微子鎮煤業綜合防滅火系統的構建

王 煜

（晉能控股集團三元微子鎮煤業有限公司，山西 長治 047500）

三元微子鎮煤業有限公司礦井生產能力為60萬t/a，礦井井田面積4.512 6 km2，可采煤層為15號煤層。采煤工作面實際需要風量主要根據工作面瓦斯、二氧化碳涌出量，兼顧工作面溫度、風速和工作面環境衛生條件進行計算，并取其中的最大值。根據山西省煤炭工業局綜合測試中心2010 年9 月提交的《山西煤炭運銷集團三元微子鎮煤業有限公司礦井瓦斯涌出量預測報告》，三元微子鎮煤礦開采15 號煤層以60 萬t/a 產量生產時，礦井最大絕對瓦斯涌出量為3.28 m3/min，最大相對涌出量為2.60 m3/t，屬低瓦斯礦井。

該礦井為五個煤礦的整合礦井，共布置主斜井、副斜井、回風立井三個井筒。主斜井擔負礦井原煤運輸、人員提升兼進風任務，副斜井擔負礦井輔助運輸兼進風任務，回風立井擔負礦井回風任務。

由于井下采空區和綜采區分布范圍廣，井下煤層自燃概率較大，傳統的人工巡查式或者單點監測式的防滅火方案無法滿足井下防滅火的安全性要求。在對井下煤層和采空區分布情況分析后，采用了監測預警+綜合防滅火的雙重防滅火方案，利用JSG9 礦井火災束管監測系統對煤層自然發火進行動態連續監測，利用采空區灌漿、噴灑阻化劑的綜合滅火系統，提高了對井下火災的防火可靠性。

該煤礦通風系統能夠自動實現對井下的精確供風，防滅火監測及滅火系統工作穩定性好，有效確保了三元微子鎮煤業井下綜采作業的安全性。

1 礦井通風系統分析

礦井開采15 號煤層，15 號煤層一采區采用綜采一次采全高采煤法進行回采。回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為1.71 m3/min，最大相對涌出量為1.48 m3/t。根據實際計算，礦井總進風量為89 m3/s，其中主斜井進風量40 m3/s，副斜井進風量49 m3/s，回風立井回風量89 m3/s。

為了保證井下通風安全性，系統采用了變頻功率、阻力、風量、瓦斯濃度智能匹配的通風控制模型[1]，能夠實現不停風倒機、智能反風、按需供風等。其控制系統結構如圖1 所示。

圖1 礦井智能通風控制系統結構示意圖

該系統將井下瓦斯濃度監測模塊的數據信息作為系統調節的基礎信號，利用傳感器對井下巷道內瓦斯、一氧化碳等有害氣體、氣流情況等進行監測來確定井下通風的狀態。當危險氣體含量超標或者供風量不足時，系統自動發出調整信號，實現礦井通風系統的自動調節和預警。

2 防滅火系統

礦井15 號煤層屬自燃煤層，礦上采用了監測預警+綜合防滅火的雙重防滅火方案。通過預防加滅火系統的方式，建立了集火災監測和火災高效滅火的高效防滅火體系。火災監測主要是利用JSG9礦井火災束管監測系統對煤層自然發火進行動態連續監測；火災高效滅火主要是建立以采空區灌漿為主、噴灑阻化劑為輔的綜合滅火系統。

2.1 礦井火災束管監測系統

2.1.1 監測系統結構及原理

JSG9 型井下束管自動監測系統能夠在獲取空氣樣本后自動對樣本中的氧氣、氮氣、甲烷等9 種氣體含量進行監測和分析，每次采樣分析實際時間小于6 min。該系統能夠根據監測系統的程序設定進行連續監控，從而能夠及時對井下監測區域內氣體的變化情況進行預警。當監測到火災發生標志性氣體（甲烷、二氧化碳、一氧化碳）時，系統自動進行預報，從而實現對火災預兆的提前預警。

為了滿足監測精確性的需求，JSG9 束管監測系統主要包括了束管專用色譜儀、抽氣泵、濾塵裝置等，提高了在煤礦井下復雜環境下工作的穩定性和可靠性。該監測系統的整體結構布局如圖2 所示[2]。

圖2 JSG9 煤礦火災束管監測系統布置圖

為了確保對井下氣體監測的準確性，系統首先啟動抽氣泵，使管路系統中形成一個真空負壓環境，然后在內外壓差的作用下，外界空氣進入到束管內。為了防止井下粉塵堵塞分析系統，管口設置過濾裝置，對粉塵起到一個阻擋作用。氣體進入到氣相色譜儀器內后，儀器開始對內部的空氣樣本進行檢查，并將檢查結果傳輸到采樣數據傳輸接口上，經過數據信號的放大和數據轉換后，形成監測譜圖及監測結果。該系統由于實現了無人化采集，因此能夠實現對井下空氣狀態的動態監測，通過對監測數據的分析，確定井下自然發火狀態信息并進行預警。

2.1.2 監測點設置方案

監測點設置的基本原則是要保證對井下火源監測的精確性。根據井下實際地質情況，可以將煤礦井下火災監測點分為固定式、移動式和臨時式，有效地提升了井下數據監測的靈活性和精確性[3]。

在采空區的監測點主要是隨著綜采面推進埋入到采空區，在每個綜采面上設置6 個監測點，然后在運輸巷采空區、回風順槽采空區內各設置3 個監測點，每個監測點之間的距離為60 mm。當監測區域內的氧氣濃度降低到5%以下后，則可以轉移該監測點，并在新的監測區域布置監測點。井下采空區監測點布置結構如圖3（a）所示。

圖3 井下監測點布置示意圖

工作面正常封閉后，需要在綜采面的進風側或者回風側設置觀測孔，然后在密閉內設置一個觀測點，提高綜采面氣體狀態的監測準確性。其結構布置如圖3（b）所示。

2.2 井下防滅火系統

微子鎮煤業井下的防滅火系統采用了以采空區灌漿為主，噴灑阻化劑、噴射LFM 堵漏、注液態CO2滅火為輔的綜合滅火方案，提高井下綜采面防火的可靠性。

2.2.1 灌漿防火技術分析

微子鎮煤業井下采用了KDZS-1型灌漿系統[4]。結合現場實際，在煤礦的工業廠處建立了2 個攪拌池以及1 個注漿池，兩個池子的深度和直徑均設置為2 m。池子采用磚砌后外側均勻涂抹水泥，池子上側設置一個攪拌器，攪拌池的下側設置有出料口。在注漿池的前面設置有孔徑為10 mm 的過濾裝置，避免灌漿系統在工作過程中被堵塞。在注漿池和攪拌池的側面設置2 個尺寸為0.8 m×0.8 m×2 m 的泵坑，分別設置泥沙泵。該灌注系統的整體布局如圖4 所示[5]。

圖4 灌漿系統布置結構示意圖（m）

為了提高灌漿時的穩定性，井下灌漿系統采用了埋管灌漿的模式。首先沿著回采綜采面的回風順槽預埋20 m 的灌漿管道，管道的一端連通采空區，另一端連通膠管，膠管的長度在30～40 m 之間，根據綜采面的推進而逐步移動。為了提高操作的便捷性，灌漿管的牽引可以采用回柱絞車，每隔一定的距離灌漿一次。埋管灌漿結構如圖5 所示。

圖5 埋管灌漿結構示意圖

泥漿的水固比是反映泥漿濃度的指標，是指泥漿中水與固體漿材的體積之比。水固比的大小影響著注漿的效果和泥漿的輸送。泥漿的水固比越小，則泥漿濃度越大，其黏度、穩定性和致密性也越大，包裹遺煤隔離氧氣的效果也越好，但同時流散范圍也越小，輸漿管路容易堵塞；水固比大，則輸送相同體積的土所用的水量大，包裹和隔絕效果不好，用水量增加，在工作面后方采空區灌漿時容易流出而惡化工作面環境。漿液的水固比應根據泥漿的輸送距離、煤層傾角、灌漿方式及灌漿材料和季節等因素通過試驗確定，本次設計為5:1。

主要灌漿管直徑選型應滿足兩個條件：1）灌漿管道內徑選擇不應大于臨界直徑；2）灌漿管道內漿液實際流速應大于灌漿管的臨界流速。這樣既能避免由于灌漿管徑選型過大引起管內漿液流速的下降，造成堵管現象，又能滿足灌漿要求。

灌漿喇叭口至工作面灌漿管出口間管路總長度與管路首末兩端高差之比，稱為輸送倍線。倍線與水土比、土質、井下灌漿管路布置等因素有關。在給定的系統中，將有相應的倍線比與一定的水土比相適應。水土比越大，倍線比越大；泥漿中含砂量較少，則倍線也增大。

2.2.2 噴灑阻化劑防火技術分析

綜采面在軌道巷設置兩個礦車，礦車內放置阻化劑，作為阻化劑的供應平臺。在使用時現將氯化鈣倒入礦車中，然后在礦車內加入清水，將氯化鈣完全溶解。然后再利用放置在移動小車上的WJ-24型阻化泵把阻化液沿著高壓噴水管路引入到工作面上并和直徑為13 mm 的噴槍連接。為了提高噴灑的效率，每臺泵都配備一個噴槍。在噴灑過程中，由操作人員從支架間隙向采空區噴灑，每次噴灑時間不少于6 min，噴灑時流量不低于35 L/min。在通常情況下正常回采期間每班噴灑一次，當在收尾或者停采時，需要加大噴灑頻率。阻化劑噴灑工藝流程如圖6 所示[6]。

2.2.3 噴射LFM 堵漏及注液態CO2滅火

為了進一步降低火災發生的概率，采用噴射LFM 阻燃、堵漏材料消除采空區漏風、全覆蓋灌注漿液封閉、注液態CO2防火等防火方式，消除火災發生的外在條件。采用阻化劑滅火系統實現對起火區域的快速滅火，綜合運行多種防護方案，實現了井下防火的全面性、可靠性。

噴射LFM 阻燃堵漏材料消除采空區漏風。根據井下瓦斯集聚情況，選擇在綜采面上隅角和下隅角處噴射LFM 阻燃材料，將架間、架頭等區域進行全面的噴涂，保證防火的安全性[7]。

在井下一氧化碳濃度高的區域施工防火鉆孔，在防火鉆孔內灌注阻燃堵漏防火材料[8]，實現井下防漏風、防一氧化碳泄漏的全覆蓋。防火鉆孔設計時根據綜采面和回撤面的實際情況，每隔5 個支架設置一個防火鉆孔，鉆孔結束的地方均設置在支架后約8 m 處。防火鉆孔設置結構如圖7。

圖7 井下防火鉆孔結構示意圖（m）

為了保證特殊情況下的防火需求，在井下同步設置了全覆蓋灌注漿液封閉和注液態CO2防火，全覆蓋灌漿液由灌漿系統傳輸到灌注區域，灌漿時采用連續交叉式灌漿方案[9]，從回風巷處設置3 組灌漿管道，灌漿管道的出管點設置在支架后側29 m、49 m、69 m 的位置。

井下注液態CO2防火同樣是通過管道將液態的二氧化碳輸送到滅火區域，利用液態二氧化碳氣化時吸熱的方式來對區域進行降溫，從而阻止燃燒的進一步發展[10]。傳輸管道從下隅角向采空區布置，共設置3 組傳輸管道，各個傳輸管道的出口設置在支架后側20 m、40 m、60 m 的位置。灌漿、注CO2的管道布置結構如圖8。

圖8 井下灌漿、注CO2 的管道布置結構（m）

3 應用情況分析

根據對2021 年5 月1 日—2022 年10 月1 日的統計情況，該通風及防滅火系統工作穩定性高。通風系統能夠實現根據井下通風情況智能調節供風系統，在提高井下供風安全性的情況下實現降低供風能耗、提高供風系統的運行穩定性，其具有故障自動監測和預警功能，將通風系統的運行故障率降低了88.9%。火災監測和滅火系統，對火災監測的準確性達到了100%，自投入應用以來，未出現過火災安全事故，極大地提高了井下通風和防滅火的穩定性。

4 結論

對微子鎮煤業井下通風及防滅火系統的設計和應用情況進行了分析，通過中央并列式通風系統及智能化通風控制系統確保了井下通風安全，通過監測預警+綜合防滅火的雙重防滅火方案，提高了井下的防火安全程度。主要包括：

1）JSG9 型束管自動監測系統能夠自動對氧氣、氮氣、甲烷等9 種氣體含量進行監測和分析，實現對火災預兆的提前預警；

2）采用噴射LFM 阻燃、堵漏材料消除采空區漏風、全覆蓋灌注漿液封閉、注液態CO2防火等方式，消除自燃發生的外在條件，采用阻化劑滅火系統實現對起火區域的快速滅火，確保了井下防火的全面、可靠。

3）阻化劑防火體系，以氯化鈣阻化劑為核心，滅火經濟性好。機動式的阻化劑噴灑滅火系統，靈活性高、機動性好，可以實現對不同區域的快速滅火。

4）監測預警+綜合防滅火的雙重防滅火方案，通過預防加滅火系統的方式，建立了集火災監測和火災高效滅火的高效防滅火體系，實現了對井下火災的高效預警和滅火，有效性達100%。