兴兴煤矿综采工作面注氮防灭火方案设计

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【摘 要】矿井火灾是矿井主要自燃灾害之一，注氮是目前煤炭开采中较为常用的、经济有效的煤矿防灭火手段。介绍了兴兴矿业有限公司2232综采工作面的情况，根据工作面的产量、吨煤注氮量、瓦斯量和采空区惰化要求等因素，计算了2232综采工作面的注氮量，提出通过工作面注氮量和合理调节瓦斯抽采量相平衡，可实现瓦斯与火共同防治。

【关键词】综合防灭火；综采工作面；注氮；抽采；均压

1 工作面概况

兴兴煤矿开采煤层为孙家湾煤层，平均煤层厚度9m，煤层中间带有9m厚的夹矸，上下分层开采。2232综采工作面（分层开采的下幅工作面）是126采区的第一个卸压生产面，上方是分层开采的上幅2232采空区。2232综采工作面设计可采走向长度5750m，工作面长105m，煤层倾角7～8°，煤种为气煤，煤层密度1.36t/m3，煤层产状N230E、SE∠50-∠100。煤层顶为煤，底板粉砂岩遇水易膨胀，煤层发火期为3～6个月，最短1个月。

2 注氮防灭火方案

2.1 氮气防灭火原理及特点

氮气是一种无色、无味、无嗅、无毒的气体。由于氮气分子结构稳定，其化学性质相对稳定，在常温、常压条件下氮气很难与其它物质发生化学反应，所以它是一种良好的惰性气体，随着空气中氮气含量的增加，氧气含量必然降低。当氧气含量低到5～10%时，可抑制煤炭的氧化自燃；氧气含量降至3%以下时，可以完全抑制煤炭等可燃物的阴燃与复燃。用氮气防灭火和阻止瓦斯爆炸的过程称为惰化，惰化后的火区因氧气不足而不能燃烧和爆炸。氮气的防灭火作用，即是使采空区等有关区域惰化。氮气的防灭火作用和特点是：（1）氮气可以充满任何形状的空间并将氧气排挤出去，从而使火区中因氧含量不足而将火源熄灭，或者使采空区中因氧含量不足而使遗煤不能氧化自燃；（2）在有瓦斯和火存在的气体爆炸危险区内，注入氮气能使可燃性气体失去爆炸性；（3）向采空区或火区中大量注入氮气后，可以增加采空区相对压力，致使新鲜空气难以漏入；（4）氮气防灭火必须与均压和其它堵漏风措施配合应用。否则，如果注入氮气的采空区或火区漏风严重，氮气必然随漏风流失，难以起到防灭火作用。

目前，工业制取氮气均以空气作为原料气，这种原料气的供给是无限量的。煤矿井下移动式制氮机主要有变压吸附法和薄膜分离法。

2.2 注氮量计算

注氮量是最重要的注氮参数，直接决定着注氮效果。注氮量太小因达不到惰化采空区气体的目的而起不到防火的作用，注氮量太大造成经济上的浪费。注氮量主要取决于被注地点的几何体积、氧化空间大小、裂隙情况、漏风量大小以及气体组分等[4]。2232综采工作面注氮量的计算依据如下：

（1）按采出空间计算

其实质就是向采空区注入一定流量的氮气，惰化采煤所形成的空间，使氧气浓度降低到防火惰化指标以下，所需要的注氮流量按下式计算：

（2.1）

式中，Qn―注氮流量m3/h；

A―平均日产量，3000t/d；

R―煤的容重为1.36t/m3；

N1―管路输氮效率0.8；

N2―采空区注氮效率，一般为0.5；

C1―采空区氧化带内平均氧浓度，20%～10%，取15%；

C2―采空区防火惰化指标，规程定为7%；

K―备用系数，一般1.3-1.5，取1.3。

由此，计算Qn=1.3×[3000/（1.36×0.8×0.5×24×（15%/7%

-1）]=261m3/h。

（2）按采空区氧化带氧含量计算

此法计算的实质是将采空区氧化带内的原始氧含量降到防火惰化指标以下，按下式计算注氮流量：

Qr=60Q0KC1-C2/CN+C2-1 （2.2）

式中，Qr―注氮流量，m3/h；

Q0―采空区氧化带内漏风量，m3/min，现取5m3/min；

C1―采空区氧化带内平均氧浓度，20%～10%，取15%；

C2―采空区惰化防火指标，取7%。

CN―注入氮气中的氮气浓度，97%。

K―备用系数，一般取1.2～1.5，现取1.3。

经计算，Qr=60×5×1.3×（15%～7%）/（97%+7%-1）=780m3/h。

取两种计算结果的最大值，工作面防火所需注氮流量为780m3/h。

2.3 注氮工艺和方法

（1）制氮设备

根据注氮能力和注氮压力的计算，选用DM-500型煤矿用移动式碳分子筛制氮装置，制氮装置列车从里往外依次为：MOGF32/8-185G型空压机7台（六用一备）、空气缓冲罐车1台、储氮罐车1台。

（2）注氮系统设计

南翼水采泵房1、3号氮气站DM-500制氮机（7台）-650材料大巷126运输上山2232运输巷和回风巷。

（3）注氮方法

采用预先铺设管路注氮方式，连续注氮方法。在运输巷，每间隔20m埋设一趟Ф108mm钢管，钢管接设好顶帽，用弯头及短管挑到下隅角高顶处或顶板最高处。每一路氮气高顶管埋入采空区20m后开始注氮，并重新下一路高顶管，注氮高顶管及注氮工作如此循环进行，保证高顶管注氮气距离在20m～40m之间。

（4）注氮防灭火惰化指标

采空区惰化氧浓度指标不大于煤自然临界氧浓度；惰化灭火氧浓度指标不大于3%；惰化抑制瓦斯爆炸氧浓度指标小于12%[5]。

3 注氮和调节瓦斯抽采负压平衡

2232综采工作面与上幅2132采空区之间夹盘厚度平均为9m。由于全负压通风，2232综采工作面运输巷空气压力相对上幅2132采空区呈正压状态，通过顶板裂隙向上幅采空区供氧；2232综采工作面回风巷相对上幅2132采空区呈负压状态，上幅采空区高浓度瓦斯通过顶板裂隙涌入。

根据现场情况，通过均压风机、尾巷及上幅采空区抽采量调节，控制2232综采工作面的压力，使运回两巷的压力与上幅采空区之间趋于平衡状态。在2232综采工作面运回两巷，每隔30m向顶板施工一组（2个）钻孔，观察和检测上幅采空区气体组分和压力变化情况。向上幅采空区注白泥以封堵顶板裂隙，注氮、注阻化剂以减少向上幅2132采空区供氧和减缓采空区遗煤自燃，同时也防止了上方采空区高浓度瓦斯外溢。通过注氮、调节瓦斯抽采量、均压等措施，可达到瓦斯与火的共同防治的目的。

4 结论

氮气是一种无毒的不可燃气体，氮气注入井下后具有：降低氧的浓度的作用，既可以迅速扑灭明火，又可以防止采空区遗煤自燃，还具有降温冷却的作用，兼具抑爆的效果。使用注氮、抽采均衡综合防灭火具有不影响其它工作，成本低等优点。但是，必须注意对注氮区域的氮气和氧含量进行连续监测，确保注氮区域的稳定和注氮区域下风作业人员的安全。此外，有必要加大采空区下部综采工作面氮气抽采均衡综合防灭火技术实践，促进该技术的不断完善。

参考文献：

[1]张建国，刘广金.氮气防灭火技术在平顶山矿区的应用[J].煤矿安全，2008（5）.

[2]蔡婷，兀帅东.氮气防灭火技术在义马矿区的应用[J].能源技术与管理， 2011（2）.

[3]王长元.放顶煤综采工作面以注氮为主的防灭火技术[J].煤炭工程师，1995（1）.

作者简介：

周龙江，男（1973.08―），辽宁省阜新市人，从事煤矿“一通三防”方面的研究工作。