王 煜

（晉能控股集團(tuán)三元微子鎮(zhèn)煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047500）

三元微子鎮(zhèn)煤業(yè)有限公司礦井生產(chǎn)能力為60萬(wàn)t/a，礦井井田面積4.512 6 km2，可采煤層為15號(hào)煤層。采煤工作面實(shí)際需要風(fēng)量主要根據(jù)工作面瓦斯、二氧化碳涌出量，兼顧工作面溫度、風(fēng)速和工作面環(huán)境衛(wèi)生條件進(jìn)行計(jì)算，并取其中的最大值。根據(jù)山西省煤炭工業(yè)局綜合測(cè)試中心2010 年9 月提交的《山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)三元微子鎮(zhèn)煤業(yè)有限公司礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)報(bào)告》，三元微子鎮(zhèn)煤礦開(kāi)采15 號(hào)煤層以60 萬(wàn)t/a 產(chǎn)量生產(chǎn)時(shí)，礦井最大絕對(duì)瓦斯涌出量為3.28 m3/min，最大相對(duì)涌出量為2.60 m3/t，屬低瓦斯礦井。

該礦井為五個(gè)煤礦的整合礦井，共布置主斜井、副斜井、回風(fēng)立井三個(gè)井筒。主斜井擔(dān)負(fù)礦井原煤運(yùn)輸、人員提升兼進(jìn)風(fēng)任務(wù)，副斜井擔(dān)負(fù)礦井輔助運(yùn)輸兼進(jìn)風(fēng)任務(wù)，回風(fēng)立井擔(dān)負(fù)礦井回風(fēng)任務(wù)。

由于井下采空區(qū)和綜采區(qū)分布范圍廣，井下煤層自燃概率較大，傳統(tǒng)的人工巡查式或者單點(diǎn)監(jiān)測(cè)式的防滅火方案無(wú)法滿足井下防滅火的安全性要求。在對(duì)井下煤層和采空區(qū)分布情況分析后，采用了監(jiān)測(cè)預(yù)警+綜合防滅火的雙重防滅火方案，利用JSG9 礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)煤層自然發(fā)火進(jìn)行動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)，利用采空區(qū)灌漿、噴灑阻化劑的綜合滅火系統(tǒng)，提高了對(duì)井下火災(zāi)的防火可靠性。

該煤礦通風(fēng)系統(tǒng)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下的精確供風(fēng)，防滅火監(jiān)測(cè)及滅火系統(tǒng)工作穩(wěn)定性好，有效確保了三元微子鎮(zhèn)煤業(yè)井下綜采作業(yè)的安全性。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)分析

礦井開(kāi)采15 號(hào)煤層，15 號(hào)煤層一采區(qū)采用綜采一次采全高采煤法進(jìn)行回采?；夭晒ぷ髅孀畲蠼^對(duì)瓦斯涌出量為1.71 m3/min，最大相對(duì)涌出量為1.48 m3/t。根據(jù)實(shí)際計(jì)算，礦井總進(jìn)風(fēng)量為89 m3/s，其中主斜井進(jìn)風(fēng)量40 m3/s，副斜井進(jìn)風(fēng)量49 m3/s，回風(fēng)立井回風(fēng)量89 m3/s。

為了保證井下通風(fēng)安全性，系統(tǒng)采用了變頻功率、阻力、風(fēng)量、瓦斯?jié)舛戎悄芷ヅ涞耐L(fēng)控制模型[1]，能夠?qū)崿F(xiàn)不停風(fēng)倒機(jī)、智能反風(fēng)、按需供風(fēng)等。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 礦井智能通風(fēng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)將井下瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)模塊的數(shù)據(jù)信息作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)信號(hào)，利用傳感器對(duì)井下巷道內(nèi)瓦斯、一氧化碳等有害氣體、氣流情況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)確定井下通風(fēng)的狀態(tài)。當(dāng)危險(xiǎn)氣體含量超標(biāo)或者供風(fēng)量不足時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出調(diào)整信號(hào)，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)和預(yù)警。

2 防滅火系統(tǒng)

礦井15 號(hào)煤層屬自燃煤層，礦上采用了監(jiān)測(cè)預(yù)警+綜合防滅火的雙重防滅火方案。通過(guò)預(yù)防加滅火系統(tǒng)的方式，建立了集火災(zāi)監(jiān)測(cè)和火災(zāi)高效滅火的高效防滅火體系。火災(zāi)監(jiān)測(cè)主要是利用JSG9礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)煤層自然發(fā)火進(jìn)行動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)；火災(zāi)高效滅火主要是建立以采空區(qū)灌漿為主、噴灑阻化劑為輔的綜合滅火系統(tǒng)。

2.1 礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

JSG9 型井下束管自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在獲取空氣樣本后自動(dòng)對(duì)樣本中的氧氣、氮?dú)?、甲烷? 種氣體含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，每次采樣分析實(shí)際時(shí)間小于6 min。該系統(tǒng)能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的程序設(shè)定進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，從而能夠及時(shí)對(duì)井下監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)氣體的變化情況進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)監(jiān)測(cè)到火災(zāi)發(fā)生標(biāo)志性氣體（甲烷、二氧化碳、一氧化碳）時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)預(yù)兆的提前預(yù)警。

為了滿足監(jiān)測(cè)精確性的需求，JSG9 束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括了束管專用色譜儀、抽氣泵、濾塵裝置等，提高了在煤礦井下復(fù)雜環(huán)境下工作的穩(wěn)定性和可靠性。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)布局如圖2 所示[2]。

圖2 JSG9 煤礦火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置圖

為了確保對(duì)井下氣體監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)首先啟動(dòng)抽氣泵，使管路系統(tǒng)中形成一個(gè)真空負(fù)壓環(huán)境，然后在內(nèi)外壓差的作用下，外界空氣進(jìn)入到束管內(nèi)。為了防止井下粉塵堵塞分析系統(tǒng)，管口設(shè)置過(guò)濾裝置，對(duì)粉塵起到一個(gè)阻擋作用。氣體進(jìn)入到氣相色譜儀器內(nèi)后，儀器開(kāi)始對(duì)內(nèi)部的空氣樣本進(jìn)行檢查，并將檢查結(jié)果傳輸?shù)讲蓸訑?shù)據(jù)傳輸接口上，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)的放大和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，形成監(jiān)測(cè)譜圖及監(jiān)測(cè)結(jié)果。該系統(tǒng)由于實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化采集，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井下空氣狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，確定井下自然發(fā)火狀態(tài)信息并進(jìn)行預(yù)警。

2.1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置方案

監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置的基本原則是要保證對(duì)井下火源監(jiān)測(cè)的精確性。根據(jù)井下實(shí)際地質(zhì)情況，可以將煤礦井下火災(zāi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分為固定式、移動(dòng)式和臨時(shí)式，有效地提升了井下數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的靈活性和精確性[3]。

在采空區(qū)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要是隨著綜采面推進(jìn)埋入到采空區(qū)，在每個(gè)綜采面上設(shè)置6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，然后在運(yùn)輸巷采空區(qū)、回風(fēng)順槽采空區(qū)內(nèi)各設(shè)置3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離為60 mm。當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的氧氣濃度降低到5%以下后，則可以轉(zhuǎn)移該監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在新的監(jiān)測(cè)區(qū)域布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。井下采空區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。

圖3 井下監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

工作面正常封閉后，需要在綜采面的進(jìn)風(fēng)側(cè)或者回風(fēng)側(cè)設(shè)置觀測(cè)孔，然后在密閉內(nèi)設(shè)置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，提高綜采面氣體狀態(tài)的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。其結(jié)構(gòu)布置如圖3（b）所示。

2.2 井下防滅火系統(tǒng)

微子鎮(zhèn)煤業(yè)井下的防滅火系統(tǒng)采用了以采空區(qū)灌漿為主，噴灑阻化劑、噴射LFM 堵漏、注液態(tài)CO2滅火為輔的綜合滅火方案，提高井下綜采面防火的可靠性。

2.2.1 灌漿防火技術(shù)分析

微子鎮(zhèn)煤業(yè)井下采用了KDZS-1型灌漿系統(tǒng)[4]。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在煤礦的工業(yè)廠處建立了2 個(gè)攪拌池以及1 個(gè)注漿池，兩個(gè)池子的深度和直徑均設(shè)置為2 m。池子采用磚砌后外側(cè)均勻涂抹水泥，池子上側(cè)設(shè)置一個(gè)攪拌器，攪拌池的下側(cè)設(shè)置有出料口。在注漿池的前面設(shè)置有孔徑為10 mm 的過(guò)濾裝置，避免灌漿系統(tǒng)在工作過(guò)程中被堵塞。在注漿池和攪拌池的側(cè)面設(shè)置2 個(gè)尺寸為0.8 m×0.8 m×2 m 的泵坑，分別設(shè)置泥沙泵。該灌注系統(tǒng)的整體布局如圖4 所示[5]。

圖4 灌漿系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)示意圖（m）

為了提高灌漿時(shí)的穩(wěn)定性，井下灌漿系統(tǒng)采用了埋管灌漿的模式。首先沿著回采綜采面的回風(fēng)順槽預(yù)埋20 m 的灌漿管道，管道的一端連通采空區(qū)，另一端連通膠管，膠管的長(zhǎng)度在30～40 m 之間，根據(jù)綜采面的推進(jìn)而逐步移動(dòng)。為了提高操作的便捷性，灌漿管的牽引可以采用回柱絞車(chē)，每隔一定的距離灌漿一次。埋管灌漿結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 埋管灌漿結(jié)構(gòu)示意圖

泥漿的水固比是反映泥漿濃度的指標(biāo)，是指泥漿中水與固體漿材的體積之比。水固比的大小影響著注漿的效果和泥漿的輸送。泥漿的水固比越小，則泥漿濃度越大，其黏度、穩(wěn)定性和致密性也越大，包裹遺煤隔離氧氣的效果也越好，但同時(shí)流散范圍也越小，輸漿管路容易堵塞；水固比大，則輸送相同體積的土所用的水量大，包裹和隔絕效果不好，用水量增加，在工作面后方采空區(qū)灌漿時(shí)容易流出而惡化工作面環(huán)境。漿液的水固比應(yīng)根據(jù)泥漿的輸送距離、煤層傾角、灌漿方式及灌漿材料和季節(jié)等因素通過(guò)試驗(yàn)確定，本次設(shè)計(jì)為5:1。

主要灌漿管直徑選型應(yīng)滿足兩個(gè)條件：1）灌漿管道內(nèi)徑選擇不應(yīng)大于臨界直徑；2）灌漿管道內(nèi)漿液實(shí)際流速應(yīng)大于灌漿管的臨界流速。這樣既能避免由于灌漿管徑選型過(guò)大引起管內(nèi)漿液流速的下降，造成堵管現(xiàn)象，又能滿足灌漿要求。

灌漿喇叭口至工作面灌漿管出口間管路總長(zhǎng)度與管路首末兩端高差之比，稱為輸送倍線。倍線與水土比、土質(zhì)、井下灌漿管路布置等因素有關(guān)。在給定的系統(tǒng)中，將有相應(yīng)的倍線比與一定的水土比相適應(yīng)。水土比越大，倍線比越大；泥漿中含砂量較少，則倍線也增大。

2.2.2 噴灑阻化劑防火技術(shù)分析

綜采面在軌道巷設(shè)置兩個(gè)礦車(chē)，礦車(chē)內(nèi)放置阻化劑，作為阻化劑的供應(yīng)平臺(tái)。在使用時(shí)現(xiàn)將氯化鈣倒入礦車(chē)中，然后在礦車(chē)內(nèi)加入清水，將氯化鈣完全溶解。然后再利用放置在移動(dòng)小車(chē)上的WJ-24型阻化泵把阻化液沿著高壓噴水管路引入到工作面上并和直徑為13 mm 的噴槍連接。為了提高噴灑的效率，每臺(tái)泵都配備一個(gè)噴槍。在噴灑過(guò)程中，由操作人員從支架間隙向采空區(qū)噴灑，每次噴灑時(shí)間不少于6 min，噴灑時(shí)流量不低于35 L/min。在通常情況下正常回采期間每班噴灑一次，當(dāng)在收尾或者停采時(shí)，需要加大噴灑頻率。阻化劑噴灑工藝流程如圖6 所示[6]。

2.2.3 噴射LFM 堵漏及注液態(tài)CO2滅火

為了進(jìn)一步降低火災(zāi)發(fā)生的概率，采用噴射LFM 阻燃、堵漏材料消除采空區(qū)漏風(fēng)、全覆蓋灌注漿液封閉、注液態(tài)CO2防火等防火方式，消除火災(zāi)發(fā)生的外在條件。采用阻化劑滅火系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)起火區(qū)域的快速滅火，綜合運(yùn)行多種防護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)了井下防火的全面性、可靠性。

噴射LFM 阻燃堵漏材料消除采空區(qū)漏風(fēng)。根據(jù)井下瓦斯集聚情況，選擇在綜采面上隅角和下隅角處噴射LFM 阻燃材料，將架間、架頭等區(qū)域進(jìn)行全面的噴涂，保證防火的安全性[7]。

在井下一氧化碳濃度高的區(qū)域施工防火鉆孔，在防火鉆孔內(nèi)灌注阻燃堵漏防火材料[8]，實(shí)現(xiàn)井下防漏風(fēng)、防一氧化碳泄漏的全覆蓋。防火鉆孔設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)綜采面和回撤面的實(shí)際情況，每隔5 個(gè)支架設(shè)置一個(gè)防火鉆孔，鉆孔結(jié)束的地方均設(shè)置在支架后約8 m 處。防火鉆孔設(shè)置結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7 井下防火鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖（m）

為了保證特殊情況下的防火需求，在井下同步設(shè)置了全覆蓋灌注漿液封閉和注液態(tài)CO2防火，全覆蓋灌漿液由灌漿系統(tǒng)傳輸?shù)焦嘧^(qū)域，灌漿時(shí)采用連續(xù)交叉式灌漿方案[9]，從回風(fēng)巷處設(shè)置3 組灌漿管道，灌漿管道的出管點(diǎn)設(shè)置在支架后側(cè)29 m、49 m、69 m 的位置。

井下注液態(tài)CO2防火同樣是通過(guò)管道將液態(tài)的二氧化碳輸送到滅火區(qū)域，利用液態(tài)二氧化碳?xì)饣瘯r(shí)吸熱的方式來(lái)對(duì)區(qū)域進(jìn)行降溫，從而阻止燃燒的進(jìn)一步發(fā)展[10]。傳輸管道從下隅角向采空區(qū)布置，共設(shè)置3 組傳輸管道，各個(gè)傳輸管道的出口設(shè)置在支架后側(cè)20 m、40 m、60 m 的位置。灌漿、注CO2的管道布置結(jié)構(gòu)如圖8。

圖8 井下灌漿、注CO2 的管道布置結(jié)構(gòu)（m）

3 應(yīng)用情況分析

根據(jù)對(duì)2021 年5 月1 日—2022 年10 月1 日的統(tǒng)計(jì)情況，該通風(fēng)及防滅火系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高。通風(fēng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)井下通風(fēng)情況智能調(diào)節(jié)供風(fēng)系統(tǒng)，在提高井下供風(fēng)安全性的情況下實(shí)現(xiàn)降低供風(fēng)能耗、提高供風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，其具有故障自動(dòng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能，將通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行故障率降低了88.9%?；馂?zāi)監(jiān)測(cè)和滅火系統(tǒng)，對(duì)火災(zāi)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性達(dá)到了100%，自投入應(yīng)用以來(lái)，未出現(xiàn)過(guò)火災(zāi)安全事故，極大地提高了井下通風(fēng)和防滅火的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

對(duì)微子鎮(zhèn)煤業(yè)井下通風(fēng)及防滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，通過(guò)中央并列式通風(fēng)系統(tǒng)及智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)確保了井下通風(fēng)安全，通過(guò)監(jiān)測(cè)預(yù)警+綜合防滅火的雙重防滅火方案，提高了井下的防火安全程度。主要包括：

1）JSG9 型束管自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠自動(dòng)對(duì)氧氣、氮?dú)狻⒓淄榈? 種氣體含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)預(yù)兆的提前預(yù)警；

2）采用噴射LFM 阻燃、堵漏材料消除采空區(qū)漏風(fēng)、全覆蓋灌注漿液封閉、注液態(tài)CO2防火等方式，消除自燃發(fā)生的外在條件，采用阻化劑滅火系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)起火區(qū)域的快速滅火，確保了井下防火的全面、可靠。

3）阻化劑防火體系，以氯化鈣阻化劑為核心，滅火經(jīng)濟(jì)性好。機(jī)動(dòng)式的阻化劑噴灑滅火系統(tǒng)，靈活性高、機(jī)動(dòng)性好，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同區(qū)域的快速滅火。

4）監(jiān)測(cè)預(yù)警+綜合防滅火的雙重防滅火方案，通過(guò)預(yù)防加滅火系統(tǒng)的方式，建立了集火災(zāi)監(jiān)測(cè)和火災(zāi)高效滅火的高效防滅火體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下火災(zāi)的高效預(yù)警和滅火，有效性達(dá)100%。