煤礦快速密閉系統(tǒng)與大流量注氮治災(zāi)研究及應(yīng)用

文/肖長亮

熱動(dòng)力災(zāi)害是煤礦重點(diǎn)防控對(duì)象。在礦井發(fā)生火災(zāi)，滅火無效或者救援人員無法實(shí)施直接滅火時(shí)，對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行封閉是最常用的處置措施。傳統(tǒng)的封閉方式，存在封閉時(shí)間長、強(qiáng)度無法保證等工藝缺陷，且封閉過程災(zāi)情隨時(shí)可能發(fā)生變化，對(duì)施工人員的安全造成嚴(yán)重威脅。近年來，全國也發(fā)生過多起在火區(qū)封閉時(shí)的傷亡事故。因此，研究工作面生產(chǎn)期間火災(zāi)的有效預(yù)防及出現(xiàn)災(zāi)變時(shí)快速、可靠封閉災(zāi)區(qū)的關(guān)鍵技術(shù)非常必要，特別是采用可靠的遠(yuǎn)程控制方式實(shí)現(xiàn)災(zāi)區(qū)的快速封閉，能最大程度減少人員傷亡。

為此，中國煤炭科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司主持研制了礦井工作面災(zāi)害預(yù)防及發(fā)生災(zāi)變時(shí)的快速應(yīng)急密閉處置系統(tǒng)，解決煤礦井下多裝備復(fù)雜巷道抗沖擊快速密閉技術(shù)及裝備難題，在密閉系統(tǒng)實(shí)施關(guān)閉后，聯(lián)動(dòng)大流量惰氣滅火技術(shù)對(duì)封閉災(zāi)區(qū)進(jìn)行應(yīng)急處置，提升了生產(chǎn)工作面的災(zāi)害防治水平，提高了礦井應(yīng)急管理和處置能力，為礦井安全生產(chǎn)提供了有力保障。

一、總體設(shè)計(jì)

1. 設(shè)計(jì)依據(jù)

本套快速密閉系統(tǒng)裝備設(shè)計(jì)主要依據(jù)的行業(yè)法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有：AQ1044-2007《礦井密閉防滅火技術(shù)規(guī)范》《煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)管理暫行規(guī)定》《煤礦安全規(guī)程》《礦山救援規(guī)程》《煤炭工業(yè)礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)裝備配置標(biāo)準(zhǔn)》《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范》等。

2. 快速密閉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由密閉裝置、控制系統(tǒng)、災(zāi)害環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和大流量惰氣治災(zāi)系統(tǒng)組成，兼具電控氣動(dòng)、氣動(dòng)和手動(dòng)三種控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)控制快速密閉，并配合災(zāi)害環(huán)境監(jiān)測和大流量惰氣治災(zāi)系統(tǒng)，起到快速防治災(zāi)害的作用。

密閉裝置由可拆卸門框、門扇、鎖緊結(jié)構(gòu)、手動(dòng)控制結(jié)構(gòu)、氣缸執(zhí)行結(jié)構(gòu)、電控箱、氣控箱等組成；密閉形式有帶式輸送機(jī)巷、單軌吊和軌道巷三種密閉形式。

（1）快速密閉裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

密閉裝置采用Q345材質(zhì)制作，門框采用分體形式，便于運(yùn)輸和安裝。門體采用三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，最外面一層為抗沖擊層，中間層為隔溫層，內(nèi)部為支撐基板。整體結(jié)構(gòu)具有良好的抗沖擊性能。密閉門板結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為適應(yīng)多裝備巷道，該密閉系統(tǒng)采用不同的密閉形式及結(jié)構(gòu)形式：

①跨皮帶機(jī)密閉裝置設(shè)計(jì)。切斷預(yù)設(shè)位置的皮帶機(jī)橫梁并與密閉墻連接，密閉裝置采用上下閉合密封形式，下面支撐基座固定，通過上面密閉裝置板的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)皮帶密閉裝置的開閉。

②跨單軌吊密閉裝置設(shè)計(jì)。在快速密閉裝置的上方加裝一套單軌吊密閉裝置，快速密閉裝置上橫梁采用斷開形式，與單軌吊門框通過螺栓結(jié)構(gòu)連接。過單軌吊密閉裝置橫梁設(shè)置為異形橫梁，兩鋼絲繩中間位置向下延伸，與鋼絲繩下沿保持水平。過單軌吊密閉裝置采用雙扇水平旋轉(zhuǎn)密封形式。兩扇門體的合縫頂部、中部設(shè)計(jì)有凹口，分別使鋼絲繩和吊軌從凹口中通過，凹口周邊選用半柔性密閉橡膠進(jìn)行邊沿口密封包裝，確保裝置的密封性。

圖1 密閉門板結(jié)構(gòu)

③跨軌道巷密閉裝置設(shè)計(jì)。通過預(yù)設(shè)一段提升軌道，當(dāng)井下突發(fā)災(zāi)害需要關(guān)閉密閉裝置時(shí)，把軌道提升到指定位置后，再進(jìn)行關(guān)閉密閉裝置指令。

（2）快速密閉裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

密閉裝置控制系統(tǒng)兼具電控系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)、手動(dòng)控制三種控制方式，可通過地面指揮中心遠(yuǎn)程控制機(jī)巷A、風(fēng)巷B兩套密閉裝置實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)開閉，也可在井下控制中心就地控制密閉裝置開閉，更加安全、可靠。快速密閉裝置控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

3. 大流量惰氣治災(zāi)

結(jié)合礦井巷道實(shí)際情況及試驗(yàn)地點(diǎn)工作面布置情況，制訂相應(yīng)的大流量惰氣治災(zāi)應(yīng)急處置技術(shù)方案。在快速密閉系統(tǒng)實(shí)施關(guān)閉后，聯(lián)動(dòng)大流量注氮滅火技術(shù)對(duì)封閉災(zāi)區(qū)進(jìn)行應(yīng)急處置，降低密閉區(qū)域的瓦斯和氧氣含量，有效控制瓦斯突出、火災(zāi)發(fā)生和蔓延，避免次生災(zāi)害發(fā)生。

4. 國內(nèi)外技術(shù)對(duì)比

本密閉系統(tǒng)采用抗沖擊快速密閉裝置，可實(shí)現(xiàn)巷道內(nèi)跨軌道、跨帶式輸送機(jī)、跨單軌吊車密閉，優(yōu)于國內(nèi)外普遍采用的板閉、磚閉、聚氨酯噴涂密閉、噴膠及輕質(zhì)混凝土砌塊和氣囊式密閉；在密閉方式上采用預(yù)設(shè)、遠(yuǎn)程/就地控制，電控+氣控+手動(dòng)進(jìn)行密閉，優(yōu)于國內(nèi)外井下現(xiàn)場砌筑密閉方式；在抗沖擊強(qiáng)度上指標(biāo)為0.6MPa，優(yōu)于國內(nèi)外輕質(zhì)密閉無抗沖擊強(qiáng)度；密閉時(shí)間為2min，優(yōu)于國內(nèi)外普遍用時(shí)24h以上的時(shí)間用量；在大流量注氮方面采用超過5000m3/h的注氮流量，優(yōu)于國內(nèi)外1500m3/h～3000m3/h的注氮流量。

二、現(xiàn)場應(yīng)用

在充分考慮實(shí)際應(yīng)用的情況下，完成密閉裝置A、B巷道安裝，采用雙路氣源供氣，電控、氣控裝置調(diào)試，環(huán)境監(jiān)測、可視化監(jiān)控系統(tǒng)布置，地面調(diào)度中心控制系統(tǒng)調(diào)試，大流量注氮系統(tǒng)安設(shè)。分別通過地面調(diào)度中心控制，井下遠(yuǎn)程/就地電控，一鍵氣控，手動(dòng)控制，緊急逃生控制密閉系統(tǒng)進(jìn)行開啟和關(guān)閉，聯(lián)動(dòng)大流量注氮系統(tǒng)實(shí)施應(yīng)急處置，驗(yàn)證跨軌道密閉裝置、跨皮帶輸送機(jī)密閉裝置、跨單軌吊密閉裝置整體性能。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

井下工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，在提前預(yù)設(shè)好密閉門系統(tǒng)情況下實(shí)現(xiàn)2min 有效隔離封閉火區(qū)，達(dá)到用人少、快速、密封效果好的目的，充分保障現(xiàn)場搶險(xiǎn)救災(zāi)人員的生命安全。聯(lián)動(dòng)5000m3/h 以上大流量氮?dú)庵螢?zāi)，有效控制瓦斯突出、火災(zāi)發(fā)生和蔓延，避免次生災(zāi)害發(fā)生。同時(shí)采集環(huán)境各種參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)變化趨勢分析，為災(zāi)害預(yù)警提供了可靠的決策依據(jù)。本密閉裝備可重復(fù)進(jìn)行利用，可快速安全隔離災(zāi)區(qū)，防止災(zāi)害擴(kuò)散，保障救援人員生命安全，提高礦井應(yīng)急管理能力。

三、結(jié)語

本套快速密閉系統(tǒng)裝備及技術(shù)在傳統(tǒng)密閉系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，適用于不同礦井、巷道、煤層條件發(fā)生火災(zāi)、瓦斯、水災(zāi)等的災(zāi)害處置治理，裝備的通用性強(qiáng)，并且結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，且具有良好的抗沖擊性和密封性，彌補(bǔ)了現(xiàn)有密閉方法的諸多缺陷，整個(gè)密閉過程不需要作業(yè)人員到工作面，保障了人員的生命安全，在災(zāi)害發(fā)生時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)迅速應(yīng)急處置，達(dá)到有效防災(zāi)減災(zāi)目的，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。