CN112412526B - 一种煤矿瓦斯与火灾共治系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿瓦斯与火灾共治系统及其使用方法，属于煤矿安全技术领域。该系统的功能切换装置设置在瓦斯抽采系统和CO2灭火系统之间，瓦斯抽采系统包括水环式真空泵、抽采管路、控制蝶阀、放空管，CO2灭火系统包括液态二氧化碳储存罐、汽化器、铠装输气软管，控制阀门，功能切换装置包括三通、变径接头、控制阀门、单向阀，流量监控系统包括控制阀门、压力表、瓦斯流量监测装置和CO2气体流量监测装置，系统安全装置包括火焰传感器、压力传感器、自动喷粉抑爆装置、水封阻火泄爆装置和单向阀。本发明结构简单，易于控制，能快速实现瓦斯抽采和注CO2灭火功能的切换，节省了煤矿井下建立固定灭火站的成本，并且低温CO2对火灾化学反应的抑制效果更佳。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿瓦斯与火灾共治系统，属于矿山安全开采技术领域。
背景技术
煤矿瓦斯和火灾是我国煤炭资源井工开采的2种主要灾害，每年因瓦斯和火灾造成的伤亡人数占煤矿死亡人数的1/2以上；现有煤矿瓦斯防治装置主要采用瓦斯抽采系统，防灭火主要采用注氮气或CO2配合束管监测系统，两种灾害防治系统和设备相互独立，不能共用，煤矿企业不得不在井下有限的作业空间里安装和管理两套设备和管路，造成了人力、物力与财力的大量消耗，加大了煤炭企业设备投资和管理的经济成本。
煤矿瓦斯抽采系统为常开状态，但当发生火灾等非正常状态时，为了防止加速火情必须停止瓦斯抽采。灭火系统恰好相反，处于常关状态，只有出现火灾征兆时才开启，因此，可以发明一套系统将两种功能集合于一身，在正常状态下抽采煤层瓦斯气体，如果出现发火征兆则可以用来灭火。这种系统及装备大大降低了煤矿经济成本，而且对于一些没有防灭火系统的矿井，万一发生外因火灾可以用来应急灭火。
发明内容
本发明旨在提供一种煤矿瓦斯与火灾共治系统及使用方法，结构简单，易于控制，能快速地实现瓦斯抽采和注CO2灭火功能的切换，以达到煤矿火灾和瓦斯的共同治理。
本发明提供的煤矿瓦斯与火灾共治系统，根据系统安全学原理、瓦斯爆炸原理和CO2抑制碳基火灾原理设计，功能切换装置能快速地实现瓦斯抽采和注CO2灭火功能的切换，节省了煤矿井下建立固定灭火站的成本，并且低温（-37℃左右）CO2对火灾化学反应的抑制效果更佳。
本发明提供了一种煤矿瓦斯与火灾共治系统，包括瓦斯抽采系统、CO2灭火系统，功能切换装置，流量监控系统和系统安全装置；功能切换装置设置在瓦斯抽采系统和CO2灭火系统之间；
所述瓦斯抽采系统包括：水环式真空泵、抽采管路、控制阀门、放空管，按照瓦斯气流方向在抽采管路上依次设置进气侧放空管、真空泵进气控制蝶阀、水环式真空泵、真空泵出气控制蝶阀、出气侧放空管；利用水环式真空泵将瓦斯气体从煤矿井下通过负压抽出，从放空管排出或通往瓦斯发电；
所述CO2灭火系统用于向煤矿井下着火点注入CO2气体，包括：液态二氧化碳储存罐、运输卡车、汽化器、铠装软管和输气软管、控制阀门，按照CO2气体输送方向依次设置运输卡车、液态二氧化碳储存罐、控制阀门、铠装软管和输气软管、汽化器；
所述功能切换装置用于切换瓦斯抽采和CO2加注功能，包括：三通、变径接头、控制阀门、单向阀；靠近CO2灭火系统侧设置单向阀，CO2气流方向由单向阀流向变径接头再流经三通；
所述流量监控系统用于监控瓦斯抽采量和CO2加注量；包括：控制阀门、压力表、CO2气体流量监测装置和瓦斯流量监测装置，CO2气体流量监测装置设置在控制三通与CO2灭火系统之间，瓦斯流量监测装置设置在控制三通与瓦斯抽采系统之间；
所述系统安全装置用于保证瓦斯抽采设备和CO2加注设备的安全，包括：火焰传感器、压力传感器、自动喷粉抑爆装置、水封阻火泄爆装置和单向阀；火焰传感器设置在放空管上部、压力传感器设置在放空管下部，自动喷粉抑爆装置和水封阻火泄爆装置安装在抽采管道上；单向阀安装在功能切换装置与CO2灭火系统之间。
上述的煤矿瓦斯与火灾共治系统中，总控制蝶阀，安装在总控三通上靠近井下管路侧，用于井下气体和系统的联通与切断；瓦斯抽采系统控制蝶阀，安装在总控三通上靠近瓦斯抽采系统侧，用于开闭抽采系统；配空管控制蝶阀，安装在自然放空管底部，用于开关自然放空管；真空泵进气控制蝶阀，安装在水环式真空泵与自然放空管之间的抽采管路上，用于控制泵进气量；真空泵出气控制蝶阀，安装在水环式真空泵与抽采放空管之间的抽采管路上，用于控制泵出气量；放空管控制蝶阀，安装在抽采放空管底部，用于开关抽采放空管；瓦斯发电控制蝶阀，安装在抽采放空三通上，用于控制瓦斯向外输送；CO2灭火系统控制蝶阀，安装在总控三通上靠近CO2灭火系统侧；
储存罐控制阀，安装在二氧化碳储罐出液口，用于控制二氧化碳流量；汽化器进气控制阀，安装在汽化器进液口，用于控制二氧化碳流量；汽化器出气控制阀，安装在汽化器出气口，用于控制CO2流量；监控装置控制阀，安装在CO2流量监测装置进气侧，用于控制CO2流量。
上述系统中，所述的CO2气体流量监测装置包括压力传感器、流量传感器、浓度传感器、温度传感器；所述瓦斯流量监测装置包括压力传感器、流量传感器、浓度传感器、温度传感器和CO传感器。
上述系统中，所述的火焰传感器设置在放空管顶端往下3m处，压力传感器设置在距放空管底部2m处，水封阻火泄爆装置设置在放空管进气侧1m处，自动喷粉抑爆装置设置在沿抽采管道气流方向距火焰传感器30m处。
上述系统中，所述CO2灭火系统中采用灭火介质CO2气体由液态二氧化碳储存罐现场汽化而来，低温灭火效果佳。
上述系统中，所述CO2灭火系统为预留状态不需要安装，不产生任何成本，当需要加注CO2灭火时，可以快速安装CO2灭火系统并投入运行。
上述系统中，功能切换装置中单向阀设置在CO2灭火系统一侧，防止管道中气体逆流，总控三通上设置总控制蝶阀、瓦斯抽采系统控制蝶阀和CO2灭火系统控制蝶阀3个阀门，可实现分别控制；注入CO2气体后切断与井下关联。
本发明提供了上述煤矿瓦斯与火灾共治系统的使用方法，包括以下步骤：
（1）需要抽采瓦斯时，打开总控制蝶阀、瓦斯抽采系统控制蝶阀、真空泵进气控制蝶阀、真空泵出气控制蝶阀、放空管控制蝶阀，关闭配空管控制蝶阀、瓦斯利用控制蝶阀、CO2灭火系统控制蝶阀，再开启水环式真空泵，运行瓦斯抽采系统，并通过瓦斯抽采监测装置监测抽采情况；
（2）当发生火灾时，打开配空管控制蝶阀、再关闭瓦斯抽采系统控制蝶阀，运行3分钟后，关闭水环式真空泵，再关闭配空管控制蝶阀、放空管控制蝶阀，停止瓦斯抽采；
（3）连接二氧化碳储存罐、汽化器和CO2流量监测系统，开启储存罐控制阀、汽化器进气控制阀，开始二氧化碳汽化，准备加注CO2气体；
（4）再次确认瓦斯抽采系统控制蝶阀关闭，开启总控制蝶阀、CO2灭火系统控制蝶阀，开启汽化器出气控制阀、监控装置控制阀，再开启单向阀，开始注CO2气体灭火，并通过CO2流量监测装置监测CO2气体加注情况，通过压力表观察储存罐内液体压力；
（5）如果井下火情已经扑灭，需要停止注CO2气体时，关闭储存罐控制阀，观察CO2流量监测装置中气体压力数值稳定后（不再下降），依次关闭汽化器进气控制阀、汽化器出气控制阀、监控装置控制阀和单向阀，最后关闭CO2灭火系统控制蝶阀和总控制蝶阀。
本发明的有益效果：
（1）本发明提供的煤矿瓦斯与火灾共治系统，结构简单，易于控制，能快速的实现瓦斯抽采和注CO2灭火功能的切换，节省了煤矿井下建立固定灭火站的成本，并且低温CO2对火灾化学反应的抑制效果更佳；
（2）CO2灭火系统可快速安装和拆除，无需专用管道，无需固定厂房和固定设备，无需煤矿井下井巷和设备工程投资，技术上绿色高效；
（3）瓦斯抽采系统和CO2灭火系统可以快速切换，可快速扑灭煤矿作业点和瓦斯管道火灾；
（4）本发明中CO2气体由液态二氧化碳气化而来，温度-37°C左右，可以有效冷却着火物质，实现快速灭火；
（5）CO2气体是煤炭火灾化学反应的主要产物之一，使用CO2做为灭火介质可以高效抑制火灾反应过程，实现快速灭火。
附图说明
图1是本发明提供的一种煤矿瓦斯与火灾共治系统及装备的结构示意图。
图中：1、水环式真空泵；2-1、总控制蝶阀；2-2、瓦斯抽采系统控制蝶阀；2-3、配空管控制蝶阀；2-4、真空泵进气控制蝶阀；2-5、真空泵出气控制蝶阀；2-6、放空管控制蝶阀；2-7、瓦斯发电控制蝶阀；2-8、CO2灭火系统控制蝶阀；3、水封阻火泄爆装置；4、自动喷粉抑爆装置；5-1、自然放空管；5-2、抽采放空管；6-1、总控三通；6-2、自然放空三通；6-3、抽采放空三通；7、火焰传感器；8、压力传感器；9-1、瓦斯流量监测装置；9-2、CO2流量监测装置；10、运输卡车；11、二氧化碳储罐；12、压力表；13-1、储存罐控制阀；13-2、汽化器进气控制阀；13-3、汽化器出气控制阀；13-4、监控装置控制阀；14、铠装软管；15、汽化器；16、输气软管；17、单向阀；18、变径接头；19、抽采管路；A方向为煤矿井下，B方向为瓦斯发电。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
为了解决现有技术和装备存在的问题，如图1所示，本发明提供一种煤矿瓦斯与火灾共治系统及装备，包括瓦斯抽采系统、CO2灭火系统、功能切换装置、流量监控系统和系统安全装置，瓦斯瓦斯抽采系统与CO2灭火系统通过功能切换装置相连。
瓦斯抽采系统包括水环式真空泵1、放空管和三通，水环式真空泵1进出气侧分别设置蝶阀和放空管，放空管底部设置三通。放空管包括自然放空管5-1和抽采放空管5-2；自然放空管5-1底部设有自然放空三通6-2，抽采放空管5-2底部设有抽采放空三通6-3；
CO2灭火系统包括运输卡车10、二氧化碳储存罐11、铠装软管14（公称压力3MPa）、汽化器15，输气软管16，二氧化碳储存罐11经铠装软管14连接至汽化器15，气化后经输气软管16送往井下。
功能切换装置包括：阀门、三通、单向阀17、变径接头18，按照 CO2气体流动方向单向阀17连接变径接头18再接三通。
流量监控系统包括压力表12、CO2流量监测装置9-2（含压力、流量、浓度、温度传感器）、瓦斯流量监测装置9-1（含压力、流量、浓度、温度、CO传感器），压力表12安装在二氧化碳储存罐出液口，CO2流量监测装置9-2安装在汽化器和单向阀之间，瓦斯流量监测装置9-1安装在水环式真空泵进气侧水封阻火泄爆装置3前1m。
系统安全装置包括水封阻火泄爆装置3、自动喷粉抑爆装置4、火焰传感器7、压力传感器8、单向阀17；按照瓦斯气流方向，水封阻火泄爆装置3安装在放空管进气侧1m处，火焰传感器7安装在放空管顶端往下3m处，自动喷粉抑爆装置4安装在沿抽采管道气流方向距离火焰传感器7前30m处，压力传感器8安装在距放空管底部2m处，单向阀17安装在功能切换装置与CO2灭火系统之间。
上述系统中，所述的阀门详细说明如下：2-1、总控制蝶阀，安装在总控三通上靠近井下管路侧，用于井下气体和系统的联通与切断；2-2、瓦斯抽采系统控制蝶阀，安装在总控三通上靠近瓦斯抽采系统侧，用于开闭抽采系统；2-3、配空管控制蝶阀，安装在自然放空管底部，用于开关自然放空管；2-4、真空泵进气控制蝶阀，安装在水环式真空泵与自然放空管之间的抽采管路上，用于控制泵进气量；2-5、真空泵出气控制蝶阀，安装在水环式真空泵与抽采放空管之间的抽采管路上，用于控制泵出气量；2-6、放空管控制蝶阀，安装在抽采放空管底部，用于开关抽采放空管；2-7、瓦斯发电控制蝶阀，安装在抽采放空三通上，用于控制瓦斯向外输送；2-8、CO2灭火系统控制蝶阀，安装在总控三通上靠近CO2灭火系统侧；
13-1、储存罐控制阀，安装在二氧化碳储罐出液口，用于控制二氧化碳流量；13-2、汽化器进气控制阀，安装在汽化器进液口，用于控制二氧化碳流量；13-3、汽化器出气控制阀，安装在汽化器出气口，用于控制CO2流量；13-4、监控装置控制阀，安装在CO2流量监测装置进气侧，用于控制CO2流量。
上述系统中，所述的CO2气体流量监测装置9-2包括压力传感器、流量传感器、浓度传感器、温度传感器；所述瓦斯流量监测装置9-1包括压力传感器、流量传感器、浓度传感器、温度传感器和CO传感器。
上述系统中，所述的火焰传感器7设置在放空管顶端往下3m处，压力传感器8设置在距放空管底部2m处，水封阻火泄爆装置3设置在放空管进气侧1m处，自动喷粉抑爆装置4设置在沿抽采管道气流方向距火焰传感器30m处。
上述系统中，所述CO2灭火系统中采用灭火介质CO2气体由液态二氧化碳储存罐现场汽化而来，低温灭火效果佳。
上述系统中，所述CO2灭火系统为预留状态不需要安装，不产生任何成本，当需要加注CO2灭火时，可以快速安装CO2灭火系统并投入运行。
上述系统中，功能切换装置中单向阀17设置在CO2灭火系统一侧，防止管道中气体逆流，总控三通上设置总控制蝶阀2-1、瓦斯抽采系统控制蝶阀2-2和CO2灭火系统控制蝶阀2-8三个阀门，可实现分别控制；注入CO2气体后切断与井下关联。
本发明中煤矿瓦斯与火灾共治系统及装备使用过程：
（1）需要抽采瓦斯时，打开总控制蝶阀2-1、瓦斯抽采系统控制蝶阀2-2、真空泵进气控制蝶阀2-4、真空泵出气控制蝶阀2-5、放空管控制蝶阀2-6，关闭配空管控制蝶阀2-3、瓦斯利用控制蝶阀2-7、CO2灭火系统控制蝶阀2-8，再开启水环式真空泵1，运行瓦斯抽采系统，并通过瓦斯抽采监测装置9-1监测抽采情况。
（2）当发生火灾时，打开配空管控制蝶阀2-3、再关闭瓦斯抽采系统控制蝶阀2-2，运行3分钟后，关闭水环式真空泵1，再关闭配空管控制蝶阀2-3、放空管控制蝶阀2-6，停止瓦斯抽采；
（3）连接二氧化碳储存罐11、汽化器15和CO2流量监测系统9-2，开启储存罐控制阀13-1、汽化器进气控制阀13-2，开始二氧化碳汽化，准备加注CO2气体。
（4）再次确认瓦斯抽采系统控制蝶阀2-2关闭，开启总控制蝶阀2-1、CO2灭火系统控制蝶阀2-8，开启汽化器出气控制阀13-3、监控装置控制阀13-4，再开启单向阀17，开始注CO2气体灭火，并通过CO2流量监测装置9-2监测CO2气体加注情况，通过压力表12观察储存罐内液体压力。
（5）如果井下火情已经扑灭，需要停止注CO2气体时，关闭储存罐控制阀13-1，观察CO2流量监测装置9-2中气体压力数值稳定后（不再下降），依次关闭汽化器进气控制阀13-2、汽化器出气控制阀13-3、监控装置控制阀13-4和单向阀17，最后关闭CO2灭火系统控制蝶阀2-8和总控制蝶阀2-1。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种煤矿瓦斯与火灾共治系统，其特征在于：包括瓦斯抽采系统、CO2灭火系统，功能切换装置，流量监控系统和系统安全装置；功能切换装置设置在瓦斯抽采系统和CO2灭火系统之间；
所述瓦斯抽采系统包括：水环式真空泵、抽采管路、控制阀门、放空管，按照瓦斯气流方向在抽采管路上依次设置进气侧放空管、进气侧控制蝶阀、水环式真空泵、出气侧控制蝶阀、出气侧放空管；利用水环式真空泵将瓦斯气体从煤矿井下通过负压抽出，从放空管排出或经三通送往瓦斯利用厂；
所述CO2灭火系统用于向煤矿井下着火点注入CO2气体，包括：液态二氧化碳储存罐、运输卡车、汽化器、铠装软管和输气软管、控制阀门，按照CO2气体输送方向依次设置运输卡车、液态二氧化碳储存罐、控制阀门、铠装软管和输气软管、汽化器；
所述功能切换装置用于切换瓦斯抽采和CO2加注功能，包括：三通、变径接头、控制阀门、单向阀；靠近CO2灭火系统侧设置单向阀，CO2气流方向由单向阀流向变径接头再流经三通；
所述流量监控系统用于监控瓦斯抽采量和CO2加注量；包括：控制阀门、压力表、CO2气体流量监测装置和瓦斯流量监测装置，CO2气体流量监测装置设置在控制三通与CO2灭火系统之间，瓦斯流量监测装置设置在控制三通与瓦斯抽采系统之间；
所述系统安全装置用于保证瓦斯抽采设备和CO2加注设备的安全，包括：火焰传感器、压力传感器、自动喷粉抑爆装置、水封阻火泄爆装置和单向阀；火焰传感器设置在放空管上部、压力传感器设置在放空管下部，自动喷粉抑爆装置和水封阻火泄爆装置安装在抽采管道上；单向阀安装在功能切换装置与CO2灭火系统之间。
2.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯与火灾共治系统，其特征在于：所述的CO2气体流量监测装置包括压力传感器、流量传感器、浓度传感器、温度传感器；所述瓦斯流量监测装置包括压力传感器、流量传感器、浓度传感器、温度传感器和CO传感器。
3.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯与火灾共治系统，其特征在于：所述的火焰传感器设置在放空管顶端往下3m处，压力传感器设置在距放空管底部2m处，水封阻火泄爆装置设置在放空管进气侧1m处，自动喷粉抑爆装置设置在沿抽采管道气流方向距火焰传感器30m处。
4.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯与火灾共治系统，其特征在于：所述CO2灭火系统中采用灭火介质CO2气体由液态二氧化碳储存罐现场汽化而来，低温灭火效果佳。
5.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯与火灾共治系统，其特征在于：所述CO2灭火系统为预留状态不需要安装，不产生任何成本，当需要加注CO2灭火时，快速安装CO2灭火系统并投入运行。
6.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯与火灾共治系统，其特征在于：功能切换装置中单向阀设置在CO2灭火系统一侧，防止管道中气体逆流，总控三通上设置总控制蝶阀、瓦斯抽采系统控制蝶阀和CO2灭火系统控制蝶阀3个阀门，可实现分别控制。
7.一种权利要求1~6任一项所述的煤矿瓦斯与火灾共治系统的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）需要抽采瓦斯时，打开总控制蝶阀、瓦斯抽采系统控制蝶阀、真空泵进气控制蝶阀、真空泵出气控制蝶阀、放空管控制蝶阀，关闭配空管控制蝶阀、瓦斯利用控制蝶阀、CO2灭火系统控制蝶阀，再开启水环式真空泵，运行瓦斯抽采系统，并通过瓦斯抽采监测装置监测抽采情况；
（2）当发生火灾时，打开配空管控制蝶阀、再关闭瓦斯抽采系统控制蝶阀，运行3分钟后，关闭水环式真空泵，再关闭配空管控制蝶阀、放空管控制蝶阀，停止瓦斯抽采；
（3）连接二氧化碳储存罐、汽化器和CO2流量监测系统，开启储存罐控制阀、汽化器进气控制阀，开始二氧化碳汽化，准备加注CO2气体；
（4）再次确认瓦斯抽采系统控制蝶阀关闭，开启总控制蝶阀、CO2灭火系统控制蝶阀，开启汽化器出气控制阀、CO2监控装置控制阀，再开启单向阀，开始注CO2气体灭火，并通过CO2流量监测装置监测CO2气体加注情况，通过压力表观察储存罐内液体压力；
如果井下火情已经扑灭，需要停止注CO2气体时，关闭储存罐控制阀，观察CO2流量监测装置中气体压力数值稳定后，依次关闭汽化器进气控制阀、汽化器出气控制阀、监控装置控制阀和单向阀，最后关闭CO2灭火系统控制蝶阀和总控制蝶阀。
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