微子镇煤业综合防灭火系统的构建

王 煜

（晋能控股集团三元微子镇煤业有限公司，山西 长治 047500）

三元微子镇煤业有限公司矿井生产能力为60万t/a，矿井井田面积4.512 6 km2，可采煤层为15号煤层。采煤工作面实际需要风量主要根据工作面瓦斯、二氧化碳涌出量，兼顾工作面温度、风速和工作面环境卫生条件进行计算，并取其中的最大值。根据山西省煤炭工业局综合测试中心2010 年9 月提交的《山西煤炭运销集团三元微子镇煤业有限公司矿井瓦斯涌出量预测报告》，三元微子镇煤矿开采15 号煤层以60 万t/a 产量生产时，矿井最大绝对瓦斯涌出量为3.28 m3/min，最大相对涌出量为2.60 m3/t，属低瓦斯矿井。

该矿井为五个煤矿的整合矿井，共布置主斜井、副斜井、回风立井三个井筒。主斜井担负矿井原煤运输、人员提升兼进风任务，副斜井担负矿井辅助运输兼进风任务，回风立井担负矿井回风任务。

由于井下采空区和综采区分布范围广，井下煤层自燃概率较大，传统的人工巡查式或者单点监测式的防灭火方案无法满足井下防灭火的安全性要求。在对井下煤层和采空区分布情况分析后，采用了监测预警+综合防灭火的双重防灭火方案，利用JSG9 矿井火灾束管监测系统对煤层自然发火进行动态连续监测，利用采空区灌浆、喷洒阻化剂的综合灭火系统，提高了对井下火灾的防火可靠性。

该煤矿通风系统能够自动实现对井下的精确供风，防灭火监测及灭火系统工作稳定性好，有效确保了三元微子镇煤业井下综采作业的安全性。

1 矿井通风系统分析

矿井开采15 号煤层，15 号煤层一采区采用综采一次采全高采煤法进行回采。回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为1.71 m3/min，最大相对涌出量为1.48 m3/t。根据实际计算，矿井总进风量为89 m3/s，其中主斜井进风量40 m3/s，副斜井进风量49 m3/s，回风立井回风量89 m3/s。

为了保证井下通风安全性，系统采用了变频功率、阻力、风量、瓦斯浓度智能匹配的通风控制模型[1]，能够实现不停风倒机、智能反风、按需供风等。其控制系统结构如图1 所示。

图1 矿井智能通风控制系统结构示意图

该系统将井下瓦斯浓度监测模块的数据信息作为系统调节的基础信号，利用传感器对井下巷道内瓦斯、一氧化碳等有害气体、气流情况等进行监测来确定井下通风的状态。当危险气体含量超标或者供风量不足时，系统自动发出调整信号，实现矿井通风系统的自动调节和预警。

2 防灭火系统

矿井15 号煤层属自燃煤层，矿上采用了监测预警+综合防灭火的双重防灭火方案。通过预防加灭火系统的方式，建立了集火灾监测和火灾高效灭火的高效防灭火体系。火灾监测主要是利用JSG9矿井火灾束管监测系统对煤层自然发火进行动态连续监测；火灾高效灭火主要是建立以采空区灌浆为主、喷洒阻化剂为辅的综合灭火系统。

2.1 矿井火灾束管监测系统

2.1.1 监测系统结构及原理

JSG9 型井下束管自动监测系统能够在获取空气样本后自动对样本中的氧气、氮气、甲烷等9 种气体含量进行监测和分析，每次采样分析实际时间小于6 min。该系统能够根据监测系统的程序设定进行连续监控，从而能够及时对井下监测区域内气体的变化情况进行预警。当监测到火灾发生标志性气体（甲烷、二氧化碳、一氧化碳）时，系统自动进行预报，从而实现对火灾预兆的提前预警。

为了满足监测精确性的需求，JSG9 束管监测系统主要包括了束管专用色谱仪、抽气泵、滤尘装置等，提高了在煤矿井下复杂环境下工作的稳定性和可靠性。该监测系统的整体结构布局如图2 所示[2]。

图2 JSG9 煤矿火灾束管监测系统布置图

为了确保对井下气体监测的准确性，系统首先启动抽气泵，使管路系统中形成一个真空负压环境，然后在内外压差的作用下，外界空气进入到束管内。为了防止井下粉尘堵塞分析系统，管口设置过滤装置，对粉尘起到一个阻挡作用。气体进入到气相色谱仪器内后，仪器开始对内部的空气样本进行检查，并将检查结果传输到采样数据传输接口上，经过数据信号的放大和数据转换后，形成监测谱图及监测结果。该系统由于实现了无人化采集，因此能够实现对井下空气状态的动态监测，通过对监测数据的分析，确定井下自然发火状态信息并进行预警。

2.1.2 监测点设置方案

监测点设置的基本原则是要保证对井下火源监测的精确性。根据井下实际地质情况，可以将煤矿井下火灾监测点分为固定式、移动式和临时式，有效地提升了井下数据监测的灵活性和精确性[3]。

在采空区的监测点主要是随着综采面推进埋入到采空区，在每个综采面上设置6 个监测点，然后在运输巷采空区、回风顺槽采空区内各设置3 个监测点，每个监测点之间的距离为60 mm。当监测区域内的氧气浓度降低到5%以下后，则可以转移该监测点，并在新的监测区域布置监测点。井下采空区监测点布置结构如图3（a）所示。

图3 井下监测点布置示意图

工作面正常封闭后，需要在综采面的进风侧或者回风侧设置观测孔，然后在密闭内设置一个观测点，提高综采面气体状态的监测准确性。其结构布置如图3（b）所示。

2.2 井下防灭火系统

微子镇煤业井下的防灭火系统采用了以采空区灌浆为主，喷洒阻化剂、喷射LFM 堵漏、注液态CO2灭火为辅的综合灭火方案，提高井下综采面防火的可靠性。

2.2.1 灌浆防火技术分析

微子镇煤业井下采用了KDZS-1型灌浆系统[4]。结合现场实际，在煤矿的工业厂处建立了2 个搅拌池以及1 个注浆池，两个池子的深度和直径均设置为2 m。池子采用砖砌后外侧均匀涂抹水泥，池子上侧设置一个搅拌器，搅拌池的下侧设置有出料口。在注浆池的前面设置有孔径为10 mm 的过滤装置，避免灌浆系统在工作过程中被堵塞。在注浆池和搅拌池的侧面设置2 个尺寸为0.8 m×0.8 m×2 m 的泵坑，分别设置泥沙泵。该灌注系统的整体布局如图4 所示[5]。

图4 灌浆系统布置结构示意图（m）

为了提高灌浆时的稳定性，井下灌浆系统采用了埋管灌浆的模式。首先沿着回采综采面的回风顺槽预埋20 m 的灌浆管道，管道的一端连通采空区，另一端连通胶管，胶管的长度在30～40 m 之间，根据综采面的推进而逐步移动。为了提高操作的便捷性，灌浆管的牵引可以采用回柱绞车，每隔一定的距离灌浆一次。埋管灌浆结构如图5 所示。

图5 埋管灌浆结构示意图

泥浆的水固比是反映泥浆浓度的指标，是指泥浆中水与固体浆材的体积之比。水固比的大小影响着注浆的效果和泥浆的输送。泥浆的水固比越小，则泥浆浓度越大，其黏度、稳定性和致密性也越大，包裹遗煤隔离氧气的效果也越好，但同时流散范围也越小，输浆管路容易堵塞；水固比大，则输送相同体积的土所用的水量大，包裹和隔绝效果不好，用水量增加，在工作面后方采空区灌浆时容易流出而恶化工作面环境。浆液的水固比应根据泥浆的输送距离、煤层倾角、灌浆方式及灌浆材料和季节等因素通过试验确定，本次设计为5:1。

主要灌浆管直径选型应满足两个条件：1）灌浆管道内径选择不应大于临界直径；2）灌浆管道内浆液实际流速应大于灌浆管的临界流速。这样既能避免由于灌浆管径选型过大引起管内浆液流速的下降，造成堵管现象，又能满足灌浆要求。

灌浆喇叭口至工作面灌浆管出口间管路总长度与管路首末两端高差之比，称为输送倍线。倍线与水土比、土质、井下灌浆管路布置等因素有关。在给定的系统中，将有相应的倍线比与一定的水土比相适应。水土比越大，倍线比越大；泥浆中含砂量较少，则倍线也增大。

2.2.2 喷洒阻化剂防火技术分析

综采面在轨道巷设置两个矿车，矿车内放置阻化剂，作为阻化剂的供应平台。在使用时现将氯化钙倒入矿车中，然后在矿车内加入清水，将氯化钙完全溶解。然后再利用放置在移动小车上的WJ-24型阻化泵把阻化液沿着高压喷水管路引入到工作面上并和直径为13 mm 的喷枪连接。为了提高喷洒的效率，每台泵都配备一个喷枪。在喷洒过程中，由操作人员从支架间隙向采空区喷洒，每次喷洒时间不少于6 min，喷洒时流量不低于35 L/min。在通常情况下正常回采期间每班喷洒一次，当在收尾或者停采时，需要加大喷洒频率。阻化剂喷洒工艺流程如图6 所示[6]。

2.2.3 喷射LFM 堵漏及注液态CO2灭火

为了进一步降低火灾发生的概率，采用喷射LFM 阻燃、堵漏材料消除采空区漏风、全覆盖灌注浆液封闭、注液态CO2防火等防火方式，消除火灾发生的外在条件。采用阻化剂灭火系统实现对起火区域的快速灭火，综合运行多种防护方案，实现了井下防火的全面性、可靠性。

喷射LFM 阻燃堵漏材料消除采空区漏风。根据井下瓦斯集聚情况，选择在综采面上隅角和下隅角处喷射LFM 阻燃材料，将架间、架头等区域进行全面的喷涂，保证防火的安全性[7]。

在井下一氧化碳浓度高的区域施工防火钻孔，在防火钻孔内灌注阻燃堵漏防火材料[8]，实现井下防漏风、防一氧化碳泄漏的全覆盖。防火钻孔设计时根据综采面和回撤面的实际情况，每隔5 个支架设置一个防火钻孔，钻孔结束的地方均设置在支架后约8 m 处。防火钻孔设置结构如图7。

图7 井下防火钻孔结构示意图（m）

为了保证特殊情况下的防火需求，在井下同步设置了全覆盖灌注浆液封闭和注液态CO2防火，全覆盖灌浆液由灌浆系统传输到灌注区域，灌浆时采用连续交叉式灌浆方案[9]，从回风巷处设置3 组灌浆管道，灌浆管道的出管点设置在支架后侧29 m、49 m、69 m 的位置。

井下注液态CO2防火同样是通过管道将液态的二氧化碳输送到灭火区域，利用液态二氧化碳气化时吸热的方式来对区域进行降温，从而阻止燃烧的进一步发展[10]。传输管道从下隅角向采空区布置，共设置3 组传输管道，各个传输管道的出口设置在支架后侧20 m、40 m、60 m 的位置。灌浆、注CO2的管道布置结构如图8。

图8 井下灌浆、注CO2 的管道布置结构（m）

3 应用情况分析

根据对2021 年5 月1 日—2022 年10 月1 日的统计情况，该通风及防灭火系统工作稳定性高。通风系统能够实现根据井下通风情况智能调节供风系统，在提高井下供风安全性的情况下实现降低供风能耗、提高供风系统的运行稳定性，其具有故障自动监测和预警功能，将通风系统的运行故障率降低了88.9%。火灾监测和灭火系统，对火灾监测的准确性达到了100%，自投入应用以来，未出现过火灾安全事故，极大地提高了井下通风和防灭火的稳定性。

4 结论

对微子镇煤业井下通风及防灭火系统的设计和应用情况进行了分析，通过中央并列式通风系统及智能化通风控制系统确保了井下通风安全，通过监测预警+综合防灭火的双重防灭火方案，提高了井下的防火安全程度。主要包括：

1）JSG9 型束管自动监测系统能够自动对氧气、氮气、甲烷等9 种气体含量进行监测和分析，实现对火灾预兆的提前预警；

2）采用喷射LFM 阻燃、堵漏材料消除采空区漏风、全覆盖灌注浆液封闭、注液态CO2防火等方式，消除自燃发生的外在条件，采用阻化剂灭火系统实现对起火区域的快速灭火，确保了井下防火的全面、可靠。

3）阻化剂防火体系，以氯化钙阻化剂为核心，灭火经济性好。机动式的阻化剂喷洒灭火系统，灵活性高、机动性好，可以实现对不同区域的快速灭火。

4）监测预警+综合防灭火的双重防灭火方案，通过预防加灭火系统的方式，建立了集火灾监测和火灾高效灭火的高效防灭火体系，实现了对井下火灾的高效预警和灭火，有效性达100%。