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摘要：文章对井下消防给水系统、井下防尘洒水系统、消防洒水管道系统等方面做了较为全面的论述，并对各设计环节提出了设计观点，给出了相应的设计参数。
关键词：井下消防；井下自动灭火；喷雾降尘；风流净化水幕；消防洒水管道
1 煤矿井下消防、洒水设计概述
煤矿井下消防、洒水设计是煤炭工程设计的重要组成部分，为井下的安全生产带来了举足轻重的作用。而且伴随着煤炭基本建设以及煤矿安全技术的飞速发展，煤矿井下消防、洒水系统的设计要求变得日趋严格，国家颁发的煤矿安全设施设计规范也不断更新。但在实际生产中，并不能保证所有煤矿都会遵章守纪以及不可避免的突发情况发生，因此，在井下消防、洒水作业中所面临的问题也是不尽相同的。本文针对煤矿井下消防、洒水设计中存在的问题，对井下消防给水系统、井下防尘洒水系统、消防洒水管道系统的设计提出了部分设计观点。
2 井下消防给水系统
井下消防给水系统由水源及地面消防水池、井下消防管道、井下消防给水管网组成。
2.1 水源及地面消防水池
水源有以下几种类型：1）地面水源；2）井下水源；3）同时采用地面和井下水源两种水源。最终采用水源可以根据现场具体情况技术经济比较后确定。
用于井下消防的地面水池，在靠近井下消防管道入井处附近设置。《煤矿井下消防、洒水设计规范》规定，单独设置的地面消防储备水池，其容积应按井下一次火灾的全部用水量计算，且不得小于200m3。合建水池容积应大于日常洒水的调节容量与消防储备水量之和。
当消防的地面水池与其他水池合建时，应有确保平时井下消防储备水量不作他用的措施。消防储备水量应按一次火灾消防用水总量计算。消防储备水池补充水的流量应按补充时间不超过48h计算。井下洒水调节水量可按井下连续2h的洒水量计算。
2.2 井下消防管道
井下消防、洒水系统两大类功能要求的水质基本一致，设计宜采用消防与洒水合一的枝状管网，另外也可以根据巷道布置的具体情况，考虑局部采用环状管网的方式，但井下消防、洒水系统的管道必须延伸到可以对全部用水点进行供水的所有位置。敷设管道时，管网进水口位置的选择及管网的布置应使管道中水的流向跟巷道中的风向一致或在火灾时能够临时改变成一致。在井下消防洒水干管及支管的直线管段上，每隔500m需安装一只检修阀门；在每个支管地点附近位置及用水设备前的管道上，都要安装一只控制阀门。
2.3 消火栓给水系统
在主、副井筒马头门两端，采区各上下山口，变电所等机电硐室入口，爆炸材料库硐室、检修硐室、材料库硐室入口，掘进巷道迎头，回采工作面进、回风巷口、胶带输送机机头等重点保护区域及井下交通枢纽的15m以内设置消火栓，在斜井井筒、井底车场、胶带输送机大巷，采用可燃性材料支护的巷道每隔50m设置一个消火栓，在煤层大巷，采区上山、下山、工作面运输及回风顺槽等水平或倾斜巷道每隔100m设置一个消火栓，岩石大巷、石门每隔300m设置一个消火栓，以保证灭火需要。消火栓进口水压应为0.35MPa~0.8MPa。
消火栓的规格应为DN50，由带阀门的三通支管及水龙带接口组成。消火栓栓口安装高度可根据巷道情况确定，但宜设置在距巷道底面0.8~1.6m的范围之内。水龙带应采用适合于井下使用及长期存放的材质，并与消火栓匹配，每个水龙带存放地至少存放2卷25m长水龙带，并宜同时存放50m左右d25消防卷盘、同规格的灭火喉及消防卷盘与消火栓连接的专用连接管件等。消火栓及水龙带、水枪、接管件设置应标志明显、使用方便，不会妨碍井下其他设备的工作，且不易因物体碰撞而受损坏，接口应与矿区救护队或承担井下灭火任务的消防部门配备的器材一致。在设有专用消防加压泵或电动消防切换阀且井下条件允许时，应在消火栓及存放水龙带地点附近设启动按钮。
矿井井下消火栓设计总流量可按5L/s~10L/s计算。每个消火栓的计算流量应按2.5L/s计算。火灾延续时间应按6h计算。
2.4 井下自动喷水灭火系统
《煤炭工业矿井设计规范》GB50215-2015第15.3.5第一条和《煤矿井下消防、洒水设计规范》GB50383-2006第6.1.7第一条均规定“胶带输送机机头处设自动喷水灭火系统”，条文说明中介绍了美国国家消防协会NFPA123标准关于胶带输送机采用的湿式管道自动喷水系统，“在向自动喷水灭火系统供水的管线的接管处必须安装一个带状态指示装置的满流慢开控制阀。在向喷头供水的管道上必须安装水流指示器或报警阀”；“喷头必须是下垂型、直立型或边墙型的自动喷头。一般孔口为12.7mm，额定温度79~107℃”。
固定灭火装置用水量应按成套设备额定流量计算，非标设计应按设计喷头数量及喷水强度计算。自动喷水灭火系统使用延续时间应按2h计算。
2.5水喷雾隔火装置
水喷雾隔火装置主要设置在马头门内侧20m处。通过水喷雾降低烟气温度，达到控制火势的目的。水喷雾隔火装置一般要设置三层，层与层之间相隔3～5m。水喷雾隔火装置用水量可按喷头数量累加计算，工作时间为6h，最低喷头出口压力不应小于0.2MPa。
3 井下防尘洒水系统
防尘洒水是井下生产的主要环节，它不但可以预防工作人员的疾病发生，还可以防止因明火而引发的瓦斯爆炸或煤尘爆炸等的发生。
3.1喷雾降尘
喷雾降尘的原理是利用水的雾滴与尘粒相碰撞，尘粒经过湿润和凝聚而增加了质量，在重力的作用下从空气中沉降下来。煤矿井下的尘源点主要有在井下采掘工作面的采煤机、掘进机截割部、放顶煤工作面放煤口、液压支架产尘源、破碎机等处以及运输系统中的煤仓、溜煤眼、翻车机、装车机、胶带运输机、刮板输送机、转载机等的转载点和卸煤点。只要在这些部位设置好喷雾降尘装置，就控制好整个巷道的粉尘浓度。另外，掘进工作面、采煤工作面，易产生煤尘，需要进行空气净化的巷道的适当位置，也要设置上喷雾降尘装置，采掘工作面的外喷雾应采用由高压喷嘴构成的高压喷雾装置。喷雾喷嘴进口水压应为0.6MPa~1.2MPa。
普采、综采、综放工作面的洒水除尘，采煤机内、外喷雾剂冷却水总流量应按设备的设计流量计算。支架、放顶煤、装煤机、溜煤眼喷雾尘源覆盖面积，可参考1）移架喷雾12~16m2，1）放顶煤喷雾24~36m2，3）溜煤眼4~8m2，4）转载点12~16m2。喷雾强度可取2~3L/(min?m2)，日工作时间8~12h。
机掘工作面的洒水除尘，掘进机喷雾及冷却用水量宜按机组或喷雾泵额定流量取值，但不得低于80L/min，日工作时间按10h计算。
炮采及普掘工作面的洒水除尘，湿式煤电钻或凿岩机，每台用水量可取5L/min，每日工作时间按8h计算。放炮喷雾的单位时间用水量可取20L/min，每日工作时间按2h计算。装煤机、装岩机喷雾用水量宜按喷嘴流量及数量计算，应符合《煤矿井下消防、洒水设计规范》GB50383-2006第6.3.2规定，日工作时间按10h计算。
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3.2风流净化水幕
井下巷道空气中存在大量漂浮的粉尘，目前采取的净化手段主要是水幕。《煤矿井下消防、洒水设计规范》GB50383-2006第6.3.4规定，“1）采煤工作面进回风顺槽靠近上下出口30m内；2）掘进工作面距迎头50m内；3）装煤点下风方向15~25m处；4）胶带输送机巷道、刮板输送机顺槽及巷道；5）采区回风巷及承担运煤的进风巷；6）回风大巷、承担运煤的进风大巷及斜井”。以上地点应设置风流净化水幕。风流净化水幕用水量可根据尘源覆盖面积取值，A≥20m2，用水量0.40L/s，日工作时间24h；13m2≥A≥20m2，用水量0.32L/s，日工作时间18h；A＜13m2，用水量0.24L/s，日工作时间16h。
3.3煤层注水
煤层注水是降低煤尘浓度最有效的措施。煤层注水的用水量与煤的硬度、孔隙率、煤层压力、采煤方法、工作面规模、注水钻孔规格及注水方法等情况都有关系，是比较复杂的，只有现场试验才能得到准确的数据。静压注水吨煤注水量可根据煤层特性在20~35L范围内取值。对于动压注水，一般由采矿设计根据条件选定了注水泵，洒水系统设计时即可按注水泵的额定流量考虑。注水时间应采用试验结果。无试验数据时，在注水与采煤平行作业的情况下可按每天16h或18h计算；在注水与采煤交错作业的情况下可按每天8h计算。
3.4 防止沉积煤尘飞扬
《煤矿安全规程》2016中规定“没有防尘供水管路的采掘工作面不得生产。”因此设有供水管道的各条大巷、上下山及顺槽每隔100m应设置一个规格为DN25的给水栓；掘进巷道中岩巷每隔100m、煤巷每50m设置一个规格为DN25的给水栓；溜煤眼、翻车机、转载点等需要冲洗巷道的位置设置给水栓。湿式凿岩及湿式煤电钻的引水管或分水器的引水管，注水泵、喷雾泵吸水桶的进水管，宜通过软管与供水系统的给水栓相接。混凝土搅拌机用水量0.42 L/s，日工作时间10h；普通巷道用水量0.17/km，日工作时间3h；带式输送机巷道用水量0.33/km，日工作时间3h；采掘工作面用水量0.33 L/s，日工作时间3h。
除上述用水设施外，其他井下各用水设施的用水量及日工作时间可按《煤炭工业矿井设计规范》GB50215-2015第15.3.11中表格选取。
4 井下消防洒水管道安装与选材
4.1 管道选材
1）管材。煤矿井下消防、洒水管道宜采用钢管。最大静水压力大于1.6MPa的管段应采用无缝钢管；计算水压小于或等于1.6MPa的管段可采用焊接钢管。
2）管件。井下管道中采用的阀门及标准管件发生的故障较多，因此在设计中采用的阀门及标准管件的公称压力应大于管道所受到的计算水压。井下管道的连接宜采用法兰盘、快速接头及其他满足强度要求又拆装方便的连接方式。
4.2 管道敷设
1）立井井筒内管道敷设。立井井筒中的井下消防、洒水管道宜靠近井壁并保持检修操作所需的距离。管道每隔100~150m设一个承受管道荷载的立管托座。为承受重量及水动力荷载，应通过立管托座传递到固定于井壁的承重梁上。并在两个管托座之间设一个伸缩器。管道应设立管支架，用管卡将立管固定在支架上。
支架位置应与罐道梁等构件的位置协调。
2）水平巷道中管道敷设。巷道内敷设的管道应采用牢固的构件固定。管道及固定件位置应不妨碍人员和运输设备的通行。沿巷道底板敷设的管道距道喳面的净高不应小于0.3m，布置在人行道上的管道距道喳面的净高不应小于1.8m。在巷道的直线管段应设支承管道重量的滑动支架，用管卡固定管道，有时也可用吊架代替。水平巷道的直线段宜每隔100m左右设一个固定支架，并且应在每两个管道拐弯点之间的直线管段上设一个固定支架。直线管段的每两个固定支架之间宜设一个管道伸缩器。
3）斜井井筒及倾斜巷道中的管道敷设。巷道内管道敷设除需要满足水平巷道中的固定及滑动支架以及净高要求外，必须在适当的位置设承受下滑力的斜管托架。托架之间宜设一个管道伸缩器。斜管托架及倾斜巷道的固定支架的强度应能承受管道的下滑力。采用无轨胶轮车运输的斜井井筒中需要敷设时，管道必须设在高于运输设备的井筒上部。
4.3管道防腐
安装在井筒内的井下消防、洒水系统的钢管、钢制管件应按《煤矿立井井筒装备防腐蚀技术规范》MT/T 5017的规定进行防腐蚀处理。巷道中的井下消防、洒水系统的钢管、钢制管件应根据井下巷道各部位的不同条件，分别选择《煤矿井下消防、洒水设计规范》GB50383-2006附录F中推荐的不同等级的预处理工艺和涂料。
5 井下消防、洒水管道其他要求
5.1井下消防、洒水水质标准
井下消防、洒水用水的水质应满足各用水项的不同要求。1）悬浮物含量不超过30mg/L；2）悬浮物粒度不大于0.3mm；3）pH值为6~9；4）大肠菌群不超过3个/L；5）浑浊度≤5（NTU——散射浊度单位）；6）BOD5不大于10mg/L。
5.2管道加压、减压
供水系统应保证供水管道及每个用水设备和器具均在允许的压力范围内工作，在必要时应设置加压或减压设施，以满足最不利点的水压要求。
管网升压可选用水泵，其工作泵及消防泵都要设置备用泵，局部升压时可采用管道泵。
需减压的井下消防、洒水管道宜采用减压阀、减压孔板降低下游管道的水压。在有可利用的空间且位置合适时，也可采用减压水箱或利用用水点的上水平蓄水仓将上游管道中的水压释放，然后再靠静压送往用水点。减压水箱容积不小于管道计算流量的10min水量，进入减压水箱管道的静压不宜超过2.0MPa，水箱宜采用耐腐蚀的材料制造，应装设两个浮球阀，且需要留出检修空间和操作空间。
5.3井下消防、洒水自动化
井下消防、洒水系统应进行自动化控制，建立火灾自动报警系统，消火栓給水系统、自动喷水灭火系统、水喷雾隔火装置能在监控站显示并能控制，这样监控人员就能及时掌握，领导也能及时组织扑救。
1）井下喷雾防尘、水喷雾隔火设施宜设置自动控制装置；2）采煤工作面和掘进工作面上的放炮喷雾系统宜采用放炮声控自动喷雾装置和爆破冲击波自动喷雾装置；3）除采掘工作面外，其他地点的风流净化水幕可选用光电式、感应式自动控制装置来实现自动化；4）井底车场、运输大巷、卸煤口、主要绞车道、装车站和胶带输送机机头等产尘地点宜设置光电式或感应式喷雾洒水控制装置。井下的装卸载点应设自动喷雾洒水控制装置，实现在装煤或卸煤的同时进行喷雾。对于架线机车巷道等定点洒水场所宜选用触控式、水银触点式等控制装置，而风速较大的绞车道和机车运输大巷可选用风电控制装置。5）对于自动化程度要求不高的场所可选用机械式自动控制装置。
另外，矿井需设置井下安全监测系统，设在监控站及调度室内，对以下环节进行监控。1）消防储备水池能显示水位，能控制阀门；2）加压泵的运行状态；3）井下消防、洒水管道上重要控制阀、切换阀的状态指示，并能控制；4）固定灭火装置的运行状态；5）井下消防给水最不利点的水压值。
参考文献
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论文作者:王珂
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第9期
论文发表时间:2018/8/27
标签：井下论文; 管道论文; 巷道论文; 工作面论文; 用水量论文; 消火栓论文; 日工论文; 《建筑学研究前沿》2018年第9期论文;