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国内外煤矿金属材料摩擦火花安全性试验研究及技术发展

文档作者：巨广刚文档来源：中煤科工集团重庆研究院有限公司		点击数：	更新时间： 2022年10月18日
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Vo1．41 No．4
Aug．2014
矿业安全与环保
MINING SAFETY &amp;amp; ENVIRONMENTAL PROTECTION
第41卷第4期
2014年8月
巨广刚．国内外煤矿金属材料摩擦火花安全性试验研究及技术发展[J]．矿业安全与环保，2014，41(4)：114—117
文章编号：1008—4495(2014)04—0114—04
国内夕卜煤矿金属材料摩擦火花安全性试验研究及技术发展
巨广刚
(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037)
摘要：概述了国内外煤矿金属材料摩擦火花安全性试验研究及其发展过程，介绍了相关标准的规定
和要求，总结了近年来最新的试验研究成果，最后，展望了该项技术的发展方向。
关键词：煤矿；防爆设备；金属材料；摩擦火花；安全性
中图分类号：TD684；TD687 文献标志码：C 网络出版时间：2014—07—25 09：34
网络出版地址：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
随着科学技术的不断进步和煤矿机械化程度的
不断提高，普通钢材、铸钢、铸铁、轻合金等金属材料
广泛应用在煤矿井下的仪器仪表和设备的外壳及部
件的设计制造中。实际工作中，电气设备、金属材料
和工具受撞击摩擦产生火花的可能性比电火花大得
多，如抽出式风机运转时，高速气流会将石子、螺钉、
铁块等杂物吸人，高速冲击叶片，产生摩擦火花；采
掘工作面爆破作业或冒顶可能使金属杂物、黄铁矿
结核等高速撞击金属支柱或设备，形成高速冲击火
花，特别是连续碰撞的二次火花，其强度足以引燃引
爆瓦斯煤尘。因此，世界上许多国家十分重视机械
摩擦火花安全性问题，对轻合金材料进行了大量的
试验研究。
1 发展概述
英国、前西德、前苏联、日本、波兰、捷克、中国等
收稿日期：2013—09—30；2014—06—16修订
作者简介：巨广刚(1970一)，男，陕西兴平人，高级工程
师，现主要从事煤矿通风除降尘技术研究、检测等方面的工
作。Tel：023—65239242，E—mail：mkyjgg@163．SOB。
· 114 ·
对应用在煤矿井下风机叶轮、活节顶梁、金属摩擦支
柱垫块、携带式电钻、仪器仪表、电气设备外壳等的
轻合金材料的安全问题较早就进行了研究，探索其
应用前景。
1937—1961年，英国共发生1 018次井下瓦斯
爆炸事故，其中209次是由于机械摩擦火花引起的，
1954-1955年从瓦斯矿井采掘工作面撤出了近1万
台轻合金制成的煤电钻、支架顶梁。英国矿山安全
研究院和卫生安全执委会下属的安全实验室对轻合
金应用危险性做了大量试验，首先提出了轻合金与
锈钢摩擦“铝热反应”理论，另外，轻合金中钛元素与
硬的物体撞击或摩擦易产生高温碎屑，容易引燃瓦
斯，轻合金中含钛量和碰撞能量提高，点燃甲烷的可
能性明显提高。并规定：除为数不多而又必须使用
的轻合金制成的救护仪器仪表和科研用的仪器外，
瓦斯矿井采掘工作面均不得继续使用轻合金制造的
新设备。禁止在具有瓦斯危险的采掘工作面300 In
以内使用轻合金制造的设备。
前西德对轻合金含镁量、硬度与着火率关系以
及添加少量元素抑制引燃火花等进行了大量试验。
奥托一福克斯协会的轻合金研究所曾获得一项专
第41卷第4期
2014年8月
矿业安全与环保
MINING SAFETY&amp;amp; ENVIR0NMENTAL PROTECTION
Vo1．41 No．4
Aug．2014
利，提出含铍量0．001％ ～0．05％ 、含铜量2．0％ ～
5．5％ 、含镁量0．4％ ～1．8％ 、含钛量2％ ～7％ 的轻
合金安全性较好，以此规定轻合金含量，来改进支架
顶梁设计。
1960-1989年，日本通产省的公害资源研究所
九州中心对轻合金应用、摩擦火花引燃甲烷机理，金
属、岩石、轻合金、铍铜合金、涂层氧化膜摩擦火花安
全性进行了研究。对常用的硅铝明合金、铸造铝合
金、铝合金板和锻造铝合金进行大量试验得出：硅铝
明合金受到很低能量冲击或摩擦，也能引燃可燃性
气体，建议井下应尽量避免使用；轻合金化学成分和
机械物理性能与着火率密切相关，合金与锈钢摩擦
火花引燃瓦斯的危险性最大；在硅铝明合金中添加
少量金属元素对引燃瓦斯的火花抑制效果不明显。
前苏联防爆和矿用电气设备科学研究院、马克
耶夫卡采矿工业劳动安全科学研究院、石油工业部
安全技术科学研究所等对摩擦理论基础、摩擦火花
产生机理、轻合金应用安全性等研究表明：冲击能量
为400～500 J时，摩擦火花点燃瓦斯几率为10％ ～
50％ ，无论轻合金化学成分、制造工艺如何改变，都
具有点燃瓦斯的能力，只是程度不同而已；再生铝合
金摩擦火花安全性明显低于原炼合金，建议使用镁
含量不超过0．5％ 的原炼铝合金制造煤矿设备零
部件 。
20世纪90年代，波兰采矿研究总院的巴巴尔拉
研究所研究轻合金与锈钢摩擦和轻合金表面涂层措
施，硅铝明合金(AK一9)自由落锤试验结果表明：不
仅在25。～60。冲击角度能点燃甲烷，冲击角小至
10。～20。时也能点燃甲烷；轻合金与锈钢板冲击时，
铁锈湿润程度对着火率影响不大。证实了轻合金与
锈钢板撞击“高热剂机理”假说：轻合金涂抹层分子
及其周围的铁锈分子所形成的高热剂混合物着火
燃烧。
捷克和匈牙利合作进行的轻合金单体液压支柱
14种表面防护层试验结果表明：① 镍和铜含量高可
防止产生可燃性火花。②10 LLm的60％的K20(硬
金属NiCWBSi合金)和40％的CuSnlO(青铜合金)
粉末混合效果最佳。③ 支柱表面150 m厚防护层
磨损量较小。
我国煤矿井下，轻合金应用较早，随着煤矿机械
化的发展，轻合金材料井下应用得到了快速发展。
但因摩擦火花引起的重大伤亡事故时有发生，教训
惨痛。如1987年9月28日徐州矿务局某矿掘进工
作面钢丝绳与扒斗机摩擦造成瓦斯爆炸，死亡
26人；1988年2月6日鹤岗矿务局某矿电动机风叶
撞击机壳发生瓦斯爆炸，造成5人死亡、9人受伤；
1988年11月26日鸡西矿务局某矿用绞车拖电动机
时，机壳与轨道摩擦产生火花引爆瓦斯，造成45人
死亡、23人受伤；1993年1月23日淮南某矿矿车之
间撞击发生瓦斯爆炸，死亡39人 ；1994年辽源矿
务局某煤矿超载矿车跑车，机械与机械、岩石撞击产
生火花引起煤尘爆炸，造成79人死亡、129人受伤。
北京有色金属加工厂、北京大学化学系与原煤
科总院唐山分院为水力局部通风机共同研制铸造铝
合金，制造了以Al—zn—cu为主添加微量元素非发
火性铸造铝合金，高速冲击试验着火率由30％降至
10％ ，比ZL104铸造铝合金的安全性要好。
1985年，东北铝合金厂、西北铝合金厂研制出
157高强度铝合金材料，质量轻(钢铁的1／3)、强度
高(钢铁的2．8倍)、耐腐蚀、无冷脆性。其强度、比
强度和耐磨寿命，达到了20 、30 优质碳素钢水平，
适用于制造矿山单体液压支柱、罐笼、箕斗、人车、运
输车等，但摩擦火花着火率较高，离一次不着火的要
求尚有一定距离。
1986-1987年，原煤科总院重庆研究院承担
“轻合金在矿井中应用”攻关项目，在参考前苏联、日
本、英国、德国、美国等摩擦火花研究的基础上，设计
了高速冲击、自由落锤冲击和旋转摩擦3个试验装
置，可模拟和再现爆炸性气体环境用金属材料摩擦
火花产生过程，评价火花安全性，进行了大量试验研
究，先后制定了3种暂行规定(煤矿用抽出式局部通
风机，煤矿用轻合金液压支柱，煤矿用轻合金罐笼、
箕斗、人车)。“八五”期问，进行了“铝合金中含镁
量与着火率的关系”“外壳用摩擦火花安全型铸造铝
合金材料”“LC15铝合金提升容器摩擦火花安全性”
等部属重点项目研究，并制定了GB 13813《煤矿用
金属材料摩擦火花安全l生试验方法和判定规则》，而
且在2000年、2008年进行了2次修订。
我国大量试验表明：铝合金、Q235钢与H62黄
铜配对材料旋转摩擦试验偶尔也出现火花，但具有
一定安全性；铝合金配对材料旋转摩擦试验相对较
安全，铝合金材料与Q235锈钢、Q235锈钢与Q235
锈钢配对旋转摩擦试验不安全。铝合金与Q235锈
钢配对材料高速冲击摩擦试验，多次出现束状火花
并引燃试验气体，摩擦火花危险性极大。
自行研制的FHZL503A外壳用铸造铝合金化学
组成(质量分数)：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
· 115 ·
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MINING SAFETY ＆ ENVIR0NMENTAL PROTECTION
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0．8％ Mn、2．5％ ～4．5％ Rx，杂质含量1．5％Si、
0．5％ Mg、0．5％ Fe。机械物理性能：抗拉强度6b≥
180 MPa，延伸率6≥3．O％ ，硬度HB≥50，试验证明
摩擦火花安全性较好 。
ZL101 A表面CBPA1一Si—Mo一1复合合金涂层，
ZLD105金属防爆涂层，ZL201、YL102、ADC31层
0．1 mm厚的热喷镀锌层和2层锌硅酸盐涂料，
A356、A380涂环氧一聚脂型粉末(LB201)材料自由
落锤试验结果表明，金属材料表面涂层技术已得到
突破和应用。
单体液压支柱的高强度变形铝(157铝合金)采
取硬质阳极氧化处理和喷涂EMH一1胶性有机涂层
(二硫化钼+尼龙+环氧树脂涂层)，与45 钢自由落
锤试验火花达到了标准要求 J，可有效解决单体液
压支柱和非旋转摩擦设备的火花问题，若保护层受
到较大冲击，局部遭到破坏时，应及时进行修复。
2 相关标准规定
1965年，英国煤炭局制定了NCB 461《允许在井
下使用的含轻金属的合金》(1970年、1978年进行
2次修订)，规定“按质量百分比，含有铝、镁、钛的轻
合金材料，其3种成分的总含量不允许大于15％ ，并
且钛和镁总含量不允许大于6％ ”(质量计) 。欧
共体DINEN 50014规定大致相同。
前苏联FoCT 22782．O《防爆电气设备通用要求
试验方法》规定采用轻合金材料制造I类电气设备
外壳时，应采取措施来防止摩擦火花点燃的危险
性。如果轻合金加保护涂层能防止其摩擦火花的点
燃危险，则允许用有保护涂层的轻合金制造外壳。
Ⅱ类电气设备允许采用含镁量不大于6％ 的铝合
金，这时可不做摩擦火花安全性试验。附录5“材料
摩擦火花试验方法”规定了轻合金制造的电气设备
和装配部件摩擦火花安全性试验方法 J。
日本依据JISM 7002((防爆用铍合金工具类的非
燃性试验方法》检验轻合金产品摩擦火花安全性，出
具检验报告，由用户(煤矿、生产企业)决定是否
使用。
欧洲标准PREN 1701：2003(D)草案的5．3．1．8
规定：为了将叶轮和外壳之问产生爆炸火花的风险
降到最小，所有风机都安装上固定保护环，保护环使
用摩擦火花最小材料，在叶轮与外壳固定件或者集
流器之问，根据设计要求留有最小的间隙。风机入
口必须有防护罩，防止固体杂物侵入，最小为IP2X。
4种材质的保护环危险性分析见表1。
· 11 6 ．
表1 4种材质的危险性分析
叶轮叶片材料
火花护环 黄铜 合金钢
ENAtM-3000 ENA1344200
CuZn39 X5C fi189
ENAB43000 (1)
ENAB44200 (1)
黄铜CuZn39 (1)
合金钢X5CrNi189 (3)
37号钢 (3)
注：(1)表示火花引爆危险性较低，径向间隙不小于1 ITlm或叶
轮直径0．1％ ，两者选较大值。(2)表示火花引爆危险性较低，但径
向间隙不小于1．5 mm。以上2种组合材料都适用，保护环厚度最小
应达到3 mill。(3)表示火花引爆危险性较高，径向间隙范围最小为
叶轮直径的1／250，最小应达到5 mill。
目前，我国GB 3836．1 01O《爆炸性环境第1
部分：设备通用要求》标准8．1．1“I类电气设备”
规定，制造I类EPL Ma级或Mb级电气设备外壳材
料，按质量百分比的总含量不应超过：a)15％ 的铝、
镁、钛和锆；b)7．5％ 的镁、钛和锆；上述要求不适用
于I类携带式测量设备，但设备应按29．2项e条的
要求标志符号“x”，并在特殊使用条件中指明贮存、
运输和使用过程中特别注意事项。I类手持式或支
架式电钻(及其附带的插接装置)、携带式仪器仪表、
灯具的外壳，可采用抗拉强度不低于120 MPa，且按
GB／T 13813-2008规定的摩擦火花试验方法考核
合格的轻合金制成 。
GB／T 13813-2008(煤矿用金属材料摩擦火花
安全性试验方法和判定规则》规定了叶轮(转子)和
外壳(保护圈)配对金属材料高速冲击试验和旋转摩
擦试验；轻合金支柱材料摩擦火花的自由落锤冲击
试验；箕斗、罐笼、人车等提升容器用轻合金材料与
Q235A高速冲击和旋转摩擦试验；携带或移动式设
备、仪器、工具、器具等轻合金外壳材料自由落锤冲
击试验 J。根据设备运行参数或实际工况，通过模
拟摩擦火花工况发生过程的试验来判断金属配对材
料摩擦火花安全性。
在铍铜合金方面，原国家机械工业委员会电器
局制定了JB／TQ 4216《防爆铜工具安全性能检验》
标准，全国五金制品标准化委员会制定了
JISM 7615-1987(铍铜合金防爆工具》标准，后上升
为GB 24459-2009(铍铜合金防爆工具》标准。
3 相关研究结果
近年来的研究表明：①轻合金与锈钢摩擦产生
火花引燃瓦斯危险性最大。②轻合金与锈钢撞击摩
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Vo1．41 No．4
Aug．2014
擦火花引燃瓦斯几率随能量提高而增大。但冲击能
量超过一定值后，由于试件变形或剥离，着火率反而
下降；自由落锤试验板倾角45。时，着火率最高，表面
硬度越大，着火率越高，铁锈的存在及其附着状态对
着火率有明显的影响。③轻合金与锈钢冲击速度达
到(220+10)m／s时，着火率最大，速度再增加，着火
率反而降低。试验板倾角40。左右时，着火率最高。
④轻合金与锈钢旋转摩擦相对速度一定时，着火时
间随着固定试件压紧力的增加而减少，压紧力一定
时，着火时间随着摩擦相对速度增大而降低。⑤ 轻
合金材料化学成分和机械物理性能与着火率有密切
关系，但只控制镁含量不能降低着火率。如ZL102、
ZL104、ZL106硅铝合金镁含量均在0．5％ 以下，即使
含镁量几乎为0，同样着火危险性较大，说明不能以
镁含量作为铝合金材料摩擦火花安全性的唯一评定
依据，应经过试验验证。⑥ 轻合金材料自然时效处
理后，尤其是铸造轻合金，摩擦火花引燃甲烷的着火
率明显下降。⑦铝合金强度、硬度、脆性愈大，产生
碎屑颗粒也越多，着火率也愈高。⑧高强度轻合金
从化学成分、热处理方面提高安全性，难度较大，某
些元素在轻合金中对提高强度和降低着火率是相互
矛盾的。
4 发展趋势
尽管金属材料摩擦火花在一定的工况条件下，
着火率较高，但不可能完全禁止在煤矿井下的使用，
今后应进一步加强相关安全性技术研究和试验
验证。
1)研究新型合金材料，满足煤矿井下安全使用
需求。
2)从改变轻合金材质的化学成分、机械性能、加
工工艺人手，抑制摩擦火花引燃性。如前苏联曾用
低熔金属的合金(如锌、镉、铅)加入轻合金材料，提
高摩擦火花安全性；英国曾把不活泼金属添加在轻
合金材料中来降低合金中元素对氧的亲和力；前西
德最早提出添加铍元素来抑制着火性；我国研制非
着火性铸造铝，编排一系列不同成分的配方，通过试
验确定具体成分范围。
3)加大对轻合金材料表面工程技术的研究。表
面工程技术如气相沉积的电镀、化学镀；颗粒沉积的
等离子喷涂、电弧喷涂；整体覆盖的包箔、烧结涂层；
表面改性技术的离子注入、扩散渗、阳极化、化学改
性等。
4)轻合金设备、外壳表面添加保护层防护技术。
如前西德20世纪80年代制定的“井下轻合金研究
发展纲要”，其中提出了主要攻关内容是表面防护层
研究；前苏联在1989年报道，在煤矿电气设备外壳
采用防护层是提高轻合金产生摩擦火花安全性的有
效手段。铝、镁合金可采用环氧树脂、聚氨酯以及橡
胶等材料获得有机涂层防护膜，环氧树脂涂层粘附
力较强，不浸润水，强度高，应用相对广泛。
参考文献：
[1]张景行．轻合金在矿井中应用研究概述[J]．煤矿机电，
1993(1)：57—58．
[2]陈周蓉．角联巷道中机械摩擦火花引起特大瓦斯爆炸事
故的教训[J]．煤炭工程师，1988(5)：13—15．
[3]张景行，刘东启．外壳用摩擦火花安全型铸造铝合金新
材料研究及应用[J]．电气防爆，1995(2)：3-14．
[4]张景行，梁福德．防止摩擦火花引燃可燃性气体功能涂
层的试验研究[J]．电气防爆，1996(2)：8—13．
[5]GB 3836．1_2010，爆炸性环境第1部分：设备通用要
求[S]．
[6]朱正宪，巨广刚，周植鹏．GB／T 13813(

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