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國內(nèi)外煤礦金屬材料摩擦火花安全性試驗研究及技術(shù)發(fā)展

文檔作者：巨廣剛文檔來源：中煤科工集團重慶研究院有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年10月18日
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Vo1．41 No．4
Aug．2014
礦業(yè)安全與環(huán)保
MINING SAFETY &amp;amp; ENVIRONMENTAL PROTECTION
第41卷第4期
2014年8月
巨廣剛．國內(nèi)外煤礦金屬材料摩擦火花安全性試驗研究及技術(shù)發(fā)展[J]．礦業(yè)安全與環(huán)保，2014，41(4)：114—117
文章編號：1008—4495(2014)04—0114—04
國內(nèi)夕卜煤礦金屬材料摩擦火花安全性試驗研究及技術(shù)發(fā)展
巨廣剛
(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037)
摘要：概述了國內(nèi)外煤礦金屬材料摩擦火花安全性試驗研究及其發(fā)展過程，介紹了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定
和要求，總結(jié)了近年來最新的試驗研究成果，最后，展望了該項技術(shù)的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：煤礦；防爆設(shè)備；金屬材料；摩擦火花；安全性
中圖分類號：TD684；TD687 文獻標(biāo)志碼：C 網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014—07—25 09：34
網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／50．1062．TD．20140725．0934．032．html
Experim ental Research and Technical Development of Coal M ine M etal
Friction Spark Security at Home and Abroad
JU Guanggang
(China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400037，Ch ina )
Abstract：This paper generally discussed the experimental research and development process of coal mine metal material
friction spark security both at home and abroad，described the specifications and requirements in relevant standards，summarized
the latest tests and research results in recent years，and finally looked forward the prospects of the development direction of this
technology．
Key words：coal mine；explosion-proof equipment；metal material；friction spark；security
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和煤礦機械化程度的
不斷提高，普通鋼材、鑄鋼、鑄鐵、輕合金等金屬材料
廣泛應(yīng)用在煤礦井下的儀器儀表和設(shè)備的外殼及部
件的設(shè)計制造中。實際工作中，電氣設(shè)備、金屬材料
和工具受撞擊摩擦產(chǎn)生火花的可能性比電火花大得
多，如抽出式風(fēng)機運轉(zhuǎn)時，高速氣流會將石子、螺釘、
鐵塊等雜物吸人，高速沖擊葉片，產(chǎn)生摩擦火花；采
掘工作面爆破作業(yè)或冒頂可能使金屬雜物、黃鐵礦
結(jié)核等高速撞擊金屬支柱或設(shè)備，形成高速沖擊火
花，特別是連續(xù)碰撞的二次火花，其強度足以引燃引
爆瓦斯煤塵。因此，世界上許多國家十分重視機械
摩擦火花安全性問題，對輕合金材料進行了大量的
試驗研究。
1 發(fā)展概述
英國、前西德、前蘇聯(lián)、日本、波蘭、捷克、中國等
收稿日期：2013—09—30；2014—06—16修訂
作者簡介：巨廣剛(1970一)，男，陜西興平人，高級工程
師，現(xiàn)主要從事煤礦通風(fēng)除降塵技術(shù)研究、檢測等方面的工
作。Tel：023—65239242，E—mail：mkyjgg@163．SOB。
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對應(yīng)用在煤礦井下風(fēng)機葉輪、活節(jié)頂梁、金屬摩擦支
柱墊塊、攜帶式電鉆、儀器儀表、電氣設(shè)備外殼等的
輕合金材料的安全問題較早就進行了研究，探索其
應(yīng)用前景。
1937—1961年，英國共發(fā)生1 018次井下瓦斯
爆炸事故，其中209次是由于機械摩擦火花引起的，
1954-1955年從瓦斯礦井采掘工作面撤出了近1萬
臺輕合金制成的煤電鉆、支架頂梁。英國礦山安全
研究院和衛(wèi)生安全執(zhí)委會下屬的安全實驗室對輕合
金應(yīng)用危險性做了大量試驗，首先提出了輕合金與
銹鋼摩擦“鋁熱反應(yīng)”理論，另外，輕合金中鈦元素與
硬的物體撞擊或摩擦易產(chǎn)生高溫碎屑，容易引燃瓦
斯，輕合金中含鈦量和碰撞能量提高，點燃甲烷的可
能性明顯提高。并規(guī)定：除為數(shù)不多而又必須使用
的輕合金制成的救護儀器儀表和科研用的儀器外，
瓦斯礦井采掘工作面均不得繼續(xù)使用輕合金制造的
新設(shè)備。禁止在具有瓦斯危險的采掘工作面300 In
以內(nèi)使用輕合金制造的設(shè)備。
前西德對輕合金含鎂量、硬度與著火率關(guān)系以
及添加少量元素抑制引燃火花等進行了大量試驗。
奧托一?？怂箙f(xié)會的輕合金研究所曾獲得一項專
第41卷第4期
2014年8月
礦業(yè)安全與環(huán)保
MINING SAFETY&amp;amp; ENVIR0NMENTAL PROTECTION
Vo1．41 No．4
Aug．2014
利，提出含鈹量0．001％ ～0．05％ 、含銅量2．0％ ～
5．5％ 、含鎂量0．4％ ～1．8％ 、含鈦量2％ ～7％ 的輕
合金安全性較好，以此規(guī)定輕合金含量，來改進支架
頂梁設(shè)計。
1960-1989年，日本通產(chǎn)省的公害資源研究所
九州中心對輕合金應(yīng)用、摩擦火花引燃甲烷機理，金
屬、巖石、輕合金、鈹銅合金、涂層氧化膜摩擦火花安
全性進行了研究。對常用的硅鋁明合金、鑄造鋁合
金、鋁合金板和鍛造鋁合金進行大量試驗得出：硅鋁
明合金受到很低能量沖擊或摩擦，也能引燃可燃性
氣體，建議井下應(yīng)盡量避免使用；輕合金化學(xué)成分和
機械物理性能與著火率密切相關(guān)，合金與銹鋼摩擦
火花引燃瓦斯的危險性最大；在硅鋁明合金中添加
少量金屬元素對引燃瓦斯的火花抑制效果不明顯。
前蘇聯(lián)防爆和礦用電氣設(shè)備科學(xué)研究院、馬克
耶夫卡采礦工業(yè)勞動安全科學(xué)研究院、石油工業(yè)部
安全技術(shù)科學(xué)研究所等對摩擦理論基礎(chǔ)、摩擦火花
產(chǎn)生機理、輕合金應(yīng)用安全性等研究表明：沖擊能量
為400～500 J時，摩擦火花點燃瓦斯幾率為10％ ～
50％ ，無論輕合金化學(xué)成分、制造工藝如何改變，都
具有點燃瓦斯的能力，只是程度不同而已；再生鋁合
金摩擦火花安全性明顯低于原煉合金，建議使用鎂
含量不超過0．5％ 的原煉鋁合金制造煤礦設(shè)備零
部件 。
20世紀(jì)90年代，波蘭采礦研究總院的巴巴爾拉
研究所研究輕合金與銹鋼摩擦和輕合金表面涂層措
施，硅鋁明合金(AK一9)自由落錘試驗結(jié)果表明：不
僅在25。～60。沖擊角度能點燃甲烷，沖擊角小至
10。～20。時也能點燃甲烷；輕合金與銹鋼板沖擊時，
鐵銹濕潤程度對著火率影響不大。證實了輕合金與
銹鋼板撞擊“高熱劑機理”假說：輕合金涂抹層分子
及其周圍的鐵銹分子所形成的高熱劑混合物著火
燃燒。
捷克和匈牙利合作進行的輕合金單體液壓支柱
14種表面防護層試驗結(jié)果表明：① 鎳和銅含量高可
防止產(chǎn)生可燃性火花。②10 LLm的60％的K20(硬
金屬NiCWBSi合金)和40％的CuSnlO(青銅合金)
粉末混合效果最佳。③ 支柱表面150 m厚防護層
磨損量較小。
我國煤礦井下，輕合金應(yīng)用較早，隨著煤礦機械
化的發(fā)展，輕合金材料井下應(yīng)用得到了快速發(fā)展。
但因摩擦火花引起的重大傷亡事故時有發(fā)生，教訓(xùn)
慘痛。如1987年9月28日徐州礦務(wù)局某礦掘進工
作面鋼絲繩與扒斗機摩擦造成瓦斯爆炸，死亡
26人；1988年2月6日鶴崗礦務(wù)局某礦電動機風(fēng)葉
撞擊機殼發(fā)生瓦斯爆炸，造成5人死亡、9人受傷；
1988年11月26日雞西礦務(wù)局某礦用絞車拖電動機
時，機殼與軌道摩擦產(chǎn)生火花引爆瓦斯，造成45人
死亡、23人受傷；1993年1月23日淮南某礦礦車之
間撞擊發(fā)生瓦斯爆炸，死亡39人 ；1994年遼源礦
務(wù)局某煤礦超載礦車跑車，機械與機械、巖石撞擊產(chǎn)
生火花引起煤塵爆炸，造成79人死亡、129人受傷。
北京有色金屬加工廠、北京大學(xué)化學(xué)系與原煤
科總院唐山分院為水力局部通風(fēng)機共同研制鑄造鋁
合金，制造了以Al—zn—cu為主添加微量元素非發(fā)
火性鑄造鋁合金，高速沖擊試驗著火率由30％降至
10％ ，比ZL104鑄造鋁合金的安全性要好。
1985年，東北鋁合金廠、西北鋁合金廠研制出
157高強度鋁合金材料，質(zhì)量輕(鋼鐵的1／3)、強度
高(鋼鐵的2．8倍)、耐腐蝕、無冷脆性。其強度、比
強度和耐磨壽命，達到了20 、30 優(yōu)質(zhì)碳素鋼水平，
適用于制造礦山單體液壓支柱、罐籠、箕斗、人車、運
輸車等，但摩擦火花著火率較高，離一次不著火的要
求尚有一定距離。
1986-1987年，原煤科總院重慶研究院承擔(dān)
“輕合金在礦井中應(yīng)用”攻關(guān)項目，在參考前蘇聯(lián)、日
本、英國、德國、美國等摩擦火花研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計
了高速沖擊、自由落錘沖擊和旋轉(zhuǎn)摩擦3個試驗裝
置，可模擬和再現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境用金屬材料摩擦
火花產(chǎn)生過程，評價火花安全性，進行了大量試驗研
究，先后制定了3種暫行規(guī)定(煤礦用抽出式局部通
風(fēng)機，煤礦用輕合金液壓支柱，煤礦用輕合金罐籠、
箕斗、人車)?！鞍宋濉逼趩?，進行了“鋁合金中含鎂
量與著火率的關(guān)系”“外殼用摩擦火花安全型鑄造鋁
合金材料”“LC15鋁合金提升容器摩擦火花安全性”
等部屬重點項目研究，并制定了GB 13813《煤礦用
金屬材料摩擦火花安全l生試驗方法和判定規(guī)則》，而
且在2000年、2008年進行了2次修訂。
我國大量試驗表明：鋁合金、Q235鋼與H62黃
銅配對材料旋轉(zhuǎn)摩擦試驗偶爾也出現(xiàn)火花，但具有
一定安全性；鋁合金配對材料旋轉(zhuǎn)摩擦試驗相對較
安全，鋁合金材料與Q235銹鋼、Q235銹鋼與Q235
銹鋼配對旋轉(zhuǎn)摩擦試驗不安全。鋁合金與Q235銹
鋼配對材料高速沖擊摩擦試驗，多次出現(xiàn)束狀火花
并引燃試驗氣體，摩擦火花危險性極大。
自行研制的FHZL503A外殼用鑄造鋁合金化學(xué)
組成(質(zhì)量分數(shù))：1．0％ ～2．5％ Zn、3．O％ 一
5．5％ Cu、0．1％ ～0．3％ Cr、0．1％ ～0．2％ Ti、
0．02％ 一0．05％ Be、0．01％ 一0．03％ Sr、0．3％ 一
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礦業(yè)安全與環(huán)保
MINING SAFETY ＆ ENVIR0NMENTAL PROTECTION
第41卷第4期
2014年8月
0．8％ Mn、2．5％ ～4．5％ Rx，雜質(zhì)含量1．5％Si、
0．5％ Mg、0．5％ Fe。機械物理性能：抗拉強度6b≥
180 MPa，延伸率6≥3．O％ ，硬度HB≥50，試驗證明
摩擦火花安全性較好 。
ZL101 A表面CBPA1一Si—Mo一1復(fù)合合金涂層，
ZLD105金屬防爆涂層，ZL201、YL102、ADC31層
0．1 mm厚的熱噴鍍鋅層和2層鋅硅酸鹽涂料，
A356、A380涂環(huán)氧一聚脂型粉末(LB201)材料自由
落錘試驗結(jié)果表明，金屬材料表面涂層技術(shù)已得到
突破和應(yīng)用。
單體液壓支柱的高強度變形鋁(157鋁合金)采
取硬質(zhì)陽極氧化處理和噴涂EMH一1膠性有機涂層
(二硫化鉬+尼龍+環(huán)氧樹脂涂層)，與45 鋼自由落
錘試驗火花達到了標(biāo)準(zhǔn)要求 J，可有效解決單體液
壓支柱和非旋轉(zhuǎn)摩擦設(shè)備的火花問題，若保護層受
到較大沖擊，局部遭到破壞時，應(yīng)及時進行修復(fù)。
2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定
1965年，英國煤炭局制定了NCB 461《允許在井
下使用的含輕金屬的合金》(1970年、1978年進行
2次修訂)，規(guī)定“按質(zhì)量百分比，含有鋁、鎂、鈦的輕
合金材料，其3種成分的總含量不允許大于15％ ，并
且鈦和鎂總含量不允許大于6％ ”(質(zhì)量計) 。歐
共體DINEN 50014規(guī)定大致相同。
前蘇聯(lián)FoCT 22782．O《防爆電氣設(shè)備通用要求
試驗方法》規(guī)定采用輕合金材料制造I類電氣設(shè)備
外殼時，應(yīng)采取措施來防止摩擦火花點燃的危險
性。如果輕合金加保護涂層能防止其摩擦火花的點
燃危險，則允許用有保護涂層的輕合金制造外殼。
Ⅱ類電氣設(shè)備允許采用含鎂量不大于6％ 的鋁合
金，這時可不做摩擦火花安全性試驗。附錄5“材料
摩擦火花試驗方法”規(guī)定了輕合金制造的電氣設(shè)備
和裝配部件摩擦火花安全性試驗方法 J。
日本依據(jù)JISM 7002((防爆用鈹合金工具類的非
燃性試驗方法》檢驗輕合金產(chǎn)品摩擦火花安全性，出
具檢驗報告，由用戶(煤礦、生產(chǎn)企業(yè))決定是否
使用。
歐洲標(biāo)準(zhǔn)PREN 1701：2003(D)草案的5．3．1．8
規(guī)定：為了將葉輪和外殼之問產(chǎn)生爆炸火花的風(fēng)險
降到最小，所有風(fēng)機都安裝上固定保護環(huán)，保護環(huán)使
用摩擦火花最小材料，在葉輪與外殼固定件或者集
流器之問，根據(jù)設(shè)計要求留有最小的間隙。風(fēng)機入
口必須有防護罩，防止固體雜物侵入，最小為IP2X。
4種材質(zhì)的保護環(huán)危險性分析見表1。
· 11 6 ．
表1 4種材質(zhì)的危險性分析
葉輪葉片材料
火花護環(huán) 黃銅 合金鋼
ENAtM-3000 ENA1344200
CuZn39 X5C fi189
ENAB43000 (1)
ENAB44200 (1)
黃銅CuZn39 (1)
合金鋼X5CrNi189 (3)
37號鋼 (3)
注：(1)表示火花引爆危險性較低，徑向間隙不小于1 ITlm或葉
輪直徑0．1％ ，兩者選較大值。(2)表示火花引爆危險性較低，但徑
向間隙不小于1．5 mm。以上2種組合材料都適用，保護環(huán)厚度最小
應(yīng)達到3 mill。(3)表示火花引爆危險性較高，徑向間隙范圍最小為
葉輪直徑的1／250，最小應(yīng)達到5 mill。
目前，我國GB 3836．1 01O《爆炸性環(huán)境第1
部分：設(shè)備通用要求》標(biāo)準(zhǔn)8．1．1“I類電氣設(shè)備”
規(guī)定，制造I類EPL Ma級或Mb級電氣設(shè)備外殼材
料，按質(zhì)量百分比的總含量不應(yīng)超過：a)15％ 的鋁、
鎂、鈦和鋯；b)7．5％ 的鎂、鈦和鋯；上述要求不適用
于I類攜帶式測量設(shè)備，但設(shè)備應(yīng)按29．2項e條的
要求標(biāo)志符號“x”，并在特殊使用條件中指明貯存、
運輸和使用過程中特別注意事項。I類手持式或支
架式電鉆(及其附帶的插接裝置)、攜帶式儀器儀表、
燈具的外殼，可采用抗拉強度不低于120 MPa，且按
GB／T 13813-2008規(guī)定的摩擦火花試驗方法考核
合格的輕合金制成 。
GB／T 13813-2008(煤礦用金屬材料摩擦火花
安全性試驗方法和判定規(guī)則》規(guī)定了葉輪(轉(zhuǎn)子)和
外殼(保護圈)配對金屬材料高速沖擊試驗和旋轉(zhuǎn)摩
擦試驗；輕合金支柱材料摩擦火花的自由落錘沖擊
試驗；箕斗、罐籠、人車等提升容器用輕合金材料與
Q235A高速沖擊和旋轉(zhuǎn)摩擦試驗；攜帶或移動式設(shè)
備、儀器、工具、器具等輕合金外殼材料自由落錘沖
擊試驗 J。根據(jù)設(shè)備運行參數(shù)或?qū)嶋H工況，通過模
擬摩擦火花工況發(fā)生過程的試驗來判斷金屬配對材
料摩擦火花安全性。
在鈹銅合金方面，原國家機械工業(yè)委員會電器
局制定了JB／TQ 4216《防爆銅工具安全性能檢驗》
標(biāo)準(zhǔn)，全國五金制品標(biāo)準(zhǔn)化委員會制定了
JISM 7615-1987(鈹銅合金防爆工具》標(biāo)準(zhǔn)，后上升
為GB 24459-2009(鈹銅合金防爆工具》標(biāo)準(zhǔn)。
3 相關(guān)研究結(jié)果
近年來的研究表明：①輕合金與銹鋼摩擦產(chǎn)生
火花引燃瓦斯危險性最大。②輕合金與銹鋼撞擊摩
第41卷第4期
2014年8月
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Vo1．41 No．4
Aug．2014
擦火花引燃瓦斯幾率隨能量提高而增大。但沖擊能
量超過一定值后，由于試件變形或剝離，著火率反而
下降；自由落錘試驗板傾角45。時，著火率最高，表面
硬度越大，著火率越高，鐵銹的存在及其附著狀態(tài)對
著火率有明顯的影響。③輕合金與銹鋼沖擊速度達
到(220+10)m／s時，著火率最大，速度再增加，著火
率反而降低。試驗板傾角40。左右時，著火率最高。
④輕合金與銹鋼旋轉(zhuǎn)摩擦相對速度一定時，著火時
間隨著固定試件壓緊力的增加而減少，壓緊力一定
時，著火時間隨著摩擦相對速度增大而降低。⑤ 輕
合金材料化學(xué)成分和機械物理性能與著火率有密切
關(guān)系，但只控制鎂含量不能降低著火率。如ZL102、
ZL104、ZL106硅鋁合金鎂含量均在0．5％ 以下，即使
含鎂量幾乎為0，同樣著火危險性較大，說明不能以
鎂含量作為鋁合金材料摩擦火花安全性的唯一評定
依據(jù)，應(yīng)經(jīng)過試驗驗證。⑥ 輕合金材料自然時效處
理后，尤其是鑄造輕合金，摩擦火花引燃甲烷的著火
率明顯下降。⑦鋁合金強度、硬度、脆性愈大，產(chǎn)生
碎屑顆粒也越多，著火率也愈高。⑧高強度輕合金
從化學(xué)成分、熱處理方面提高安全性，難度較大，某
些元素在輕合金中對提高強度和降低著火率是相互
矛盾的。
4 發(fā)展趨勢
盡管金屬材料摩擦火花在一定的工況條件下，
著火率較高，但不可能完全禁止在煤礦井下的使用，
今后應(yīng)進一步加強相關(guān)安全性技術(shù)研究和試驗
驗證。
1)研究新型合金材料，滿足煤礦井下安全使用
需求。
2)從改變輕合金材質(zhì)的化學(xué)成分、機械性能、加
工工藝人手，抑制摩擦火花引燃性。如前蘇聯(lián)曾用
低熔金屬的合金(如鋅、鎘、鉛)加入輕合金材料，提
高摩擦火花安全性；英國曾把不活潑金屬添加在輕
合金材料中來降低合金中元素對氧的親和力；前西
德最早提出添加鈹元素來抑制著火性；我國研制非
著火性鑄造鋁，編排一系列不同成分的配方，通過試
驗確定具體成分范圍。
3)加大對輕合金材料表面工程技術(shù)的研究。表
面工程技術(shù)如氣相沉積的電鍍、化學(xué)鍍；顆粒沉積的
等離子噴涂、電弧噴涂；整體覆蓋的包箔、燒結(jié)涂層；
表面改性技術(shù)的離子注入、擴散滲、陽極化、化學(xué)改
性等。
4)輕合金設(shè)備、外殼表面添加保護層防護技術(shù)。
如前西德20世紀(jì)80年代制定的“井下輕合金研究
發(fā)展綱要”，其中提出了主要攻關(guān)內(nèi)容是表面防護層
研究；前蘇聯(lián)在1989年報道，在煤礦電氣設(shè)備外殼
采用防護層是提高輕合金產(chǎn)生摩擦火花安全性的有
效手段。鋁、鎂合金可采用環(huán)氧樹脂、聚氨酯以及橡
膠等材料獲得有機涂層防護膜，環(huán)氧樹脂涂層粘附
力較強，不浸潤水，強度高，應(yīng)用相對廣泛。
參考文獻：
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[6]朱正憲，巨廣剛，周植鵬．GB／T 13813(

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