礦井復雜煤層區(qū)域的綜合防火技術(shù)分析

續(xù)云飛

（晉能控股煤業(yè)集團晉城煤炭事業(yè)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(jīng)成為影響井下綜采作業(yè)效率和安全的核心瓶頸。據(jù)統(tǒng)計，井下煤層的自然事故占據(jù)了整個事故率的20%以上，特別是在復雜煤層條件下，傳統(tǒng)的防滅火方案存在著無法提前預(yù)警、防火滅火成本高的缺陷，嚴重影響了煤礦井下綜采作業(yè)的正常進行。因此，結(jié)合復雜煤層的實際情況，提出了一種新型的綜合防火技術(shù)，該防火技術(shù)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(yù)警體系實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛?、環(huán)境溫度、氧氣濃度的監(jiān)測，判斷火災(zāi)發(fā)生的概率，通過調(diào)整通風系統(tǒng)來實現(xiàn)對防火區(qū)域空氣狀態(tài)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)動態(tài)防火需求。

1 火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

煤礦井下火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的核心在于實時對監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境狀態(tài)進行動態(tài)監(jiān)測，通過判斷環(huán)境中瓦斯、溫度、氧氣濃度等來綜合判斷火災(zāi)發(fā)生的概率[1]，當某一個監(jiān)測指標超標時系統(tǒng)自動調(diào)整局部通風機的運行狀態(tài)，滿足對區(qū)域內(nèi)空氣的快速調(diào)整，實現(xiàn)降低火災(zāi)發(fā)生概率的目的，該火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，該預(yù)警系統(tǒng)采用了分站式監(jiān)測布局結(jié)構(gòu)，每個監(jiān)測分站處設(shè)置有瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、環(huán)境溫度傳感器、氧氣濃度傳感器，用于對區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)情況進行綜合監(jiān)測。各監(jiān)測傳感器的監(jiān)測結(jié)果均會傳輸?shù)奖O(jiān)控分站內(nèi)，在監(jiān)控分站處進行數(shù)據(jù)融合分析。

監(jiān)控分站采用了高性能PLC裝置，用于對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行快速處理和分析，為了避免復雜煤層條件下各監(jiān)測對象含量波動導致的風機頻繁啟動、誤調(diào)節(jié)情況，提高系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性。在監(jiān)控分站內(nèi)采用了多重判別邏輯，在監(jiān)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(tǒng)的調(diào)整邏輯，指揮區(qū)域內(nèi)的通風系統(tǒng)運行，對區(qū)域內(nèi)的空氣狀況進行調(diào)整，降低火災(zāi)發(fā)生的概率。

為了滿足監(jiān)測結(jié)果傳輸可靠性的需求，在該系統(tǒng)內(nèi)采用了CAN數(shù)據(jù)總線傳輸系統(tǒng)，從而有效保障了數(shù)據(jù)傳輸過程中安全性、可靠性和靈敏性的需求。

由于井下環(huán)境中瓦斯、氧氣及溫度的變化均較小，因此需要監(jiān)測傳感器具有極高的靈敏性，避免數(shù)據(jù)信號傳輸時因強度不足而導致的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。經(jīng)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 非集成式智能傳感器結(jié)構(gòu)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(jiān)測信息進行監(jiān)控，然后將監(jiān)測結(jié)果傳輸給信號放大器進行信號放大處理，提高抗干擾性，轉(zhuǎn)換完成后還需要進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，提高數(shù)據(jù)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(xiàn)場總線傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

2 膠體阻化泡沫防火方案

由于傳統(tǒng)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(yīng)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(shè)計，其穩(wěn)定性和經(jīng)濟性直接關(guān)系到該滅火系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性，新的膠體阻化劑泡沫滅火裝置整體結(jié)構(gòu)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(nèi)，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?；旌弦后w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(fā)泡裝置1內(nèi)進行初級發(fā)泡，發(fā)泡完成后再發(fā)泡濾網(wǎng)處進行過濾和流速調(diào)整，最后再進入到發(fā)泡裝置2內(nèi)進一步發(fā)泡提升混合劑利用率和發(fā)泡倍數(shù)。發(fā)泡完成后通過進氣口通入高壓空氣，壓迫發(fā)泡劑從阻化劑出口位置流向管路，最終完成在指定區(qū)域的阻化滅火。

圖3 阻化劑發(fā)泡裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該膠體阻化泡沫防火裝置的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高，發(fā)泡效率高，從而實現(xiàn)了對大面積防火區(qū)域快速滅火的需求。根據(jù)實際驗證該滅火方案的效率比傳統(tǒng)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(jīng)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(huán)境影響的優(yōu)點，根據(jù)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(qū)注氮防火[4]。

下隅角注氮。在采面下隅角老塘埋設(shè)注N2高頂管，每間隔15 m在下隅角老塘埋設(shè)一趟Φ108 mm鋼管，鋼管接設(shè)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(huán)進行。

上幅采空區(qū)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(qū)施工兩個鉆孔，鉆孔深入到上幅采空區(qū)內(nèi)，其中：一個鉆孔用于對上幅采空區(qū)注N2，進一步墮化采空區(qū)內(nèi)氣體；另一個鉆孔作為觀測孔，用于檢測上幅采空區(qū)內(nèi)氣體變化及取樣化驗，上好U型壓差計，通過調(diào)節(jié)上幅采空區(qū)注N2與CH4抽采量，將上幅采空區(qū)壓力控制在0～50 Pa為宜。

4 結(jié)論

1）該火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)采用了分站式監(jiān)測布局結(jié)構(gòu)，確保了各個監(jiān)測區(qū)域的獨立運行，采用CAN數(shù)據(jù)總線傳輸系統(tǒng)，有效保障了數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高，發(fā)泡效率高，滅火方效率比傳統(tǒng)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(jīng)濟性。

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