煤矿快速密闭系统与大流量注氮治灾研究及应用

文/肖长亮

热动力灾害是煤矿重点防控对象。在矿井发生火灾，灭火无效或者救援人员无法实施直接灭火时，对灾区进行封闭是最常用的处置措施。传统的封闭方式，存在封闭时间长、强度无法保证等工艺缺陷，且封闭过程灾情随时可能发生变化，对施工人员的安全造成严重威胁。近年来，全国也发生过多起在火区封闭时的伤亡事故。因此，研究工作面生产期间火灾的有效预防及出现灾变时快速、可靠封闭灾区的关键技术非常必要，特别是采用可靠的远程控制方式实现灾区的快速封闭，能最大程度减少人员伤亡。

为此，中国煤炭科工集团沈阳研究院有限公司主持研制了矿井工作面灾害预防及发生灾变时的快速应急密闭处置系统，解决煤矿井下多装备复杂巷道抗冲击快速密闭技术及装备难题，在密闭系统实施关闭后，联动大流量惰气灭火技术对封闭灾区进行应急处置，提升了生产工作面的灾害防治水平，提高了矿井应急管理和处置能力，为矿井安全生产提供了有力保障。

一、总体设计

1. 设计依据

本套快速密闭系统装备设计主要依据的行业法规和技术标准有：AQ1044-2007《矿井密闭防灭火技术规范》《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》《煤矿安全规程》《矿山救援规程》《煤炭工业矿井监测监控系统装备配置标准》《煤矿安全监控系统通用技术要求》《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》等。

2. 快速密闭系统设计

该系统由密闭装置、控制系统、灾害环境监测系统和大流量惰气治灾系统组成，兼具电控气动、气动和手动三种控制方式，能够实现远程联动控制快速密闭，并配合灾害环境监测和大流量惰气治灾系统，起到快速防治灾害的作用。

密闭装置由可拆卸门框、门扇、锁紧结构、手动控制结构、气缸执行结构、电控箱、气控箱等组成；密闭形式有带式输送机巷、单轨吊和轨道巷三种密闭形式。

（1）快速密闭装置结构设计

密闭装置采用Q345材质制作，门框采用分体形式，便于运输和安装。门体采用三层复合结构，最外面一层为抗冲击层，中间层为隔温层，内部为支撑基板。整体结构具有良好的抗冲击性能。密闭门板结构如图1所示。

为适应多装备巷道，该密闭系统采用不同的密闭形式及结构形式：

①跨皮带机密闭装置设计。切断预设位置的皮带机横梁并与密闭墙连接，密闭装置采用上下闭合密封形式，下面支撑基座固定，通过上面密闭装置板的运动实现皮带密闭装置的开闭。

②跨单轨吊密闭装置设计。在快速密闭装置的上方加装一套单轨吊密闭装置，快速密闭装置上横梁采用断开形式，与单轨吊门框通过螺栓结构连接。过单轨吊密闭装置横梁设置为异形横梁，两钢丝绳中间位置向下延伸，与钢丝绳下沿保持水平。过单轨吊密闭装置采用双扇水平旋转密封形式。两扇门体的合缝顶部、中部设计有凹口，分别使钢丝绳和吊轨从凹口中通过，凹口周边选用半柔性密闭橡胶进行边沿口密封包装，确保装置的密封性。

图1 密闭门板结构

③跨轨道巷密闭装置设计。通过预设一段提升轨道，当井下突发灾害需要关闭密闭装置时，把轨道提升到指定位置后，再进行关闭密闭装置指令。

（2）快速密闭装置控制系统设计

密闭装置控制系统兼具电控系统、气控系统、手动控制三种控制方式，可通过地面指挥中心远程控制机巷A、风巷B两套密闭装置实现联动开闭，也可在井下控制中心就地控制密闭装置开闭，更加安全、可靠。快速密闭装置控制系统示意图如图2所示。

3. 大流量惰气治灾

结合矿井巷道实际情况及试验地点工作面布置情况，制订相应的大流量惰气治灾应急处置技术方案。在快速密闭系统实施关闭后，联动大流量注氮灭火技术对封闭灾区进行应急处置，降低密闭区域的瓦斯和氧气含量，有效控制瓦斯突出、火灾发生和蔓延，避免次生灾害发生。

4. 国内外技术对比

本密闭系统采用抗冲击快速密闭装置，可实现巷道内跨轨道、跨带式输送机、跨单轨吊车密闭，优于国内外普遍采用的板闭、砖闭、聚氨酯喷涂密闭、喷胶及轻质混凝土砌块和气囊式密闭；在密闭方式上采用预设、远程/就地控制，电控+气控+手动进行密闭，优于国内外井下现场砌筑密闭方式；在抗冲击强度上指标为0.6MPa，优于国内外轻质密闭无抗冲击强度；密闭时间为2min，优于国内外普遍用时24h以上的时间用量；在大流量注氮方面采用超过5000m3/h的注氮流量，优于国内外1500m3/h～3000m3/h的注氮流量。

二、现场应用

在充分考虑实际应用的情况下，完成密闭装置A、B巷道安装，采用双路气源供气，电控、气控装置调试，环境监测、可视化监控系统布置，地面调度中心控制系统调试，大流量注氮系统安设。分别通过地面调度中心控制，井下远程/就地电控，一键气控，手动控制，紧急逃生控制密闭系统进行开启和关闭，联动大流量注氮系统实施应急处置，验证跨轨道密闭装置、跨皮带输送机密闭装置、跨单轨吊密闭装置整体性能。

图2 控制系统示意图

井下工业性试验结果表明，在提前预设好密闭门系统情况下实现2min 有效隔离封闭火区，达到用人少、快速、密封效果好的目的，充分保障现场抢险救灾人员的生命安全。联动5000m3/h 以上大流量氮气治灾，有效控制瓦斯突出、火灾发生和蔓延，避免次生灾害发生。同时采集环境各种参数并进行数据变化趋势分析，为灾害预警提供了可靠的决策依据。本密闭装备可重复进行利用，可快速安全隔离灾区，防止灾害扩散，保障救援人员生命安全，提高矿井应急管理能力。

三、结语

本套快速密闭系统装备及技术在传统密闭系统基础上进行优化设计，适用于不同矿井、巷道、煤层条件发生火灾、瓦斯、水灾等的灾害处置治理，装备的通用性强，并且结构简单、操作方便，且具有良好的抗冲击性和密封性，弥补了现有密闭方法的诸多缺陷，整个密闭过程不需要作业人员到工作面，保障了人员的生命安全，在灾害发生时能够实现迅速应急处置，达到有效防灾减灾目的，具有很好的推广应用价值。