新峪矿综放工作面注氮气泡沫防灭火技术应用①

孙红俊 陈军伟 康怀宇

(1.汾西新峪煤业公司，山西孝义 032300;2.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

新峪矿综放工作面注氮气泡沫防灭火技术应用①

孙红俊1②陈军伟2康怀宇2

(1.汾西新峪煤业公司，山西孝义 032300;2.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

氮气防灭火技术是防治煤层内因火灾的有效技术措施之一，但氮气轻，易流失，本文针对新峪矿5110综放工作面的实际情况，采用了氮气泡沫结合的方法进行防灭火，对注氮设备、注氮方式、注氮工艺、进行了详细的阐述，并对防灭火效果进行了深入分析。

“孤岛”综放工作面;煤层自燃发火;氮气泡沫结合;间歇式注氮

0 引言

新峪煤矿采用综采放顶煤技术开采，煤质为富硫主焦煤，煤层具有自燃发火性，最短发火期为6个月，自燃倾向性类别为Ⅲ类发火矿井。矿井自1966年投产以来，有过13次发火或高温出现CO。现阶段对于煤层的自然发火规律认识还不完善，防灭火技术也存在有待完备的地方。针对新峪煤矿综放工作面的实际情况，决定采用注氮气泡沫防灭火技术进行治理［1］。

1 新峪矿5110综放工作面概况

5110工作面属于“孤岛”综放工作面，它与上部采空区距离很近，开采后上下煤层采空区将连成一体，5110工作面主采10#、11#煤层，地面标高+874m～+1007m，工作面标高+751m～+777m。工作面东为5112采空区，南为五采区大巷，西为5308采空区，北为井田边界。工作面走向长900m，倾斜长148m，面积133200m2;煤层厚度7.37m，倾角7°，容重1.37t/m3，工业储量1344907t，可采储量1117767t。煤层直接顶为泥岩，厚度0.6m;老顶为石灰岩，厚度7.73m;直接底为铝质泥岩，厚度1.6m;老底为砂质泥岩，厚度3.23m;相对瓦斯涌出量0.50m3/t，绝对涌出量0.489m3/min，煤尘有爆炸危险，爆炸指数20%;煤层易自燃，最短发火期6个月。5110工作面采用长壁式综合机械化低位放顶煤全部垮落采煤法。

2 新峪矿5110综放工作面注氮气泡沫防灭火技术工艺

2.1 注氮气泡沫防灭火技术的提出

氮气防灭火技术是防治煤层内因火灾的有效技术措施之一，其实质是向采空区氧化带内或火区内注入一定流量的氮气，使其氧含量降到8%～10%以下，达到防火、灭火和抑制瓦斯爆炸的目的。国内外煤矿应用氮气防灭火的实践表明，氮气具有灭火速度快，既能防火，也能灭火，还能抑制瓦斯爆炸等优点，但是氮气的密度比空气轻，容易流失，不易在防治区滞留［2］。

对于新峪矿5110综放面来说，四面采空，开放区域较多，氮气易流失，停止注氮后，防灭火作用很快消失，因此，可以借鉴空气泡沫的防灭火原理，克服单纯注氮容易流失的缺点，制成氮气泡沫用于防治开放区域煤层自然发火［3］，其作用如下：(1)泡沫具有粘度高、弹性大以及密度小的特点，能够移动并聚积在采空区的空隙中，在工作面及采空区冒落矸石间建立空气不透气区域;(2)泡沫具有防热剂的性质，泡沫中的水分蒸发从周围吸收热量，1m3的水蒸发成水蒸汽吸热46.02kJ，同时增大煤的热容量和导热性能;(3)泡沫液对煤具有较好的湿润作用，能在煤的表面形成膜，阻碍煤对氧的吸附，减弱煤的氧化作用，降低煤的发热速度［4］;(4)氮气泡沫注入火区后，能够实现大范围冷却降温、固氮、隔绝空气、堵漏风等功能，氮气泡沫防灭火技术与其他防灭火措施配合使用，具有很好的互补性，防灭火效果显著［5］。

2.2 注氮方式

根据新峪矿5110工作面的实际情况，选择移动式膜分离法制氮设备，采空区预防性防火注氮，采用间歇式、埋管注氮工艺。

2.3 注氮设计

2.3.1 间歇式日注氮量计算及设备选型

Qm——间歇式注氮时日注氮量，m3

b——工作面日推进度，m;

L——工作面长度，m;

H——采放煤高度，m;

K1——采空区气体置换系数，取2～3;

K2——采空区冒落矸石松散系数，取

0.8～0 .9;

K3——工作面校正系数，按如下公式计算：

Lmax——采空区窒息带与氧化带边界距工作

面距离，m;

Lmin——采空区氧化带与散热带边界距工作

面距离，m。

根据新峪矿5110综放工作面实际情况，设计计算参数选择如下：b=3.6m;L=148m;H= 6.97m;K1=3;K2=0.9;Lmax=95m;Lmin=5m。

代入公式计算：Qm=3.6*148*6.97*3* 0.9*(95－5)/95=9499m3/d

按照每天注氮16小时计算，每小时注氮量：Qm/16=594 m3/h≈600m3/h

根据计算结果，按照每天注氮16小时计算，每小时注氮量约为600m3，则注氮设备的产气能力应该大于等于600 m3/h。

2.3.2 注氮工艺

1)注氮防灭火工艺系统

以空气为原料，通过空分设备精馏分离出氮气，再通过低压贮气罐，经加压机送至输氮管路，并通过管路连续不断地送至井下，同时，按6%的浓度配制泡沫溶液，在注氮管出口附近，加装起泡器，用计量泵将泡沫溶液吸入起泡器与氮气混合为氮气泡沫，然后通过埋入采空区氧化带的管路注入采空区，起到固氮、降温、堵风、堵漏的防灭火作用，注氮防灭火工艺系统如图1所示。

图1 注氮防灭火工艺系统示意图

2)采空区注氮管路布置方式

(1)管路敷设：在工作面进、回风顺槽外侧巷帮或顶板敷设橡胶管，最后和注氮钢管相连，每节钢管的支点不少于3点，管路铺设应尽量减少拐弯，要求平直稳，接头不漏气。

(2)埋管工艺：沿工作面进风巷、靠巷壁铺设注氮干管，并固定在支柱上。

(3)注氮时间：注氮方式采用间断式，每天注16h，注氮量200m3/h。

如图2，沿工作面进风巷、靠巷壁铺设注氮干管，每隔20m引出注氮支管，并在支管上安装闸阀，控制氮气注入量，支管端部安设特制埋管器与防护铜网，以90°弯管拐向采空区，与工作面平行，氮气释放口应高于底板。随着工作面推进，埋管逐渐进入采空区，当埋入采空区的第一个注氮口与工作面相距20m时，打开第一闸阀开始向采空区注氮。当注氮口与工作面相距40m时，封闭该注氮口，整个注氮过程中，注氮口是依次下延，见图3。

3 新峪矿注氮气泡沫防灭火技术效果分析

本工作面采用KSS－200型束管监测系统，同时按照图4所述方式布置温度测点，对采空区内气体成份浓度、温度进行了测定，表1、2给出了1#、4#测点在未采用注氮泡沫防灭火技术情况下的测定结果。在采用注氮气泡沫防灭火技术后、通过束管监测系统和测温系统测得采空区内布置测点的气体成份浓度和温度，表3、4给出了1#、4#测点的测定结果。

图2 注氮管管路布置示意图

图3 注氮管示意图

图4 束管铺设示意图

表1 1#测点指标气体浓度及温度

表2 4#测点指标气体浓度及温度

距工作面距离m CO ppm CO2 ppm CH4 ppm C2H4 C2H6 C3H8 ppm ppm ppm温度℃40 1.80 408.46 2.91 0 0 0 27.5 50 1.82 410.78 2.87 0 0 0 28 60 1.85 411.54 2.85 0 0 0 28 70 1.86 410.65 2.96 0 0 0 28 80 1.87 409.73 2.78 0 0 0 28 90 1.86 410.67 2.84 0 0 0 28 100 1.88 411.43 2.86 0 0 0 28 110 1.88 411.65 2.92 0 0 0 28 120 1.87 412.65 2.87 0 0 0 28

表3 1#测点指标气体浓度及温度

表4 4#测点指标气体浓度及温度

综放工作面注氮气泡沫防灭火技术的应用，成功的防止了5110工作面和采空区的煤炭自燃，实现了安全生产，顺利回收了全部煤炭资源。对比表1－4可以发现采取注氮泡沫防灭火技术后各测点在采空区可能自燃带内距工作面相同距离时温度有明显降低，降低幅度平均达到4℃～6℃，在达到未采取防灭火技术时的最高温度时，距工作面距离推后约60～80m，注氮泡沫防灭火技术取得了非常好的应用效果，大大降低了自然发火危险性。

4 结论及建议

通过对新峪矿5110综放工作面立体化的综合防灭火技术的研究和实践，得出如下结论：采空区注氮气泡沫是一种行之有效的防灭火技术;创新之处是借鉴空气泡沫的防火原理，克服单纯注氮易流失的缺点，用于防止开放区域煤炭自然发火效果好，成本低，具有推广应用前景。

［1］王浩，李剑锋.注氮防灭火技术在三河尖矿的应用［J］.山东煤炭科技，2008(05)

［2］李胜杰，樊金志，张旺吉.浅谈注氮技术在采空区防火中的应用［J］.矿山机械，2008(16)

［3］王振平，王洪权，宋先明，陈建峰.惰气泡沫防灭火技术在兴隆庄煤矿的应用［J］.煤矿安全，2004(12)

［4］马安强，郭媛.三相泡沫防灭火技术在彬长矿区的应用［A］.煤矿安全工程实用技术新进展［C］，2008

［5］韩云龙.厚煤层综采放顶煤工作面防灭火技术的探讨［J］.矿业安全与环保，2002(04)

Application of fire fighting technology of nitrogen foam injection on fully mechanized coal face in Xin Yu mine coal

SUN Hongjun1，CHEN Junwei2，KANG Huaiyu2

(1.Fenxi Xinyu Coal Company，Xiaoyi Shanxi032300;2.Safe engineering academy，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing－East101601)

Fire fighting technology of nitrogen injection is one of the most effective technical measures in preventing coal seam fire.However，nitrogen is light and loses easily.Regarding the practical situation on 5110 fully mechanized coal face of Xin Yu mine coal，this thesis analyzes the combination of nitrogen and foam for firefighting technology.It elaborates the nitrogen produce equipment，nitrogen injection way，and nitrogen injection technology.Furthermore，it analyzes the fire control results in details.

The“isolated island”in fully mechanized top coal caving face;coal spontaneous combustion;nitrogen foam combination;intermittent type of nitrogen injection

TD75+3.4

A

1672－7169(2011)04－0001－04

2011－07－21

孙红俊(1969－)，男，山西介休人，大学毕业，助理工程师，现任山西汾西新峪煤业公司安全副经理。