礦井復雜煤層區域的綜合防火技術分析

續云飛

（晉能控股煤業集團晉城煤炭事業部成莊礦，山西 晉城048000）

引言

隨著煤礦井下開采效率的不斷提升，開采過程中的各類事故已經成為影響井下綜采作業效率和安全的核心瓶頸。據統計，井下煤層的自然事故占據了整個事故率的20%以上，特別是在復雜煤層條件下，傳統的防滅火方案存在著無法提前預警、防火滅火成本高的缺陷，嚴重影響了煤礦井下綜采作業的正常進行。因此，結合復雜煤層的實際情況，提出了一種新型的綜合防火技術，該防火技術采用了以防為主、以快速滅火為輔的綜合防治措施，通過建立井下防火預警體系實現對監測區域內瓦斯濃度、環境溫度、氧氣濃度的監測，判斷火災發生的概率，通過調整通風系統來實現對防火區域空氣狀態的調節，實現動態防火需求。

1 火災監測預警系統

煤礦井下火災監測預警系統的核心在于實時對監測區域的環境狀態進行動態監測，通過判斷環境中瓦斯、溫度、氧氣濃度等來綜合判斷火災發生的概率[1]，當某一個監測指標超標時系統自動調整局部通風機的運行狀態，滿足對區域內空氣的快速調整，實現降低火災發生概率的目的，該火災監測預警系統整體結構如圖1所示。

圖1 火災監測預警系統整體結構示意圖

由圖1可知，該預警系統采用了分站式監測布局結構，每個監測分站處設置有瓦斯濃度傳感器、環境溫度傳感器、氧氣濃度傳感器，用于對區域內的火災情況進行綜合監測。各監測傳感器的監測結果均會傳輸到監控分站內，在監控分站處進行數據融合分析。

監控分站采用了高性能PLC裝置，用于對監測數據進行快速處理和分析，為了避免復雜煤層條件下各監測對象含量波動導致的風機頻繁啟動、誤調節情況，提高系統的運行經濟性。在監控分站內采用了多重判別邏輯，在監測的3個對象中只有2個以上的因素同時超標時才能激活系統的調整邏輯，指揮區域內的通風系統運行，對區域內的空氣狀況進行調整，降低火災發生的概率。

為了滿足監測結果傳輸可靠性的需求，在該系統內采用了CAN數據總線傳輸系統，從而有效保障了數據傳輸過程中安全性、可靠性和靈敏性的需求。

由于井下環境中瓦斯、氧氣及溫度的變化均較小，因此需要監測傳感器具有極高的靈敏性，避免數據信號傳輸時因強度不足而導致的數據丟失現象。經過對集成式和非集成式傳感器特性的分析[2]，最終選用了非集成式智能傳感器，其結構如圖2所示。

圖2 非集成式智能傳感器結構示意圖

由圖2可知，該傳感器主要包括了傳感器元件、信號放大處理電路、中央處理器3個部分，傳感器元件主要負責對監測信息進行監控，然后將監測結果傳輸給信號放大器進行信號放大處理，提高抗干擾性，轉換完成后還需要進行模數轉換，提高數據傳輸精度和靈敏性，最后通過中央處理單元的綜合處理后通過現場總線傳輸到控制中心。

2 膠體阻化泡沫防火方案

由于傳統的灌水滅火、注漿滅火、壓注膠體防火方案堆積性能差、不能進行大面積填充，防火成本高，因此無法適應復雜煤層條件下的防火需求。本文提出了一種新的膠體阻化泡沫防火方案，利用阻化劑泡沫防火裝置進行阻化劑泡沫的制備和輸送，滿足井下隔絕空氣、降低溫度的綜合防火要求，該方案的核心在于阻化劑泡沫裝置的設計，其穩定性和經濟性直接關系到該滅火系統的應用可靠性，新的膠體阻化劑泡沫滅火裝置整體結構如上頁圖2所示[3]。

由圖3可知，該裝置在工作時，高壓水首先通過進水口進入到混合裝置的噴嘴處，在噴嘴處形成負壓，因此阻化劑液體在外界大氣壓力的作用下進入到儲液室內，在此處高壓水和阻化劑液體進行能量交換，形成流速均衡的混合液體。混合液體進入到擴散口處，由于空間瞬間增加因此會使流速降低、壓力能增加，然后進入到發泡裝置1內進行初級發泡，發泡完成后再發泡濾網處進行過濾和流速調整，最后再進入到發泡裝置2內進一步發泡提升混合劑利用率和發泡倍數。發泡完成后通過進氣口通入高壓空氣，壓迫發泡劑從阻化劑出口位置流向管路，最終完成在指定區域的阻化滅火。

圖3 阻化劑發泡裝置結構示意圖

該膠體阻化泡沫防火裝置的優點在于結構緊湊、可靠性高，發泡效率高，從而實現了對大面積防火區域快速滅火的需求。根據實際驗證該滅火方案的效率比傳統滅火提升72%以上，滅火的成本降低27%，顯著地提升了井下復雜煤層條件下的滅火可靠性和經濟性。

3 井下注氮防火方案

注氮防火具有流動性好、成本低、不受地形環境影響的優點，根據復雜地形條件下的防火需求，井下注氮防火主要包括下隅角注氮防火和上幅采空區注氮防火[4]。

下隅角注氮。在采面下隅角老塘埋設注N2高頂管，每間隔15 m在下隅角老塘埋設一趟Φ108 mm鋼管，鋼管接設好頂帽，用彎頭及短管挑到下隅角高頂處或頂板最高處，每一趟N2高頂管埋入老塘15 m后開始對該趟高頂注N2，并重新下一趟高頂，在注N2高頂管進入老塘45 m后，即可對此管進行報廢。注N2高頂管及注N2工作如此循環進行。

上幅采空區注氮時，從綜采面的下隅角開始，沿運順向外每50 m在巷道頂板向上幅2131采空區施工兩個鉆孔，鉆孔深入到上幅采空區內，其中：一個鉆孔用于對上幅采空區注N2，進一步墮化采空區內氣體；另一個鉆孔作為觀測孔，用于檢測上幅采空區內氣體變化及取樣化驗，上好U型壓差計，通過調節上幅采空區注N2與CH4抽采量，將上幅采空區壓力控制在0～50 Pa為宜。

4 結論

1）該火災預警系統采用了分站式監測布局結構，確保了各個監測區域的獨立運行，采用CAN數據總線傳輸系統，有效保障了數據傳輸過程中安全性、可靠性和靈敏性。

2）膠體阻化泡沫防火裝置結構緊湊、可靠性高，發泡效率高，滅火方效率比傳統滅火提升72%以上，滅火的成本降低27%，顯著地提升了井下復雜煤層條件下的滅火可靠性和經濟性。

3）注氮防火具有流動性好、成本低、不受地形環境影響的優點，主要包括下隅角注氮防火和上幅采空區注氮防火。