煤礦井下綜合防火技術(shù)的研究

潘恩寶

（阜新礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司礦山救護(hù)大隊(duì)，遼寧 阜新 123000）

恒大煤礦于1978 年建井，1987 年10 月開(kāi)始投入生產(chǎn)，井田面積10.806 7 km2，礦井的設(shè)計(jì)產(chǎn)量為120 萬(wàn)t/a。開(kāi)采煤層為下白堊系阜新組，目前包括6 個(gè)煤層群，平均總厚40.35 m，煤種主要為長(zhǎng)焰煤和氣煤。

該煤礦為煤與瓦斯突出礦井，礦井通風(fēng)方式為混合式通風(fēng)，通風(fēng)方法為抽出式，由副井和北翼副井入風(fēng)，主井和北翼回風(fēng)井回風(fēng)。礦井總?cè)腼L(fēng)量為13 498 m3/min，煤礦的總回風(fēng)量為13 798 m3/min，礦井等積孔5.6 m2。礦井瓦斯抽采率為74.3%。根據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳測(cè)試中心對(duì)該礦煤層采樣測(cè)試，煤層的吸氧量為0.62 cm3/g，自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ，為自燃煤層，最短自然發(fā)火期85 d，給煤礦井下的綜采安全造成了極大的隱患。

恒大煤礦技術(shù)攻關(guān)小組通過(guò)對(duì)大量煤礦井下火災(zāi)事故的分析，確定煤礦井下防火的關(guān)鍵在于快速報(bào)警和快速撲滅，因此建立了以JSG-8 型礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為核心的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)井下相關(guān)區(qū)域的O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等氣體含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)對(duì)自然火災(zāi)標(biāo)志氣體（CO、CO2、烷烴以及炔烴）的確定和分析，及時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)發(fā)火點(diǎn)的溫度變化，然后針對(duì)快速滅火的需求，提出了以凝膠防火、阻化劑防火為核心的快速滅火系統(tǒng)。根據(jù)在恒大煤礦的實(shí)際應(yīng)用表明，該綜合防火系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井下火災(zāi)的快速發(fā)現(xiàn)、快速撲滅，提升了恒大煤礦井下綜采作業(yè)的安全性，目前該技術(shù)方案已經(jīng)在恒大煤業(yè)各煤礦得到了廣泛的應(yīng)用。

1 井下防火監(jiān)控系統(tǒng)

結(jié)合恒大煤業(yè)井下實(shí)際情況，對(duì)重點(diǎn)防火區(qū)域的火災(zāi)監(jiān)測(cè)采用了JSG-8 型礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括了測(cè)點(diǎn)傳感器、束管分路箱、束管、控制柜、氣相色譜儀、真空泵組、監(jiān)控主機(jī)等。在運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)首先在真空泵的作用下，使束管形成負(fù)壓，在內(nèi)外氣壓差的作用下巷道內(nèi)的氣體被吸入到束管內(nèi)。電磁閥在系統(tǒng)控制作用下打開(kāi)對(duì)應(yīng)的閥門使對(duì)應(yīng)束管內(nèi)的氣體進(jìn)入到氣相色譜儀內(nèi)，色譜儀進(jìn)行采樣分析，獲取分析結(jié)果，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理后將分析結(jié)果以圖譜的形式顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)火災(zāi)情況的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。該束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 阻化劑滅火系統(tǒng)

常用的阻化劑主要包括水玻璃阻化劑、氫氧化鈣阻化劑及工業(yè)氯化鎂阻化劑、工業(yè)氯化鈣阻化劑，經(jīng)過(guò)對(duì)各類阻化劑的應(yīng)用環(huán)境、價(jià)格和使用安全性的綜合對(duì)比，最終恒大煤業(yè)選擇了成本低、供應(yīng)穩(wěn)定性好的工業(yè)氯化鈣阻化劑[1-2]。

阻化劑滅火系統(tǒng)及噴灑工藝選擇采用了表面噴灑阻化劑工藝，在煤礦井下接近綜采面的位置設(shè)置兩個(gè)阻化劑的存儲(chǔ)箱，一用一備，交替使用。首先將濃度為14%的工業(yè)氯化鈣倒入到容器內(nèi)，將清水加入到容器中不斷攪拌，直到工業(yè)氯化鈣完全溶解并混合均勻。然后用放置在快速轉(zhuǎn)運(yùn)小車上的BH-160/12.5-G 型阻化劑噴灑泵將阻化液通過(guò)高壓軟管傳輸?shù)綔缁鸸ぷ髅嫔稀Ｔ诿恳粋€(gè)噴灑泵上都設(shè)置有一個(gè)噴槍，工作時(shí)由專門的作業(yè)人員用噴槍進(jìn)行均勻的噴灑。正常回采期間對(duì)綜采面、上隅角、下隅角、煤壁等關(guān)鍵位置每天噴灑一次，為了避免影響綜采效率，每次噴灑均安排在設(shè)備檢修期間進(jìn)行。恒大煤業(yè)井下阻化劑噴灑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 井下阻化劑噴灑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 膠凝劑滅火系統(tǒng)

由于煤礦安全規(guī)程規(guī)定，采用凝膠滅火時(shí)，要求凝膠能夠充滿空間且對(duì)人體和環(huán)境無(wú)害，因此綜合選擇后恒大煤業(yè)確定選用水玻璃和碳酸氫銨混合基材的膠凝劑。

為了滿足井下快速滅火的技術(shù)要求，膠凝劑的成膠時(shí)間不得超過(guò)30 s，因此通過(guò)對(duì)水玻璃和碳酸氫銨的配比對(duì)成膠時(shí)間的影響，最終確定了水玻璃和碳酸氫銨按1:10 的配比時(shí)[3]，具有最佳的成膠速度和經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)恒大煤礦井下的實(shí)際情況，結(jié)合管路布置便捷性和輸送距離，最終確定在滅火區(qū)域采用插管式注膠和打鉆式注膠兩種相結(jié)合的方案。插管注膠是指向工作面上、下隅角打密閉墻或支架后部插入膠管，注膠管的深度、方位、傾角等根據(jù)高溫點(diǎn)的位置確定。打鉆注膠是指在臨近巷道內(nèi)每隔一段距離向采空區(qū)打孔注膠，鉆孔直徑一般為89 mm，鉆孔間距根據(jù)成膠時(shí)間和覆蓋范圍由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定。恒大煤業(yè)井下防火區(qū)注凝膠流程如圖3[4]。

圖3 煤礦井下注凝膠示意圖

根據(jù)恒大煤業(yè)井下的實(shí)際情況，在注凝膠時(shí)采用了兩組XD-1 型大功率防火凝膠泵，一用一備。該設(shè)備采用全自動(dòng)配比模式，能夠自動(dòng)對(duì)基料進(jìn)行混合，混合完成后經(jīng)過(guò)三組出口傳輸?shù)街付ǖ膮^(qū)域。恒大煤業(yè)采用的材料配比能夠確保膠凝劑在1 min內(nèi)形成固態(tài)，從而滿足了快速滅火和堵漏的需求。

由于膠凝劑為半固態(tài)混合流體，在管路內(nèi)傳遞時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的傳動(dòng)阻力，因此對(duì)管路長(zhǎng)度和直徑的要求較為嚴(yán)格，恒大煤業(yè)經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，所選擇的管路參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 管路參數(shù)匯總表

該綜合防火系統(tǒng)在恒大煤業(yè)投入使用以來(lái)能夠通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)井下重點(diǎn)防火區(qū)域進(jìn)行連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)，對(duì)火災(zāi)發(fā)生的預(yù)警準(zhǔn)確性達(dá)到了100%，有效防止了井下火災(zāi)的蔓延。阻化劑滅火系統(tǒng)和膠凝劑滅火系統(tǒng)反應(yīng)快速，能夠在第一時(shí)間將起火區(qū)域進(jìn)行隔離滅火，自該系統(tǒng)投入應(yīng)用以來(lái)，恒大煤業(yè)未再出現(xiàn)因起火導(dǎo)致的安全事故，顯著提升了井下的安全性。

4 結(jié)論

針對(duì)恒大煤礦井下煤層易自燃、危險(xiǎn)性大的隱患，建立了以火災(zāi)監(jiān)控為核心的防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及以凝膠防火、阻化劑防火為核心的滅火系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)突發(fā)火災(zāi)事故的快速報(bào)警和有效滅火，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能及時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)發(fā)火點(diǎn)的溫度變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下火災(zāi)的及時(shí)預(yù)警和監(jiān)測(cè)；

（2）阻化劑滅火系統(tǒng)，以工業(yè)氯化鈣為阻化劑，采用表面噴灑工藝，成本低，滅火效果好；

（3）膠凝劑滅火系統(tǒng)，水玻璃和碳酸氫銨按1:10 的比例配比能夠在1 min 內(nèi)形成固態(tài)效果，滿足了快速滅火和堵漏的需求。