斜溝煤礦火災(zāi)應(yīng)急隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

郭玉柱

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

井下發(fā)生火災(zāi)時(shí)容易產(chǎn)生大量有毒有害氣體和高溫，同時(shí)發(fā)生二次災(zāi)害，對(duì)礦井安全生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1-2]。準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)及隔離井下災(zāi)變地點(diǎn)，能夠有效減小災(zāi)變地點(diǎn)的氧氣濃度，阻斷井下火災(zāi)蔓延，使得火災(zāi)事故反應(yīng)鏈被切斷[3]，另外，也可為準(zhǔn)確了解井下火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)、編制滅火措施提供依據(jù)。

應(yīng)急控制井下火災(zāi)的重要手段之一為火災(zāi)地點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)。因?yàn)橛绊懙V井火災(zāi)地點(diǎn)環(huán)境因素較多，基于多參數(shù)的火災(zāi)地點(diǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究迫在眉睫[4-5]。

孫繼平等[6-8]通過(guò)對(duì)井下外因火災(zāi)進(jìn)行研究，提出可見(jiàn)光和紅外圖像的礦井外因火災(zāi)識(shí)別方法，說(shuō)明可見(jiàn)光、紅外圖像監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢驗(yàn)了此種監(jiān)測(cè)方法的可行性，為礦井火災(zāi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)提供有效手段；王凱等[9]根據(jù)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，研究火災(zāi)期間風(fēng)煙流區(qū)域聯(lián)動(dòng)控制機(jī)理，基于煙霧傳感器、可調(diào)風(fēng)門等設(shè)施及遠(yuǎn)程調(diào)控，達(dá)到按需分配煙流區(qū)和非煙流區(qū)兩個(gè)并聯(lián)分支的風(fēng)量；陳佩佩[10]設(shè)計(jì)一種礦井火災(zāi)多參數(shù)感知監(jiān)測(cè)裝置，可對(duì)井下溫度和多種氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有利于實(shí)時(shí)了解采空區(qū)環(huán)境參數(shù)，提前預(yù)警，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)采空區(qū)自然發(fā)火。

有效抑制礦井火災(zāi)發(fā)展和蔓延的重要手段之一是實(shí)施火災(zāi)區(qū)域隔離技術(shù)，火區(qū)隔離技術(shù)可充分阻斷二次事故的反應(yīng)鏈，減小火災(zāi)波及面積，降低財(cái)產(chǎn)損失以及人員傷亡[11]。目前井下常規(guī)常用的密閉隔離技術(shù)(聚氨酯噴涂密閉、混凝土密閉墻、噴膠等)無(wú)法實(shí)現(xiàn)將事故鏈快速切斷的目的，難以達(dá)到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)事故地點(diǎn)環(huán)境[12]。

肖長(zhǎng)亮等[13]自主設(shè)計(jì)一種遠(yuǎn)程控制的井下快速密閉裝置，通過(guò)有限元分析，得到門體結(jié)構(gòu)能承受不小于0.6 MPa的瓦斯爆炸沖擊，此設(shè)施可有效縮小事故波及范圍；劉尚明等[14]以玻璃纖維布為原材料，將其作為承力層制造成復(fù)合囊壁材料，通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)此材料達(dá)到難燃材料的等級(jí)，設(shè)計(jì)了氣囊遠(yuǎn)程控制及環(huán)境感知系統(tǒng)，達(dá)到柔性緩沖、快速密閉、遠(yuǎn)程調(diào)控的目的；姜文忠等[15]研發(fā)出組合式模塊化密閉裝置及災(zāi)害環(huán)境可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：密閉裝置可有效封閉火區(qū)，具有很強(qiáng)的抗沖擊能力，以三種控制方式(手動(dòng)、氣控、電控)，達(dá)到遠(yuǎn)程控制快速密閉災(zāi)區(qū)的要求。

此次試驗(yàn)研究通過(guò)自主研發(fā)礦井火災(zāi)應(yīng)急隔離系統(tǒng)，達(dá)到實(shí)時(shí)采集井下火災(zāi)環(huán)境信息并及時(shí)報(bào)警、遠(yuǎn)程控制密閉隔離裝置的目的，快速密閉隔離火災(zāi)地點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

礦井火災(zāi)應(yīng)急隔離系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成：應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層，具體如圖1所示。

圖1 礦井火災(zāi)應(yīng)急隔離系統(tǒng)組成圖

感知層包括紅外攝像儀、多參數(shù)傳感器、壓力傳感器、PLC控制器、囊袋、礦用本安型電磁閥等，其中紅外攝像儀作用是監(jiān)控環(huán)境變化情況、采集視頻信息；多參數(shù)傳感器作用是采集井下環(huán)境參數(shù)；PLC控制器作用是控制電磁閥，傳輸密閉隔離裝置(囊袋)啟動(dòng)及停止充氣命令；壓力傳感器作用是監(jiān)測(cè)密閉隔離裝置(囊袋)氣壓變化情況。

網(wǎng)絡(luò)層包括礦用隔爆光纖交換機(jī)、工業(yè)光纖冗余環(huán)網(wǎng)及局部子環(huán)網(wǎng)等，主要借助礦用RS485有線通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)建工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用Modbus等通信協(xié)議建立網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)[16]。

應(yīng)用層包括Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、監(jiān)控服務(wù)器和文件服務(wù)器等，以井下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析總結(jié)，根據(jù)數(shù)據(jù)第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)井下異常情況并立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，發(fā)布應(yīng)急隔離控制命令。以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)布報(bào)警命令，指導(dǎo)井下危險(xiǎn)地點(diǎn)的作業(yè)人員第一時(shí)間撤離此區(qū)域。

1.2 系統(tǒng)工作流程

礦井火災(zāi)應(yīng)急隔離系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 礦井火災(zāi)應(yīng)急隔離系統(tǒng)工作流程圖

根據(jù)井下實(shí)際生產(chǎn)情況及安全隱患分布情況，提前在危險(xiǎn)地點(diǎn)安設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，借助多參數(shù)傳感器和紅外攝像儀采集預(yù)先設(shè)置好的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)上傳到地面監(jiān)控平臺(tái)。地面人員結(jié)合所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及視頻信息分析研判井下危險(xiǎn)地點(diǎn)情況。當(dāng)傳感器顯示CO氣體濃度開(kāi)始出現(xiàn)增大趨勢(shì)時(shí)，系統(tǒng)立即發(fā)出警報(bào)；當(dāng)CO氣體濃度達(dá)到0.002 4%時(shí)，此區(qū)域作業(yè)人員馬上撤離，并開(kāi)始檢測(cè)系統(tǒng)壓力情況，利用遠(yuǎn)程控制手段啟動(dòng)密閉隔離裝置，通過(guò)局域網(wǎng)指令發(fā)送到位于井下的PLC控制器，利用電磁閥達(dá)到對(duì)囊袋進(jìn)行充氣。囊袋沿著預(yù)先安設(shè)好的滑軌傳動(dòng)系統(tǒng)由存儲(chǔ)倉(cāng)延伸到巷道全斷面，達(dá)到瞬間密閉危險(xiǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急隔離的目的。

在囊袋內(nèi)部中安設(shè)好壓力傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)囊袋氣壓，壓力數(shù)據(jù)沿著PLC控制器、井下基站以及工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)傳遞到地面監(jiān)控平臺(tái)。地面人員依據(jù)井下傳遞上來(lái)的壓力數(shù)據(jù)設(shè)置囊袋充氣時(shí)壓力區(qū)間(300～550 Pa)。若囊袋內(nèi)部壓力比安全壓力范圍下限低時(shí)，對(duì)囊袋立即啟動(dòng)自動(dòng)補(bǔ)氣，保證囊袋氣量充足；若囊袋內(nèi)部壓力接近安全壓力范圍上限時(shí)，自動(dòng)結(jié)束充氣功能，達(dá)到提高密閉效果的目的。

2 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多參數(shù)傳感器

多參數(shù)傳感器包括以下部分：煙霧傳感器、CO傳感器、CH4-CO2傳感器、O2傳感器、溫濕度傳感器、電源模塊、射頻發(fā)射模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、紅外遙控模塊、RS485模塊、液晶顯示器、聲光報(bào)警模塊以及礦用本安型外殼等，各傳感器測(cè)量區(qū)間見(jiàn)表1、組成如圖3所示。

表1 各傳感器精度

圖3 多參數(shù)傳感器組成圖

把CO、CH4-CO2及O2三個(gè)傳感器集成于電路板上，能夠同時(shí)獲得多種氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，突破井下危險(xiǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)參數(shù)單一的難題。另外，使用響應(yīng)速度快、靈敏度高的電化學(xué)氣體傳感器和紅外氣體傳感器。

在多參數(shù)傳感器底部安設(shè)離子式煙霧傳感器，監(jiān)控火災(zāi)地點(diǎn)煙霧情況；在外部設(shè)置濾水片，減少此區(qū)域空氣濕度對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)精度的影響；在外部還設(shè)置顯示屏，能夠?qū)崟r(shí)呈現(xiàn)各類氣體濃度及環(huán)境參數(shù)。在多參數(shù)傳感器預(yù)先留好標(biāo)準(zhǔn)ModbusRTU協(xié)議的RS485通信接口，實(shí)現(xiàn)利用紅外遙控模塊進(jìn)行校準(zhǔn)的目的。

2.2 密閉隔離裝置

密閉隔離裝置包括3個(gè)部分：密閉囊袋、導(dǎo)向軌及PLC控制器。選用彈性好、強(qiáng)度高、氣密性好、質(zhì)量輕的復(fù)合纖維材料加工成囊袋，將強(qiáng)度和彈性較強(qiáng)的塑性纖維柔性骨架結(jié)構(gòu)平行分布安設(shè)在囊袋內(nèi)部。另外，囊袋外側(cè)設(shè)置有泄壓口、導(dǎo)向軌、充填口、密閉壓力監(jiān)測(cè)、多參數(shù)傳感器、攝像儀及啟動(dòng)結(jié)構(gòu)。利用PLC控制器開(kāi)啟囊袋啟動(dòng)結(jié)構(gòu)，沿著導(dǎo)向軌囊袋迅速下落，啟動(dòng)電磁閥，充氣系統(tǒng)開(kāi)始工作，完成囊袋充填氣體，密閉隔離裝置如圖4所示。

圖4 密閉隔離裝置結(jié)構(gòu)圖

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

23114綜放工作面開(kāi)采13號(hào)煤，煤種為氣煤、1/3焦煤，屬于良好的配焦、動(dòng)力及民用煤，屬于Ⅱ類自燃煤層，自然發(fā)火期為84 d，煤塵具有爆炸性，13號(hào)煤的煤厚約為14.56 m，煤層傾角約為8°，工作面傾斜長(zhǎng)度為244 m，采用綜合機(jī)械化低位放頂煤回采，采高為3.8 m，放煤高度10.76 m，采放比約為1∶2.83；現(xiàn)階段正在收尾回撤，由于頂板壓力破碎以及其他因素影響，回撤速度較緩慢，工作面防滅火壓力較大。因此選在山西焦煤西山煤電斜溝煤礦23114膠帶巷口15 m位置和人員定位基站地點(diǎn)安裝火災(zāi)應(yīng)急隔離系統(tǒng)，進(jìn)而開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。23114綜放工作面為上行風(fēng)，23114膠帶巷為矩形煤巷，斷面(寬×高)為5.2 m×3.6 m，如圖5所示，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，在23114膠帶巷15 m位置巷道頂板安裝密閉隔離裝置，若發(fā)生災(zāi)害阻止風(fēng)流進(jìn)入23114綜放工作面；利用壓風(fēng)管路為PLC電磁閥、控制器以及壓力傳感器提供動(dòng)力源，電磁閥的啟停需要通過(guò)PLC控制器進(jìn)行控制，囊袋內(nèi)部壓力情況通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，多參數(shù)傳感器安設(shè)在密閉隔離裝置兩邊5 m處。使用127 V照明電源為PLC控制器供電，監(jiān)測(cè)基站及傳感器由127 V照明電源轉(zhuǎn)換成12 V后進(jìn)行供電。

圖5 裝置安設(shè)地點(diǎn)示意

從地面控制平臺(tái)將控制信號(hào)發(fā)送到密閉隔離裝置，以驗(yàn)證PLC控制器能否開(kāi)啟電磁閥。另外，利用壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充氣階段囊袋內(nèi)壓力變化情況，具體如圖6所示，并觀察囊袋膨脹情況，當(dāng)壓力增大到安全壓力上限550 Pa時(shí)，充氣階段完成。通過(guò)傾斜式壓差計(jì)測(cè)定密閉前后的壓差，具體如圖7所示。

圖6 囊袋內(nèi)部壓力

圖7 密閉前后壓差及漏風(fēng)率

從圖6和圖7發(fā)現(xiàn)，5 min內(nèi)囊袋充氣基本完成，在停止充氣之后，囊袋內(nèi)部壓力幾乎保持不變，基本達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)使用標(biāo)準(zhǔn)。密閉兩側(cè)壓差在800～850 Pa之間波動(dòng)，基本平穩(wěn)變化，漏風(fēng)率處于5%以內(nèi)，符合要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

自主設(shè)計(jì)研發(fā)礦井火災(zāi)應(yīng)急隔離系統(tǒng)，利用多參數(shù)傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度及氣體濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以遠(yuǎn)程控制手段對(duì)密閉隔離裝置進(jìn)行啟停控制，同時(shí)借助壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)囊袋內(nèi)部壓力。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果證明：此系統(tǒng)可完成實(shí)時(shí)采集礦井火災(zāi)區(qū)域各參數(shù)及發(fā)出警報(bào)、遠(yuǎn)程控制密閉隔離裝置等，5 min內(nèi)囊袋可完成充氣，在充氣之后囊袋內(nèi)部氣壓幾乎不變，達(dá)到井下作業(yè)環(huán)境的使用標(biāo)準(zhǔn)。