煤礦井下綜合防火技術的研究

潘恩寶

(阜新礦業(集團)有限責任公司礦山救護大隊，遼寧 阜新 123000)

恒大煤礦于1978年建井，1987年10月開始投入生產，井田面積10.806 7 km2，礦井的設計產量為120萬 t/a。開采煤層為下白堊系阜新組，目前包括6個煤層群，平均總厚40.35 m，煤種主要為長焰煤和氣煤。

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

恒大煤礦技術攻關小組通過對大量煤礦井下火災事故的分析，確定煤礦井下防火的關鍵在于快速報警和快速撲滅，因此建立了以JSG-8型礦井火災束管監測系統為核心的監控系統，對井下相關區域的O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等氣體含量進行監測，經過對自然火災標志氣體(CO、CO2、烷烴以及炔烴)的確定和分析，及時預測預報發火點的溫度變化，然后針對快速滅火的需求，提出了以凝膠防火、阻化劑防火為核心的快速滅火系統[1]。根據在恒大煤礦的實際應用表明，該綜合防火系統能夠實現對井下火災的快速發現、快速撲滅，顯著提升了恒大煤礦井下綜采作業的安全性，目前該技術方案已經在恒大煤業各煤礦得到了廣泛的應用。

1 井下防火監控系統

結合恒大煤業井下實際情況，對重點防火區域的火災監測采用了JSG-8型礦井火災束管監測系統，該系統主要包括了測點傳感器、束管分路箱、束管、控制柜、氣相色譜儀、真空泵組、監控主機等。在運行過程中系統首先在真空泵的作用下，使束管內形成負壓，在內外氣壓差的作用下巷道內的氣體被吸入到束管內[1]。電磁閥在系統控制作用下打開對應的閥門使對應束管內的氣體進入到氣相色譜儀內，色譜儀進行采樣分析，獲取分析結果，經過數據轉換處理后將分析結果以圖譜的形式顯示出來，實現對井下監測區域內火災情況的自動監測，該束管監測系統的的結構，如圖1所示。

圖1 束管監測系統結構

2 阻化劑滅火系統

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氯化鎂阻化劑、工業氯化鈣阻化劑，經過對各類阻化劑的應用環境、價格和使用安全性的綜合對比，最終恒大煤業選擇了成本低、供應穩定性好的工業氯化鈣阻化劑[2]。

阻化劑滅火系統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置兩個阻化劑的存儲箱，一用一備，交替使用。首先將濃度為14%的工業氯化鈣倒入到容器內，將清水加入到容器中不斷攪拌，直到工業氯化鈣完全溶解并混合均勻。然后用放置在快速轉運小車上的BH-160/12.5-G型阻化劑噴灑泵將阻化液通過高壓軟管傳輸到滅火工作面上。在每一個噴灑泵上都設置有一個噴槍，工作時由專門的作業人員用噴槍進行均勻的噴灑。正常回采期間對綜采面、上隅角、下隅角、煤壁等關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備檢修期間進行。恒大煤業井下阻化劑噴灑系統結構示意圖如圖2所示。

圖2 井下阻化劑噴灑系統結構示意圖

3 膠凝劑滅火系統

由于煤礦安全規程規定，采用凝膠滅火時，要求凝膠能夠充滿空間且對人體和環境無害，因此綜合選擇后恒大煤業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要求，膠凝劑的成膠時間不得超過30 s，因此通過對水玻璃和碳酸氫銨的配比對成膠時間的影響，最終確定了水玻璃和碳酸氫銨按1∶10的配比時[3]，具有最佳的成膠速度和經濟性。

根據恒大煤礦井下的實際情況，結合管路布置便捷性和輸送距離，最終確定在滅火區域采用了插管式注膠和打鉆式注膠兩種相結合的方案。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、傾角等根據高溫點的位置確定。打鉆注膠是指在臨近巷道內每隔一段距離，向采空區打孔注膠，鉆孔直徑一般為89 mm，鉆孔間距根據成膠時間和覆蓋范圍由現場實際確定[4]。恒大煤業井下防火區注凝膠流程,如圖3所示。

圖3 煤礦井下注凝膠示意圖

根據恒大煤業井下的實際情況，在注凝膠時采用了兩組XD-1型大功率防火凝膠泵，采用了一用一備的形式。該設備采用了全自動配比模式，能夠自動對基料進行混合，混合完成后經過三組出口傳輸到指定的區域，恒大煤業采用的材料配比能夠確保膠凝劑在1 min內形成固態，從而滿足了快速滅火和堵漏的需求。

由于膠凝劑為半固態混合流體，在管路內傳遞時會產生較大的傳動阻力，因此對管路長度和直徑的要求較為嚴格，恒大煤業經過實際驗證，所選擇的管路參數,如表1所示。

表1 管路參數匯總表

該綜合防火系統在恒大煤業投入使用以來能夠通過監控系統對井下重點防火區域進行連續不間斷監測，對火災發生的預警準確性達到了100%，有效防止了井下火災的蔓延。阻化劑滅火系統和膠凝劑滅火系統反應快速，能夠在第一時間將起火區域進行隔離滅火，自該系統投入應用以來，恒大煤業未再出現因起火導致的安全事故，顯著提升了井下的安全性。

4 結語

針對恒大煤礦井下煤層易自燃、危險性大的隱患，建立了以火災監控為核心的防火監測系統及以凝膠防火、阻化劑防火為核心的滅火系統，實現了對突發火災事故的快速報警和有效滅火，根據實際應用表明：

1)束管監測系統能及時預測預報發火點的溫度變化，實現對井下火災的及時預警和監測；

2)阻化劑滅火系統，以工業氯化鈣阻化劑，采用表面噴灑工藝，成本低，滅火效果好；

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