矿井通防安全综合灭火设计专篇实例.doc

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设计参考实例

×××煤矿矿井防灭火专篇

作者：

孟凡从

二0一二年八月

前言

【矿井通风安全设计实用参考书】——“矿井防灭火专篇”是新的课题，本专篇从矿井注氮防灭火、阻化剂防灭火、束管监测、安全监测监控、矿井综合防尘消防系统到防灭火综合措施（包括防灭火管理制度），论述层次清楚，条理分明，是专业设计参考的一本较好的综合性比较强的实用参考书。

是作者最新收集继“矿井综合防尘设计手册”后以实例新发表的又一新篇。

书中有些疑问需进一步探讨，定有不当之处，敬请各位专家学者同仁批评指正。

作者简介：

孟凡从，男，1962.10.生，大专，山东临沂人，通风工程师。

85年毕业于山东煤矿学校采煤通风专业，毕业至今一直从事通防安全技术工作，多次获得省、局科学技术进步奖，发表科技论文多篇，多次被评为优秀科技工作者。

现任×××矿通防副总工程师。

本人有志向各位专家学者同仁学习，敬请指导帮助，深表感谢。

邮箱：

mfcong@

第一章矿井概况 -5-

第一节地理位置交通 -5-

一、地理位置 -5-

二、交通 -5-

第二节矿井生产情况 -6-

第三节矿井气候水文地质条件 -6-

一、气候 -6-

二、水文地质条件 -6-

第四节开采技术条件 -8-

一、煤层顶底板岩性 -8-

二．瓦斯 -8-

三、煤尘爆炸危险性 -9-

四、煤的自燃性 -9-

第二章注氮防灭火 -10-

一、氮气的物理性质 -10-

二、防灭火原理 -11-

三、氮气防灭火的优点 -11-

第一节注氮工艺 -11-

一、注氮方式及其管路设置 -11-

二、注氮管理 -13-

第二节氮气防灭火参数计算及确定 -14-

一、防火注氮量 -14-

二、灭火注氮量 -15-

三、防灭火注氮量的确定 -16-

第三节制氮机管路阻力计算 -17-

第四节矿井防灭火注氮管理制度 -18-

一、制氮机房 -18-

二、制氮机司机 -19-

三、注氮管路安设维护 -19-

四、注氮作业计划 -20-

五、采煤工作面采空区注氮 -20-

六、其它采空区密闭注氮 -21-

七、施工或拆除采空区密闭 -21-

第三章安全监测监控系统 -22-

第一节系统设计依据及原则 -22-

一、设计编写依据 -22-

二、设计原则 -23-

第二节系统设计要求 -24-

一、系统须具备的基本功能 -24-

二、安全监控系统设备、传感器安装要求 -27-

三、传感器安装配置 -28-

第三节安全监测监控系统现状 -33-

一、系统组成及特点 -33-

二、系统技术指标 -37-

三、地面中心站设置 -38-

四、分站 -38-

五、电源 -40-

六、传感器 -41-

七、电缆 -45-

第四节系统更新改造需要补充完善的内容 -46-

第四章井下火灾束管监测系统 -47-

第五章阻化剂防灭火 -48-

第一节阻化剂的防灭火原理 -48-

第二节阻化剂的种类及其选择 -48-

第三节喷洒阻化剂的参数计算 -49-

一、阻化剂溶液的浓度 -49-

二、松散煤（浮煤）的密度 -50-

三、原煤吸液量 -50-

四、阻化剂溶液的密度 -50-

五、工作面一次喷洒量：

-50-

六、工作面一次喷洒所需的阻化剂用量 -51-

第四节阻化剂喷洒工艺及喷洒方法 -51-

第六章井下消防防尘系统 -52-

第一节矿井消防防尘用水量 -52-

一、采煤工作面用水量计算 -52-

二、掘进工作面用水量计算 -54-

（一）普掘掘进工作面用水量计算 -54-

（二）综合掘进工作面用水量计算 -55-

三、其它地点（包括消防）用水量计算 -55-

四、全矿井防尘洒水用水量计算 -56-

第二节消防防尘管径计算 -56-

一、消防防尘管径计算按下列公式计算 -56-

二、采煤工作面管径计算 -56-

三、掘进工作面管径计算 -57-

（一）普倔掘进工作面管径计算 -57-

（二）综合掘进工作面管径计算 -57-

四、全矿井配备消防防尘管路管径计算（主要巷道） -58-

第三节消防防尘管径选型 -58-

第四节消防防尘水源 -61-

第五节消防防尘水压计算 -61-

一、《煤矿井下消防、洒水设计规范》GB50383-2006规定 -61-

二、消防防尘管路水压计算 -62-

第六节管道及管件 -64-

一、《煤矿井下消防、洒水设计规范》GB50383-2006规定 -64-

二、管道的管壁厚度效验 -64-

第七节管道敷设及防腐 -66-

一、斜井井筒内管道敷设应符合下列规定 -66-

二、水平巷道中管道敷设应符合下列规定 -66-

三、管道防腐 -67-

第七章防灭火措施 -68-

第一节矿井防火的一般措施 -68-

第二节外因火灾的预防措施 -69-

第三节煤炭自燃的预防措施 -70-

一、开拓开采方面的措施 -70-

二、通风方面的措施 -71-

三、监测方面的措施 -72-

1、人体的感觉 -72-

2、矿内空气成分分析法 -73-

3、监测检测措施 -73-

四、井下放炮 -74-

五、井下电气设备必须有防雷电和防短路的保护装置 -74-

六、采用惰性气体防火 -74-

七、巷道局部充填 -75-

第四节灭火措施 -75-

一、发生火灾时采取的措施 -75-

二、灭火方法 -76-

1、直接灭火 -76-

（1）用水灭火 -76-

（2）用砂子或岩粉灭火 -76-

（3）挖出火源直接灭火 -77-

（4）使用灭火器灭火 -77-

2、封闭灭火 -77-

3、联合灭火 -77-

第五节防灭火管理制度 -77-

一、总则 -77-

二、自燃火灾 -78-

（一）自燃火灾 -78-

（二）自燃火灾隐患 -78-

三、侦察灭火工作 -79-

四、启封火区 -79-

（一）启封火区必须具备的条件 -79-

（三）启封火区必须制定火区启封施工安全技术措施 -80-

（四）启封已注销的火区 -80-

（五）启封火区 -80-

1、启封 -80-

2、火区启封严格执行“五不批、三不准” -81-

五、封闭火区后的管理 -82-

1．建立火区卡片 -82-

2．永久性防火墙管理 -82-

3．加强检查工作 -83-

4．检查内容和方法 -83-

六、火区注销 -83-

七、火区冻结 -84-

八、火区附近采掘 -84-

九、其他 -85-

第一章矿井概况

第一节地理位置交通

一、地理位置

新疆天然集团兰州湾煤矿井田位于乌鲁木齐市达坂城区兰州湾子村，西南距达坂城区18Km，西距乌鲁木齐市约94Km，井田东西宽约800m，南北长约2090m，面积1.58K㎡，隶属乌鲁木齐市管辖。

地理坐标：

东经88°27′10″～88°28′07″

北纬43°23′17″～43°24′25″

二、交通

兰新铁路、312国道和“吐～乌～大公路均从达坂城区穿过，井田内有达坂城区至东沟乡～西沟乡柏油公路相连，且煤矿外部公路网已经形成，交通便利。

第二节矿井生产情况

现矿井已形成提升、运输、通风、排水、防尘、防灭火、压风、通讯、安全监控系统。

矿井现有两个井筒，混合斜井进风，主要是运送人员，提升原煤、矸石和材料。

斜风井回风，兼行人。

现首采工作面已经形成，并已经开始生产，目前矿井只有一采一掘。

第三节矿井气候水文地质条件

一、气候

井田位于月牙湾向斜西翼，属于丘陵地带，具有典型的大陆性气候，夏热东寒，多风少雨。

地势总体北高南低，东高西低，海拔高程一般为+1320～1365米，相对高差约45米。

年最高气温40.6℃，最低气温-26.3℃，平均气温5.5℃。

井田全年降水量小，蒸发量大，年平均降水量约60.7㎜，年蒸发量2745.3㎜，湿润系数为0.022，雨季多集中在6～8月，降水量约占全年降水总量的70%。

降雨集中在蒸腾作用强烈的夏季，天然状态的倾向蒸发多消耗在大气降水直接入渗部分。

大气降水对煤系地下水的补给有限。

二、水文地质条件

井田内水系不发育，区外白杨河流经井田西约2公里，是一条常年性河流，河谷跨度达4公里，流量为0.294立方米/秒。

在横款煤系地层上方的河床冲积时有时会有部分滞留下渗成为地下水，再通过岩石的孔隙、层间裂隙微弱补给给井田地下水。

井田地表大部分为耕地，农田灌溉水亦为煤系地下水的重要补给源。

井田内大部分地区为第四系覆盖，侏罗系中统西山窑组沉积岩层局部出露。

第四系松散堆积，第四系堆积物由冲洪积砂、土、砾石构成，未胶结，厚度0～40m；侏罗系中统西山窑组由砂岩、泥岩和煤层等组成，平均厚度300m。

井田位于月牙湾向斜西翼，呈单斜构造，地质报告中虽说没有断层，可是在施工首采工作面，300～350m时遇到两处逆断层，第一处断层断距6m，第二处断层断距21m。

深部岩石节理不发育，浅部岩石风化裂隙也不发育。

积雪融化和暴雨形成季节性地表径流，沿松散的孔隙和基岩露头风化裂隙部分下渗形成地下水。

本区地形总体北高南低，地下水由北至南，其渗透方向与地层方向基本一致。

达坂城矿区揭露该地层单元各个生产矿井用水量均低于200立方米/昼夜，大部分矿井地下巷道空气干燥，须人工加湿。

本矿井在井下修建有水仓，将地下水集中排至地表，经试生产期间观测，矿井初期正常涌水量为150～200立方米/昼夜。

第四节开采技术条件

一、煤层顶底板岩性

本矿开采1号煤层,揭露了煤层顶底板,煤层顶板不稳定，石门中有塌落的地段多为煤层顶板。

加2-2孔采集了3-4、5-6号煤层顶、底板岩石样品,地质报告综合利用了相邻井田的1、2号煤层顶、底板岩石样品资料，以其作为工程地质特征。

按照《岩石地下建筑技术措施》中围岩分类表的有关标准，井田煤层顶底板属于稳固性差的类别。

二．瓦斯

区内各煤层的瓦斯含量为0.626-1.934ml/g.可燃质，二氧化碳含量为0.094-0.340ml/g.可燃质，瓦斯成分中甲烷为33.2-53.08﹪,二氧化碳为1.62-2.00﹪,氮气为45.03-64.80﹪,均属氮气-沼气带。

根据新煤行管发［2005］432号：

“关于对乌鲁木齐达坂城东沟乡第一煤矿《矿井瓦斯等级和二氧化碳涌出量鉴定报告》的批复，本矿井绝对瓦斯涌出量0.03m3/min，相对瓦斯涌出量0.54m3/T；绝对二氧化碳涌出量0.02m3/min，相对二氧化碳涌出量0.3m3/T”，确定矿井属低瓦斯矿井。

依据本矿井和临近矿井生产情况，本矿井按低瓦斯矿井考虑。

根据《兰州湾煤矿二零零九年度灾害预防和处理计划》，矿井在巷道掘进过程中、发现煤层瓦斯涌出量相对较高，在个别区域还有异常情况，？

所以在生产中应加以做够的重视、进一步测定和积累资料、对通风系统和煤层瓦斯应进行科学管理，以有效的措施，严防由局部瓦斯聚集造成的瓦斯爆炸和二氧化碳窒息事故，确保矿井安全生产。

三、煤尘爆炸危险性

本次地质工作在钻孔中采集了1、3-4、5号煤层煤尘爆炸性试验样品三个。

经过测试火焰长度均大于300-400mm,岩粉量为60-80%。

结论鉴定:

有爆炸性危险。

四、煤的自燃性

本次地质工作采集煤的自燃倾向性样品三个。

煤层的着火温度氧化样为279.0-307.0℃;原样为295.0-335.0℃;还原样为335.0-355.0℃;△T为30.5-76.0℃。

根据煤的自燃倾向性等级分类,均属易自燃或很易自燃的煤。

矿井在开拓开采过程中，必须加强防灭火预测预报工作，采取注氮、喷洒阻化剂、综合防尘、监测监控等行之有效的防灭火措施，将煤炭自然发火消灭在萌芽状态，保证矿井的安全生产。

第二章注氮防灭火

向采空区连续注入氮气，防治浮煤自燃，已被主要产煤国家公认为是一种行之有效的防火技术措施。

目前，德国、法国、前苏联、波兰等国广泛采用氮气防灭火技术，成功地抑制了矿井煤层自燃，扑灭井下火灾，获得了预期的效果；本矿井将注氮系统作为防灭火的主要措施之一。

一、氮气的物理性质

1、在空气中约占79%，无色、无嗅、无味、无毒，与同体积空气重量比为0.97，在标准气压和273K时，气体密度为1025g/L。

2、不燃烧，也不助燃，溶水极微，性质稳定，不易与其它元素化合，无腐蚀性。

二、防灭火原理

1、降低采空区或火区内氧气的含量，使采空区或火区内气体惰化，降低或阻止煤炭的氧化；

2、使采空区或火区形成正压，减少或杜绝空气进（漏）入采空区或火区，形成窒息区域；

3、降低采空区或火区气体温度和周围介质的温度，使煤炭氧化停止；

4、使采空区或火区有爆炸的混合气体转变为无爆炸性的惰性混合气体，消除爆炸危险性。

综合来讲，其防灭火原理为：

窒息作用、抑爆作用、冷却作用。

三、氮气防灭火的优点

氮气可以充满任何形状的有限燃烧空间，便于对采空区深部、高冒处等难以接近的地点进行灭火，吸热降温，灭火快，不污染环境，且有利于防止瓦斯煤尘爆炸。

由于氮气来源广，制取容易，制氮工艺简单，易于实施，而且具有防火技术可靠、效果显著、成本低廉等优点。

因此本设计选用氮气防灭火作为主要措施。

第一节注氮工艺

一、注氮方式及其管路设置

（一）预防性注氮

1、预防性注氮，即开放性注氮，回采期间，在不封闭工作面的情况下，向采空区间歇性注氮，必须严格控制注氮时间和注氮流量，确保采空区气体逸出不得造成回采工作面或回风流中有害气体超限，达到防止自燃的目的。

2、管路设置

（1）应尽量靠巷道非行人侧，安设牢固，不得影响过车或其它设施的安全。

（2）根据通风负压作用方向，工作面氮气管路铺设在工作面进风巷非行人侧，离底板200～300mm，吊挂牢固。

（3）从工作面上口到制氮机的氮气管路均采用Φ50钢管，沿工作面倾向铺设的氮气管路采用Φ50钢管，留有Φ20的小眼，每次前移后，埋在老塘内。

（4）当第一趟沿倾向铺设的氮气管路埋入采空区15米后，开始注氮，当第一趟沿倾向铺设的氮气管路埋入采空区30米后，开始铺设第二趟氮气管路，当第二趟沿倾向铺设的氮气管路埋入采空区15米后，开始铺设第三趟氮气管路，同时断开第一趟氮气管路，由第二趟氮气管路对采空区实施注氮。

（5）以此类推，分别埋设第四趟、第五趟氮气管路，始终保持氮气释放口的距离为30米。

（二）灭火注氮

灭火注氮也即封闭注氮，工作面一旦发生自然发火事故或因故封闭时，因设备庞大繁重，不宜撤出，在上、下两巷适当位置设置密闭，对工作面实施封闭，顺风向对封闭区注氮，封闭区内空间承受注氮增加气体体积的能力，由密闭调节管上的阀门进行调节，并始终保持封闭区内正压状态。

二、注氮管理

1.灭火注氮也即封闭注氮，工作面一旦发生自然发火事故或因故封闭时，因设备庞大繁重，不宜撤出，在上、下两巷适当位置设置密闭，对工作面实施封闭，顺风向对封闭区注氮，封闭区内空间承受注氮增加气体体积的能力，由密闭调节管上的阀门进行调节，并始终保持封闭区内正压状态。

2.注氮管理

（1）注氮量的多少，主要依据采空区内气体监测成份决定，与工作面推进度和煤的自然发火期有关。

该措施以距工作面30米处采空区内气体成份进行调整，确保O2浓度小于10%，CO浓度小于0.005%。

当工作面出现高温、异味等情况时，都应加大注氮量。

（2）加强工作面及回风流的氧气检测，发现O2浓度小于18%，必须立即停止工作，减小注氮量，待O2浓度大于18%后，方可恢复工作。

（3）氮气纯度不得低于97%。

（4）注意检查工作面、回风流，特别是回风隅角的瓦斯浓度，发现上述地点瓦斯浓度超限时，可适当减小或停止注氮。

（5）利用氮气管路第一次向采空区注氮，或停止注氮后恢复注氮，必须先排出管路中的空气，避免将空气注入采空区。

（6）注氮过程中，各种各样的情况都有可能发生，如管路漏气、堵塞、致使注氮量下降现象。

因此，必须有专职人员定期下井检查，发现问题及时处理，确保注氮系统不间断工作。

因此必须有专业队伍和技术管理人员。

（7）必须配备专业技术人员，负责注氮的日常管理，其任务包括制定注氮时的各项安全措施，检查工程实施情况。

总结分析注氮效果，研究和改进注氮技术方案，组织实施新技术、新工艺的推广等。

第二节氮气防灭火参数计算及确定

一、防火注氮量

工作面防火注氮量的大小，主要取决于采空区的几何形状、氧化带空间大小、岩石冒落程度、漏风量大小及采空区内气体成份的变化等诸多因素。

由于煤矿条件各异，目前尚无公认的计算方法，可参考下列公式并按国内外实际参比而定。

（1）按产量计算

QN=〖A/r×N1×N2×24〗÷〖（C1/C2）－1〗m3/h

式中：

A------日产量。

取1250吨

r------煤的容重。

取1.32t/m3

N1----管路输氮效率。

一般取0.6

N2----采空区注氮效率。

0.3～0.7，取0.3

C1-----空气中的氧含量。

取20.9%

C2-------采空区防火惰化指标。

取7%

则QN=〖1250/（1.32×0.6×0.3×24）〗÷〖（20.9/7）－1〗

=26.4m3/h

（2）、根据国内外经验估算（吨煤需5m3）

QN=5×A/24

式中：

A------日产量。

取1250吨

则QN=5×1250/24=260m3/h

二、灭火注氮量

扑灭采空区火灾的工艺比较复杂，且需氮量也大，主要取决于发火区域的几何形状、氧化带空间大小、漏风量大小、火源范围和燃烧时间的长短等诸多因素。

扑灭采空区火灾的注氮量可按下式估算：

QN=V0×〖（C1/C2）－1〗

式中：

QN-----注氮量。

m3

V0------火区体积。

m3

c1--------火区原始氧含量。

取7%

c2--------注氮区欲达到的氧含量。

取3%

火区体积按下式估算：

V0=LI〖h（a－1）＋m〗

式中：

V0------火区体积。

m3

L------防火区的走向长度。

取66米

I--------防火区的倾向长度。

取30米

h-------顶板岩石冒落高度。

H=βm

β------采高倍数。

取平均值8

m-------采高。

取2.1米

则V0=66×30×〖8×2.1×（1.3－1）＋2.1〗

=14137.2m3

其中封闭区内两巷的空间未计。

则QN=14137.2×〖（7/3）－1〗

=18849.6m3

一般按5～7天扑灭火灾，则氮气流量如下：

5天时：

Q=QN/5×24=157.1m3/h

7天时：

Q=QN/7×24=112.2m3/h

三、防灭火注氮量的确定

决定注氮量的多少主要依据采空区的惰化程度，即工作面的推进度以外，惰化带距离在煤的自然发火期内，也就是O2浓度小于10%，CO浓度小于0.005%，能够满足采煤工作面防火需要和一般灭火需要。

本矿井选用的制氮机型号为KDG—400Nm3/97井上固定式碳分子筛制氮设备，其性能参数如下：

产气量：

≥400Nm3/h；

氮气纯度：

≥97%；

输出压力：

0.4～0.6MPa（可调）；

电机功率：

75kW；

电压：

660V；

冷却方式：

风冷。

该注氮设备产气量能力为400m3/h，完全能够满足矿井防灭火要求。

考虑到工作面的实际情况和制氮机在运行中的效率，（75%～80%）根据灭火注氮量的计算结果，可确定以下原则：

（1）工作面正常生产期间，单机启动，流量控制在157.1m3/h即可满足防火需要；出现发火征兆时，由总工程师根据具体情况确定增加注氮量。

（2）工作面因故封闭但未发火期间，单机启动，对封闭区实施注氮；出现发火征兆时双机启动，由总工程师根据具体情况确定增加注氮量。

（3）工作面因自燃而封闭后，立即双机启动对封闭区实施注氮，当封闭区内各项指标达到启封条件后，由总工程师确定改为单机启动，减小注氮量，防止复燃，如果复燃，由总工程师确定立即加大注氮量。

第三节制氮机管路阻力计算

我矿现有制氮机安设在地面制氮机房内，从地面至回采面采空区距离1250米。

制氮机安设在地面制氮机房内，氮气管路经钻孔沿井筒至风井，经+1250石门铺至工作面，循环冷却水接入地面蓄水池清水管路，安设一个5m3循环水罐，专用电缆经地面变电所接到制氮机。

如前所述，为满足基本灭火需要，工作面正常生产时，氮气流量为Q=157.1m3/h，氮气比重r=0.9672当管路直径D1=10.8㎝时，阻力系数为K1=0.62。

根据公式R阻=R摩+R局

式中：

R阻------管路阻力MPa

R摩------沿程摩擦阻力MPa

R局------局部阻力，如拐弯、阀门等处的阻力MPa

R局=0.1R摩

则R阻=1.1R摩=（9.8×10-6×Q2×L×r）÷（KD5）

式中：

Q------氮气流量m3/h

L------氮气管路长度m

r------氮气比重0.9672

D-----氮气管路直径㎝

K-----阻力系数0.62

则：

R摩=（9.8×10-6×157.12×1250×0.9672）÷（0.62×10.85）

=0.00385MPa

R阻1=1.1R摩1=1.1×0.00385=0.004235MPa

矿井注氮设备选用KDG—400Nm3/97井上固定式碳分子筛制氮设备，其性能参数如下：

产气量：

≥400Nm3/h；

氮气纯度：

≥97%；

输出压力：

0.4～0.6MPa（可调）；

电机功率：

75kW；

电压：

660V；

冷却方式：

风冷。

制氮能力400m3/h，压