煤矿井下综合防火技术的研究

潘恩宝

（阜新矿业（集团）有限责任公司矿山救护大队，辽宁 阜新 123000）

恒大煤矿于1978 年建井，1987 年10 月开始投入生产，井田面积10.806 7 km2，矿井的设计产量为120 万t/a。开采煤层为下白垩系阜新组，目前包括6 个煤层群，平均总厚40.35 m，煤种主要为长焰煤和气煤。

该煤矿为煤与瓦斯突出矿井，矿井通风方式为混合式通风，通风方法为抽出式，由副井和北翼副井入风，主井和北翼回风井回风。矿井总入风量为13 498 m3/min，煤矿的总回风量为13 798 m3/min，矿井等积孔5.6 m2。矿井瓦斯抽采率为74.3%。根据山西省煤炭工业厅测试中心对该矿煤层采样测试，煤层的吸氧量为0.62 cm3/g，自燃倾向性等级为Ⅱ，为自燃煤层，最短自然发火期85 d，给煤矿井下的综采安全造成了极大的隐患。

恒大煤矿技术攻关小组通过对大量煤矿井下火灾事故的分析，确定煤矿井下防火的关键在于快速报警和快速扑灭，因此建立了以JSG-8 型矿井火灾束管监测系统为核心的监控系统，对井下相关区域的O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等气体含量进行监测。经过对自然火灾标志气体（CO、CO2、烷烃以及炔烃）的确定和分析，及时预测预报发火点的温度变化，然后针对快速灭火的需求，提出了以凝胶防火、阻化剂防火为核心的快速灭火系统。根据在恒大煤矿的实际应用表明，该综合防火系统能够实现对井下火灾的快速发现、快速扑灭，提升了恒大煤矿井下综采作业的安全性，目前该技术方案已经在恒大煤业各煤矿得到了广泛的应用。

1 井下防火监控系统

结合恒大煤业井下实际情况，对重点防火区域的火灾监测采用了JSG-8 型矿井火灾束管监测系统，该系统主要包括了测点传感器、束管分路箱、束管、控制柜、气相色谱仪、真空泵组、监控主机等。在运行过程中系统首先在真空泵的作用下，使束管形成负压，在内外气压差的作用下巷道内的气体被吸入到束管内。电磁阀在系统控制作用下打开对应的阀门使对应束管内的气体进入到气相色谱仪内，色谱仪进行采样分析，获取分析结果，经过数据转换处理后将分析结果以图谱的形式显示出来，实现对井下监测区域内火灾情况的自动监测。该束管监测系统的结构如图1 所示。

图1 束管监测系统结构

2 阻化剂灭火系统

常用的阻化剂主要包括水玻璃阻化剂、氢氧化钙阻化剂及工业氯化镁阻化剂、工业氯化钙阻化剂，经过对各类阻化剂的应用环境、价格和使用安全性的综合对比，最终恒大煤业选择了成本低、供应稳定性好的工业氯化钙阻化剂[1-2]。

阻化剂灭火系统及喷洒工艺选择采用了表面喷洒阻化剂工艺，在煤矿井下接近综采面的位置设置两个阻化剂的存储箱，一用一备，交替使用。首先将浓度为14%的工业氯化钙倒入到容器内，将清水加入到容器中不断搅拌，直到工业氯化钙完全溶解并混合均匀。然后用放置在快速转运小车上的BH-160/12.5-G 型阻化剂喷洒泵将阻化液通过高压软管传输到灭火工作面上。在每一个喷洒泵上都设置有一个喷枪，工作时由专门的作业人员用喷枪进行均匀的喷洒。正常回采期间对综采面、上隅角、下隅角、煤壁等关键位置每天喷洒一次，为了避免影响综采效率，每次喷洒均安排在设备检修期间进行。恒大煤业井下阻化剂喷洒系统结构示意图如图2。

图2 井下阻化剂喷洒系统结构示意图

3 胶凝剂灭火系统

由于煤矿安全规程规定，采用凝胶灭火时，要求凝胶能够充满空间且对人体和环境无害，因此综合选择后恒大煤业确定选用水玻璃和碳酸氢铵混合基材的胶凝剂。

为了满足井下快速灭火的技术要求，胶凝剂的成胶时间不得超过30 s，因此通过对水玻璃和碳酸氢铵的配比对成胶时间的影响，最终确定了水玻璃和碳酸氢铵按1:10 的配比时[3]，具有最佳的成胶速度和经济性。

根据恒大煤矿井下的实际情况，结合管路布置便捷性和输送距离，最终确定在灭火区域采用插管式注胶和打钻式注胶两种相结合的方案。插管注胶是指向工作面上、下隅角打密闭墙或支架后部插入胶管，注胶管的深度、方位、倾角等根据高温点的位置确定。打钻注胶是指在临近巷道内每隔一段距离向采空区打孔注胶，钻孔直径一般为89 mm，钻孔间距根据成胶时间和覆盖范围由现场实际确定。恒大煤业井下防火区注凝胶流程如图3[4]。

图3 煤矿井下注凝胶示意图

根据恒大煤业井下的实际情况，在注凝胶时采用了两组XD-1 型大功率防火凝胶泵，一用一备。该设备采用全自动配比模式，能够自动对基料进行混合，混合完成后经过三组出口传输到指定的区域。恒大煤业采用的材料配比能够确保胶凝剂在1 min内形成固态，从而满足了快速灭火和堵漏的需求。

由于胶凝剂为半固态混合流体，在管路内传递时会产生较大的传动阻力，因此对管路长度和直径的要求较为严格，恒大煤业经过实际验证，所选择的管路参数见表1。

表1 管路参数汇总表

该综合防火系统在恒大煤业投入使用以来能够通过监控系统对井下重点防火区域进行连续不间断监测，对火灾发生的预警准确性达到了100%，有效防止了井下火灾的蔓延。阻化剂灭火系统和胶凝剂灭火系统反应快速，能够在第一时间将起火区域进行隔离灭火，自该系统投入应用以来，恒大煤业未再出现因起火导致的安全事故，显著提升了井下的安全性。

4 结论

针对恒大煤矿井下煤层易自燃、危险性大的隐患，建立了以火灾监控为核心的防火监测系统及以凝胶防火、阻化剂防火为核心的灭火系统，实现了对突发火灾事故的快速报警和有效灭火，根据实际应用表明：

（1）束管监测系统能及时预测预报发火点的温度变化，实现对井下火灾的及时预警和监测；

（2）阻化剂灭火系统，以工业氯化钙为阻化剂，采用表面喷洒工艺，成本低，灭火效果好；

（3）胶凝剂灭火系统，水玻璃和碳酸氢铵按1:10 的比例配比能够在1 min 内形成固态效果，满足了快速灭火和堵漏的需求。