氣安全性、可靠性[14-17]。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)寬帶技術(shù)、視頻信息處理技術(shù)以及智能化電子設(shè)備的快速發(fā)展，煤礦井下變電站電氣監(jiān)控系統(tǒng)越來(lái)越智能化、無(wú)人化，煤礦智能變電站應(yīng)運(yùn)而生，對(duì)智能變電站的電氣監(jiān)控系統(tǒng)的研究也在飛速進(jìn)步。煤礦井下智能變電站電氣監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖2。

圖2 煤礦井下智能變電站電氣監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架Fig.2 Network framework diagram of electrical monitoring system of underground intelligent substation in coal mine

聶立功等[18]以GIS 數(shù)據(jù)建模、多世界空間關(guān)聯(lián)表達(dá)和面向?qū)ο驡IS 系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)出煤礦井下變電所智能電力監(jiān)控系統(tǒng)，有效定位電氣故障源；林楠[19]搭建了基于PSC 技術(shù)的煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)，具有對(duì)井下變電站的遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)、遙視的“五遙”功能；張紅濤[20]以Petri 網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)了一種煤礦采區(qū)變電所供電系統(tǒng)故障診斷技術(shù)，能夠?qū)码姎夤收蠀^(qū)域和元件精確定位判斷；李亞?wèn)|[21]通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)識(shí)別煤礦變電所的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)出煤礦變電所電氣監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)，可對(duì)變電所運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控并自動(dòng)報(bào)警；駱建營(yíng)等[22]研發(fā)了煤礦井下中央變電所分布式電氣監(jiān)控系統(tǒng)，具有智能化電氣設(shè)備電氣狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警功能，能夠?qū)ο滦性O(shè)備遙感控制、上行數(shù)據(jù)融合轉(zhuǎn)發(fā)，保證系統(tǒng)的應(yīng)用時(shí)效性和數(shù)據(jù)安全性；何偉等[23]基于Lab-VIEW 技術(shù)，設(shè)計(jì)出以光纖通信CAN 轉(zhuǎn)485模塊傳輸?shù)拿旱V井下電力監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)全天候在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控井下變電所、配電點(diǎn)各開關(guān)的故障狀態(tài)并自主報(bào)警；倪少軍等[24]采用電力監(jiān)控環(huán)網(wǎng)和CAN 總線環(huán)網(wǎng)的2 級(jí)環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)，提出針對(duì)井下變電所的智能分布式防越級(jí)保護(hù)系統(tǒng)；方崇全[25]開發(fā)出了監(jiān)控分站冗余的井下供電電氣監(jiān)控系統(tǒng)，能提高井下變電站監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性；2019 年5 月，賽蒙特爾煤礦成功完成KJ90X 電氣安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)驗(yàn)收[26]，提升了煤礦井下變電站安全預(yù)測(cè)預(yù)警能力。

對(duì)于煤礦井下智能變電站電氣監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用較為廣泛和豐富，系統(tǒng)通常是采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)進(jìn)行總線傳輸，但仍存在數(shù)據(jù)傳輸效率低、信息孤立、可維修性不強(qiáng)、無(wú)法統(tǒng)一接入、可靠性不穩(wěn)、通信時(shí)效性差等問(wèn)題，對(duì)智能變電站需求的自動(dòng)化、無(wú)人化、智能化還有差距。

2.2 電氣智能火災(zāi)巡檢

煤礦井下用電環(huán)境較差，高濕度、高溫度、復(fù)雜氣體環(huán)境等嚴(yán)重威脅著電氣設(shè)備的可靠運(yùn)行；此外，井下變電所等場(chǎng)景屬于典型串聯(lián)特征，單一故障點(diǎn)將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)煤礦生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響。然而當(dāng)前對(duì)絕大多數(shù)煤礦井下變電所、配電點(diǎn)以及電纜進(jìn)行巡檢仍然采用的是人工方式，人工巡檢工作時(shí)效性差、安全隱患高，且不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析。煤礦井下機(jī)器人，作為未來(lái)建設(shè)智慧礦山的重要支撐保障設(shè)備，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)、日常檢修以及應(yīng)急救援發(fā)揮著重要的作用[27]。煤礦井下電氣火災(zāi)巡檢機(jī)器人，屬于安控類機(jī)器人，能有效解決傳統(tǒng)人工定時(shí)巡檢的難題，應(yīng)用于復(fù)雜、惡劣的工作環(huán)境。這類巡檢機(jī)器人通常具有自主行走、導(dǎo)航定位、人機(jī)交互、圖像識(shí)別以及火災(zāi)報(bào)警等功能。

美國(guó)TCR 公司在1989 年較早的研發(fā)出了一款應(yīng)用于高壓輸電線路的巡檢機(jī)器人，能夠按照設(shè)計(jì)的線路對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡檢[28]；日本本田公司基于視覺(jué)識(shí)別設(shè)計(jì)出一款變電站電氣火災(zāi)巡檢機(jī)器人，通過(guò)3D 視覺(jué)識(shí)別地圖影像對(duì)機(jī)器人導(dǎo)航定位[29-30]；A Birk等[31]設(shè)計(jì)出搭載紅外攝像頭的固定軌道巡檢機(jī)器人，并在變電站現(xiàn)場(chǎng)得到成功測(cè)試；2001 年，山東電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)研發(fā)了我國(guó)第1 臺(tái)應(yīng)用到變電站的巡檢機(jī)器人，集合了多傳感器、定位導(dǎo)航等技術(shù)，并裝載紅外熱成像探頭，對(duì)變電所用電設(shè)備進(jìn)行全天候巡檢[32]；在2010 年，重慶電力設(shè)計(jì)院成功研制出了第二代變電站巡檢機(jī)器人，其巡檢功能有了較大的提升[33-34]；之后，我國(guó)的科技公司針對(duì)巡檢機(jī)器人展開了大量的研究，如中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所以及浙江國(guó)自機(jī)器人技術(shù)有限公司等[35]。

對(duì)于煤礦井下工作面電氣火災(zāi)的巡檢，我國(guó)已經(jīng)有一些煤礦使用了巡檢機(jī)器人。黃陵一號(hào)煤礦的綜采工作面采用集紅外熱像儀和高清攝像儀的巡檢機(jī)器人；神南檸條塔煤礦在工作面的帶式輸送機(jī)沿線設(shè)置有巡檢機(jī)器人，能夠采集現(xiàn)場(chǎng)的溫度、聲音、圖像等，并分析上傳數(shù)據(jù)[36]；大柳塔煤礦從2005 年開始，已經(jīng)在井下變電所成功使用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能無(wú)人巡檢，使用的巡檢機(jī)器人種類較多，有礦用軌道巡檢機(jī)器人、礦用輪式巡檢機(jī)器人和鋼絲牽引繩牽引軌道式巡檢機(jī)器人[37]；李新等[38]基于虛幻引擎UE4 研發(fā)出煤礦井下變電所巡檢機(jī)器人的孿生系統(tǒng)，其能夠?qū)崿F(xiàn)定時(shí)、定點(diǎn)巡檢以及故障報(bào)警等功能；裴文良等[39]研制了一款集數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控和故障報(bào)警功能的礦用巡檢機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井下變電站、水泵房等設(shè)備的智能巡檢，高效代替了傳統(tǒng)人工巡檢；毛浩等[40]設(shè)計(jì)了一款具備智能巡檢煤礦井下變電所的機(jī)器人，能夠采集變電所工作狀態(tài)信息以及電氣火災(zāi)預(yù)警，當(dāng)巡檢機(jī)器人收到異常信號(hào)時(shí)，進(jìn)行多傳感器信息融合，并發(fā)出警報(bào)火災(zāi)預(yù)警，并根據(jù)二維碼視覺(jué)定位導(dǎo)航，自主到達(dá)故障點(diǎn)采集故障信息，拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片，數(shù)據(jù)上傳實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，該巡檢機(jī)器人經(jīng)過(guò)在張家峁煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用示范，發(fā)現(xiàn)巡檢效率和電氣故障準(zhǔn)確報(bào)警率都提高50%以上。

目前，對(duì)于煤礦井下電氣智能火災(zāi)巡檢，通常都是采用輪式、履帶式以及軌道式巡檢機(jī)器人，基本能夠適應(yīng)井下復(fù)雜工作環(huán)境。雖然巡檢機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)行了大量研發(fā)與小規(guī)模應(yīng)用，但從整體來(lái)看，大部分研究應(yīng)用仍處在起步探索階段，巡檢機(jī)器人行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和軟硬件的開發(fā)未同步進(jìn)行，距離全礦井電氣故障智能無(wú)人巡檢還有不小差距。

3 煤礦井下電氣火災(zāi)滅火技術(shù)

煤礦井下的變電所及各配電點(diǎn)的電氣設(shè)備較多，電纜線路較長(zhǎng)，為保證煤礦各類系統(tǒng)正常運(yùn)行，用電設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間全天候不停運(yùn)轉(zhuǎn)，容易因?yàn)樵O(shè)備故障原因引起接觸電阻過(guò)大和短路過(guò)熱引發(fā)火災(zāi)。對(duì)于井下電氣火災(zāi)滅火技術(shù)的選擇，原則是不能對(duì)用電設(shè)備及線路造成二次損傷，重點(diǎn)關(guān)注滅火場(chǎng)景、滅火效果及系統(tǒng)安全性等幾個(gè)方面。當(dāng)前對(duì)于井下電氣火災(zāi)滅火技術(shù)有氣體滅火系統(tǒng)和細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，除此之外，對(duì)于煤礦井下封閉空間、受限空間以及電氣設(shè)備內(nèi)部等地方，可以采用微膠囊滅火技術(shù)。

3.1 氣體滅火系統(tǒng)

對(duì)于復(fù)雜的煤礦井下環(huán)境和電氣火災(zāi)特點(diǎn)，氣體滅火系統(tǒng)是撲滅電氣火災(zāi)的首選。該系統(tǒng)是采用高效潔凈的氣體滅火劑進(jìn)行滅火，滅火劑常以液相、氣相或者氣液共存相態(tài)的形式儲(chǔ)存在壓力容器中，根據(jù)滅火劑的不同，能夠應(yīng)用到煤礦井下電氣火災(zāi)的氣體滅火系統(tǒng)有：七氟丙烷滅火系統(tǒng)、IG-541 滅火系統(tǒng)、二氧化碳滅火系統(tǒng)、氣溶膠滅火系統(tǒng)等，通過(guò)對(duì)4 種滅火劑性能分析發(fā)現(xiàn)，每種氣體滅火系統(tǒng)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用條件和范圍也不僅相同。4種氣體滅火劑性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 4 種氣體滅火劑性能對(duì)比Table 1 Performance comparison of four gas fire extinguishing agents

七氟丙烷滅火系統(tǒng)采用的是七氟丙烷滅火劑，屬于含碳、氟和氫的化合物，具有低毒、不導(dǎo)電、熱穩(wěn)定等特點(diǎn)；系統(tǒng)利用滅火熱分解產(chǎn)生的氟自由基切斷燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，并伴隨著物理滅火作用，電氣火災(zāi)滅火設(shè)計(jì)濃度低、滅火效率高，滅火過(guò)程不會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成損傷。張晉等[41]通過(guò)全尺寸封閉空間電氣火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)常溫、低溫狀態(tài)下的七氟丙烷滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火效能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)七氟丙烷滅火系統(tǒng)能夠?qū)﹄姎饣馂?zāi)進(jìn)行全淹沒(méi)滅火，滅火效果顯著；倪震楚[42]通過(guò)對(duì)外儲(chǔ)壓七氟丙烷滅火系統(tǒng)的系統(tǒng)選型、參數(shù)設(shè)計(jì)及滅火實(shí)驗(yàn)，成功將該系統(tǒng)應(yīng)用到數(shù)據(jù)機(jī)房中；Yong-Taek H[43]將七氟丙烷滅火系統(tǒng)應(yīng)用到封閉空間電氣火災(zāi)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的窒息、降溫效果較為理想，且滅火殘留物不會(huì)對(duì)電氣設(shè)備本身造成二次傷害。

IG-541 氣體滅火系統(tǒng)采用的是52%N2、40%Ar、8%CO2構(gòu)成的混合滅火劑，無(wú)腐蝕性、釋放無(wú)殘留、電絕緣性好，大氣存留時(shí)間段；IG-541 氣體滅火系統(tǒng)主要是利用物理滅火作用，通過(guò)將防護(hù)區(qū)內(nèi)的氧濃度降低到15%以下中斷燃燒或緩慢熄滅；因此，對(duì)于煤礦井下不需要人員值守的用電場(chǎng)所或用電設(shè)備內(nèi)容設(shè)備可以采用IG-541 氣體滅火系統(tǒng)。劉松濤等[44]通過(guò)對(duì)某改造機(jī)房電氣火災(zāi)FDS 數(shù)值模擬，分析火災(zāi)熱釋放速率、溫度、氣體濃度等參數(shù)，表明IG-541 氣體滅火系統(tǒng)對(duì)通信數(shù)據(jù)機(jī)房的滅火性能較好；李晶晶[45]結(jié)合工程實(shí)際分析大型數(shù)據(jù)中心的消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)輸送距離、系統(tǒng)計(jì)算、滅火效果、環(huán)境影響以及泄壓閥安裝等幾個(gè)因素對(duì)比，IG-541 系統(tǒng)的適應(yīng)性、安全性和可靠性均優(yōu)于其他氣體滅火系統(tǒng)；周黎[46]綜合分析對(duì)比七氟丙烷滅火系統(tǒng)、IG-541 滅火系統(tǒng)以及新型高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在安全性、環(huán)保性、可維保性等方面，確定IG-541滅火系統(tǒng)最適合地下空間的電氣火災(zāi)防治，并給出管網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

二氧化碳作為一種常用的氣體滅火劑，常溫常壓下為氣態(tài)，在煤礦井下容器中的二氧化碳是以氣液兩種相態(tài)共存；二氧化碳滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火時(shí)，由于壓力的急劇降低，二氧化碳吸熱熱量迅速氣化轉(zhuǎn)為氣相快速分散，降低火場(chǎng)溫度并降低氧氣體積分?jǐn)?shù)；當(dāng)煤礦井下變電所的油浸變壓器發(fā)生故障時(shí)，會(huì)發(fā)生電弧閃絡(luò)，易點(diǎn)燃變壓器油發(fā)生火災(zāi)，采用二氧化碳滅火系統(tǒng)能有效撲滅火災(zāi)。張晉等[47]通過(guò)火災(zāi)相似模擬實(shí)驗(yàn)研究二氧化碳滅火系統(tǒng)對(duì)電氣火災(zāi)的滅火能力，發(fā)現(xiàn)二氧化碳滅火系統(tǒng)能夠?qū)^小受限空間內(nèi)進(jìn)行全淹沒(méi)滅火，滅火效能較好；黃文強(qiáng)等[48]對(duì)110 kV 主變壓器室進(jìn)行二氧化碳滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)，表明二氧化碳滅火系統(tǒng)穩(wěn)定性高、維修方便且滅火效能好，能夠適用于變壓器電氣火災(zāi)。

氣溶膠滅火系統(tǒng)采用新型氣溶膠滅火劑，分為K 型和S 型，能夠在高溫條件下發(fā)生分解反應(yīng)產(chǎn)生分散性溶膠，依靠化學(xué)抑制和冷卻降溫作用，覆蓋物體表面隔絕氧氣高效滅[49]；這種超細(xì)粉體滅火系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于地下綜合管廊、電池艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙等火災(zāi)場(chǎng)景[50-52]。田珍等[53]在變電站電纜夾層的電氣火災(zāi)防治中采用氣溶膠滅火系統(tǒng)，并通過(guò)工程實(shí)例提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，表明氣溶膠滅火系統(tǒng)造價(jià)低、滅火性能高又環(huán)保，在智能變電站電纜夾層火災(zāi)撲救中有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，GB 50370—2005 氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范中，專門強(qiáng)調(diào)K 型滅火劑自身存在腐蝕性，明確了K 型滅火劑的使用條件，只能用于電纜隧道（夾層、井）及自備發(fā)電機(jī)房的電氣火災(zāi)；對(duì)于S型滅火劑，其滅火裝置的規(guī)模不得超過(guò)10 kg，因而氣溶膠滅火系統(tǒng)的使用只能是較小空間。

總體來(lái)看，煤礦井下電氣火災(zāi)氣體滅火系統(tǒng)中，IG-541 和二氧化碳滅火系統(tǒng)的滅火效能總體較好，但存在窒息性，對(duì)人身安全構(gòu)成威脅；低毒性的溫室氣體七氟丙烷滅火劑也將在2024 年開始限制使用；氣溶膠滅火系統(tǒng)滅火時(shí)會(huì)減小保護(hù)空間能見(jiàn)度，減低人員逃生速度，適用范圍較小。因此需要根據(jù)煤礦井下實(shí)際工礦環(huán)境，結(jié)合各系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)，科學(xué)合理選擇氣體滅火系統(tǒng)。

3.2 細(xì)水霧滅火系統(tǒng)

“細(xì)水霧”是相對(duì)于“水噴霧”而言，霧滴直徑小于300 μm 的小水滴。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)通過(guò)汽化吸熱降溫、稀釋氧化劑、阻隔熱輻射等作用進(jìn)行滅火，具有滅火高效性、環(huán)保性及低成本的特點(diǎn)，同時(shí)直徑小、不連續(xù)的細(xì)水霧具有良好的電絕緣性和滯空性，對(duì)煤礦井下的電氣火災(zāi)效果較好[54]。鄧東等[55]研發(fā)了一種固定式高壓?jiǎn)蜗嗔骷?xì)水霧滅火系統(tǒng)，通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)電絕緣性高、滯空性好，對(duì)電氣火災(zāi)能夠進(jìn)行全淹沒(méi)滅火，火災(zāi)復(fù)燃性較??；陳強(qiáng)等[56]以一典型戶內(nèi)110 kV 變電站為研究對(duì)象，詳細(xì)介紹了細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及相關(guān)原則，并將系統(tǒng)與其他監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，有效提升了變電站的防火能力；高曉華等[57]對(duì)某220 kV 全地下變電站主變壓器及電抗器的本體和散熱器均采用水噴霧滅火系統(tǒng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)比水噴霧系統(tǒng)在各方面都存在優(yōu)越性，能夠解決煤礦井下水源不足、消防水泵高沖擊力和井下變電站消防排水等問(wèn)題；伍思繁等[58]利用FDS 仿真軟件研究細(xì)水霧對(duì)封閉空間變電站內(nèi)柴油池火、噴霧火及兩者的組合火災(zāi)的滅火過(guò)程，發(fā)現(xiàn)對(duì)于封閉環(huán)境下使用粒徑為200 μm 及以下的細(xì)水霧，能快速滅火、防止火災(zāi)蔓延。可以發(fā)現(xiàn)，雖然細(xì)水霧存在電絕緣性，可以撲滅電氣火災(zāi)，但細(xì)水霧滅火系統(tǒng)自身管網(wǎng)壓力需求較高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，在煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中應(yīng)用較少，因此對(duì)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)用于煤礦井下電氣火災(zāi)防治的可行性、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及滅火效能等方面還需要展開大量的研究。

3.3 新型微膠囊滅火技術(shù)

微膠囊技術(shù)開始于20 世紀(jì)中期，并隨著高分子聚合技術(shù)問(wèn)世得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用[59]。微膠囊是通過(guò)一定的物理或化學(xué)方法用高分子材料將敏感或易揮發(fā)的小液滴、固體小顆粒包覆形成的微小囊狀物，包覆在膠囊內(nèi)部的固體或液體物質(zhì)稱作芯材或核層，由高分子材料形成的包覆膜稱作壁材（或膜、殼、囊壁、包膜等）[60-61]。目前，微膠囊滅火技術(shù)已在消防領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用，主要是對(duì)利用微膠囊技術(shù)對(duì)滅火劑進(jìn)行改性。微膠囊的主要功能有改變芯材的物理性質(zhì)、提高芯材的穩(wěn)定性、控制芯材的釋放、隔離組分、隔絕氣味以及降低芯材的毒副作用等，具備高效率、精準(zhǔn)定向、智能調(diào)控等優(yōu)異的控釋特點(diǎn)[62]。Lee 等[63]通過(guò)對(duì)配電間及電氣柜等小空間電氣火災(zāi)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)采用微膠囊滅火劑能夠在4.48 s 的時(shí)間撲滅電氣火災(zāi)，微膠囊滅火劑在電氣火災(zāi)中的適應(yīng)性較強(qiáng)，滅火效率高；Zhang W 等[64]以三聚氰胺-脲醛樹脂為殼材，全氟（2-甲基-3-戊酮）和七氟環(huán)戊二烯為芯材，制備了一種新型核殼結(jié)構(gòu)的微膠囊滅火劑；Yim T 等[65]制備出含有滅火劑的溫度響應(yīng)微膠囊；Vilesov A D 等[66]通過(guò)添加蒙脫土的納米顆粒，制備出含Novec-1230 的微膠囊，進(jìn)行電氣火災(zāi)滅火測(cè)試，證明該微膠囊對(duì)電氣火災(zāi)的高效滅火效果; Lee 等[67]研發(fā)出一種含Novec-1230 滅火劑的微膠囊，并制成滅火貼，并應(yīng)用到狹小封閉空間，能夠有效抑制火災(zāi)的蔓延。微膠囊滅火技術(shù)作為一種新型火災(zāi)防治手段，在防治煤自燃方面已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用，對(duì)應(yīng)用到煤礦井下電氣火災(zāi)研究還處在起步階段，需要對(duì)微膠囊的制備工藝和系統(tǒng)滅火效能展開大量研究，并建立統(tǒng)一的國(guó)際及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為煤礦井下電氣設(shè)備內(nèi)部、封閉空間、受限空間等進(jìn)行有針對(duì)性防滅火提供新的思路。

4 結(jié) 語(yǔ)

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者就煤礦井下電氣火災(zāi)智能監(jiān)控與滅火技術(shù)進(jìn)行了大量的研究和探索，取得了豐碩的研究成果，但仍需要進(jìn)一步發(fā)展完善，未來(lái)可以從以下3 個(gè)方向進(jìn)行探索。

1）井下變電站智能監(jiān)控巡檢體系。依托智慧礦井建設(shè)背景，以人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G 等技術(shù)為創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，結(jié)合煤礦井下點(diǎn)與面的電氣火災(zāi)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，加大無(wú)線智能巡檢機(jī)器人研發(fā)，擴(kuò)展巡檢機(jī)器人多樣化功能，實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)系統(tǒng)共融，達(dá)到智能監(jiān)控巡檢的導(dǎo)航簡(jiǎn)易化、數(shù)據(jù)多維化、監(jiān)測(cè)多樣化和操作自動(dòng)無(wú)人化目標(biāo)。

2）多系統(tǒng)融合的電氣火災(zāi)滅火技術(shù)。由于電氣火災(zāi)隱蔽性強(qiáng)、隨機(jī)性大，在研究井下微膠囊滅火技術(shù)的基礎(chǔ)上，需要結(jié)合傳統(tǒng)滅火技術(shù)各自的特點(diǎn)，開發(fā)多系統(tǒng)融合的電氣火災(zāi)滅火技術(shù)，對(duì)井下變電站、配電點(diǎn)、用電設(shè)備及電纜等電氣火災(zāi)進(jìn)行多維度、全方位控制。

3）綜合智能監(jiān)控與自動(dòng)滅火系統(tǒng)。煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，電氣火災(zāi)易引發(fā)二次事故，傳統(tǒng)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控和自動(dòng)滅火，需根據(jù)煤礦電氣火災(zāi)特點(diǎn)，研發(fā)實(shí)時(shí)綜合智能火災(zāi)監(jiān)控與自動(dòng)滅火系統(tǒng)，將井下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至地面，在地面可以實(shí)時(shí)穩(wěn)定監(jiān)控和下達(dá)控制指令，提升煤礦井下電氣系統(tǒng)的安全性。