斜沟煤矿火灾应急隔离系统设计研究

郭玉柱

(山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 吕梁 033602)

井下发生火灾时容易产生大量有毒有害气体和高温，同时发生二次灾害，对矿井安全生产产生严重影响[1-2]。准确监测及隔离井下灾变地点，能够有效减小灾变地点的氧气浓度，阻断井下火灾蔓延，使得火灾事故反应链被切断[3]，另外，也可为准确了解井下火灾发展趋势、编制灭火措施提供依据。

应急控制井下火灾的重要手段之一为火灾地点的环境参数监测。因为影响矿井火灾地点环境因素较多，基于多参数的火灾地点监测技术的研究迫在眉睫[4-5]。

孙继平等[6-8]通过对井下外因火灾进行研究，提出可见光和红外图像的矿井外因火灾识别方法，说明可见光、红外图像监测的优点，现场试验检验了此种监测方法的可行性，为矿井火灾环境参数监测提供有效手段；王凯等[9]根据矿井通风网络结构，研究火灾期间风烟流区域联动控制机理，基于烟雾传感器、可调风门等设施及远程调控，达到按需分配烟流区和非烟流区两个并联分支的风量；陈佩佩[10]设计一种矿井火灾多参数感知监测装置，可对井下温度和多种气体进行监测，有利于实时了解采空区环境参数，提前预警，第一时间发现采空区自然发火。

有效抑制矿井火灾发展和蔓延的重要手段之一是实施火灾区域隔离技术，火区隔离技术可充分阻断二次事故的反应链，减小火灾波及面积，降低财产损失以及人员伤亡[11]。目前井下常规常用的密闭隔离技术(聚氨酯喷涂密闭、混凝土密闭墙、喷胶等)无法实现将事故链快速切断的目的，难以达到实时动态监测事故地点环境[12]。

肖长亮等[13]自主设计一种远程控制的井下快速密闭装置，通过有限元分析，得到门体结构能承受不小于0.6 MPa的瓦斯爆炸冲击，此设施可有效缩小事故波及范围；刘尚明等[14]以玻璃纤维布为原材料，将其作为承力层制造成复合囊壁材料，通过试验检验此材料达到难燃材料的等级，设计了气囊远程控制及环境感知系统，达到柔性缓冲、快速密闭、远程调控的目的；姜文忠等[15]研发出组合式模块化密闭装置及灾害环境可视化监测系统，现场试验结果表明：密闭装置可有效封闭火区，具有很强的抗冲击能力，以三种控制方式(手动、气控、电控)，达到远程控制快速密闭灾区的要求。

此次试验研究通过自主研发矿井火灾应急隔离系统，达到实时采集井下火灾环境信息并及时报警、远程控制密闭隔离装置的目的，快速密闭隔离火灾地点。

1 系统设计

1.1 系统组成

矿井火灾应急隔离系统主要由3个部分组成：应用层、网络层和感知层，具体如图1所示。

图1 矿井火灾应急隔离系统组成图

感知层包括红外摄像仪、多参数传感器、压力传感器、PLC控制器、囊袋、矿用本安型电磁阀等，其中红外摄像仪作用是监控环境变化情况、采集视频信息；多参数传感器作用是采集井下环境参数；PLC控制器作用是控制电磁阀，传输密闭隔离装置(囊袋)启动及停止充气命令；压力传感器作用是监测密闭隔离装置(囊袋)气压变化情况。

网络层包括矿用隔爆光纤交换机、工业光纤冗余环网及局部子环网等，主要借助矿用RS485有线通信网络、无线传感器网络，以井下环网交换机构建工业以太网络系统，利用Modbus等通信协议建立网络传输平台[16]。

应用层包括Web服务器、数据库服务器、监控服务器和文件服务器等，以井下传输的数据为基础进行分析总结，根据数据第一时间发现井下异常情况并立即启动应急预案，发布应急隔离控制命令。以实时监测数据发布报警命令，指导井下危险地点的作业人员第一时间撤离此区域。

1.2 系统工作流程

矿井火灾应急隔离系统工作流程如图2所示。

图2 矿井火灾应急隔离系统工作流程图

根据井下实际生产情况及安全隐患分布情况，提前在危险地点安设监测点，借助多参数传感器和红外摄像仪采集预先设置好的测点数据，同时上传到地面监控平台。地面人员结合所监测数据及视频信息分析研判井下危险地点情况。当传感器显示CO气体浓度开始出现增大趋势时，系统立即发出警报；当CO气体浓度达到0.002 4%时，此区域作业人员马上撤离，并开始检测系统压力情况，利用远程控制手段启动密闭隔离装置，通过局域网指令发送到位于井下的PLC控制器，利用电磁阀达到对囊袋进行充气。囊袋沿着预先安设好的滑轨传动系统由存储仓延伸到巷道全断面，达到瞬间密闭危险区域，实现应急隔离的目的。

在囊袋内部中安设好压力传感器实现实时监测囊袋气压，压力数据沿着PLC控制器、井下基站以及工业以太网络传递到地面监控平台。地面人员依据井下传递上来的压力数据设置囊袋充气时压力区间(300～550 Pa)。若囊袋内部压力比安全压力范围下限低时，对囊袋立即启动自动补气，保证囊袋气量充足；若囊袋内部压力接近安全压力范围上限时，自动结束充气功能，达到提高密闭效果的目的。

2 实现系统运行的关键技术

2.1 多参数传感器

多参数传感器包括以下部分：烟雾传感器、CO传感器、CH4-CO2传感器、O2传感器、温湿度传感器、电源模块、射频发射模块、数据转换模块、红外遥控模块、RS485模块、液晶显示器、声光报警模块以及矿用本安型外壳等，各传感器测量区间见表1、组成如图3所示。

表1 各传感器精度

图3 多参数传感器组成图

把CO、CH4-CO2及O2三个传感器集成于电路板上，能够同时获得多种气体监测数据，突破井下危险区域监测参数单一的难题。另外，使用响应速度快、灵敏度高的电化学气体传感器和红外气体传感器。

在多参数传感器底部安设离子式烟雾传感器，监控火灾地点烟雾情况；在外部设置滤水片，减少此区域空气湿度对传感器监测精度的影响；在外部还设置显示屏，能够实时呈现各类气体浓度及环境参数。在多参数传感器预先留好标准ModbusRTU协议的RS485通信接口，实现利用红外遥控模块进行校准的目的。

2.2 密闭隔离装置

密闭隔离装置包括3个部分：密闭囊袋、导向轨及PLC控制器。选用弹性好、强度高、气密性好、质量轻的复合纤维材料加工成囊袋，将强度和弹性较强的塑性纤维柔性骨架结构平行分布安设在囊袋内部。另外，囊袋外侧设置有泄压口、导向轨、充填口、密闭压力监测、多参数传感器、摄像仪及启动结构。利用PLC控制器开启囊袋启动结构，沿着导向轨囊袋迅速下落，启动电磁阀，充气系统开始工作，完成囊袋充填气体，密闭隔离装置如图4所示。

图4 密闭隔离装置结构图

3 现场试验

23114综放工作面开采13号煤，煤种为气煤、1/3焦煤，属于良好的配焦、动力及民用煤，属于Ⅱ类自燃煤层，自然发火期为84 d，煤尘具有爆炸性，13号煤的煤厚约为14.56 m，煤层倾角约为8°，工作面倾斜长度为244 m，采用综合机械化低位放顶煤回采，采高为3.8 m，放煤高度10.76 m，采放比约为1∶2.83；现阶段正在收尾回撤，由于顶板压力破碎以及其他因素影响，回撤速度较缓慢，工作面防灭火压力较大。因此选在山西焦煤西山煤电斜沟煤矿23114胶带巷口15 m位置和人员定位基站地点安装火灾应急隔离系统，进而开展现场试验。23114综放工作面为上行风，23114胶带巷为矩形煤巷，断面(宽×高)为5.2 m×3.6 m，如图5所示，根据现场实际条件，在23114胶带巷15 m位置巷道顶板安装密闭隔离装置，若发生灾害阻止风流进入23114综放工作面；利用压风管路为PLC电磁阀、控制器以及压力传感器提供动力源，电磁阀的启停需要通过PLC控制器进行控制，囊袋内部压力情况通过压力传感器进行实时监测，多参数传感器安设在密闭隔离装置两边5 m处。使用127 V照明电源为PLC控制器供电，监测基站及传感器由127 V照明电源转换成12 V后进行供电。

图5 装置安设地点示意

从地面控制平台将控制信号发送到密闭隔离装置，以验证PLC控制器能否开启电磁阀。另外，利用压力传感器实时监测充气阶段囊袋内压力变化情况，具体如图6所示，并观察囊袋膨胀情况，当压力增大到安全压力上限550 Pa时，充气阶段完成。通过倾斜式压差计测定密闭前后的压差，具体如图7所示。

图6 囊袋内部压力

图7 密闭前后压差及漏风率

从图6和图7发现，5 min内囊袋充气基本完成，在停止充气之后，囊袋内部压力几乎保持不变，基本达到现场使用标准。密闭两侧压差在800～850 Pa之间波动，基本平稳变化，漏风率处于5%以内，符合要求。

4 结 语

自主设计研发矿井火灾应急隔离系统，利用多参数传感器对现场温度、湿度及气体浓度等数据进行采集，以远程控制手段对密闭隔离装置进行启停控制，同时借助压力传感器实时监测囊袋内部压力。现场试验结果证明：此系统可完成实时采集矿井火灾区域各参数及发出警报、远程控制密闭隔离装置等，5 min内囊袋可完成充气，在充气之后囊袋内部气压几乎不变，达到井下作业环境的使用标准。