地面直接注氮法在回采工作面的应用实践

蔡雷雷

（太原理工大学 阳泉学院，山西 阳泉 045000）

地面直接注氮法在回采工作面的应用实践

蔡雷雷

（太原理工大学 阳泉学院，山西 阳泉 045000）

介绍了阳泉新景矿7205工作面火灾事故概况，以及氮气防灭火技术机理，并从技术和经济方面探讨了地面钻孔、井下钻孔、井下移动式制氮装置就地注氮法三种灭火方案的优劣，提出了地面钻孔注氮法的最佳灭火方案；进一步探讨了注氮参数选择、采空区气体置换、以及氮气灭火效果。实践表明：氮气防灭火技术对封闭采空区灭火有效、迅速、无污染、低成本，实现了7205工作面快速启封。

封闭采空区；地面直接注氮法；回采工作面

1 7205工作面火灾发生概况

阳泉新景矿7205工作面位于3号煤二采区中，见图1。工作面采用倾斜长壁后退式综采方法，全部跨落法处理采空区。工作面进风量2503m3/min，平均瓦斯绝对涌出量50.8 m3/min；相对涌出量10.08 m3/t。某日晚9时许，工作面电缆短路，第88架底板瓦斯爆燃（4号煤层向3号煤层涌出卸压瓦斯），爆燃后又引起机尾支架后部煤层燃烧，继而多次引起工作面采空区瓦斯爆炸。发生事故后，采取了隔绝灭火法措施［1］先在南三口（7205进风口）闭沙袋防爆拱形墙和永久密闭，闭墙内预埋两趟Φ500mm铁管；然后向南四正巷、南四副巷（7205回风、尾巷）同时开始灌水，用水密闭回风、尾巷中部呈“V”字型地段，水淹没至回风四～八横贯之间；并加固和密封了可能向7205工作面采空区漏风的密闭（如南二进风、南二瓦斯绕巷、西一探巷等闭墙），至此工作面全部封闭完毕。

2 工作面注氮灭火技术机理

2.1 氮气防灭火技术的机理

氮气是一种惰性气体，不助燃、也不能供人呼吸，密度1.25kg/m3，无腐蚀性，在-195.8℃可成液化氮，在0℃时液氮与氮气体积比为1/647，在20℃的环境温度下，液氮的汽化热为423kJ/kg。氮气注入采空区后可降低氧的浓度，若用液氮注入火区时，液氮汽化吸收热量，会使火区气体、煤层和围岩的温度降低，加速火区火源熄灭；若向封闭的火区注入氮气，则会提高采空区的相对压力，使采空区呈正压状态，防止新鲜风流漏入、阻止煤炭氧化升温、降低瓦斯和氧气浓度，最终防止瓦斯燃爆事故、加速火区火源熄灭。

图1 7205工作面通风系统图

2.2 工作面采空区注氮灭火方案的选择

根据7205工作面的具体情况，结合国内注氮防灭火技术的实际应用，决定采用地面直接注氮法。按照新景矿地理概况、交通情况、地质条件、选择合理施工位置，采用美国T130XD多功能全液压车装钻机打钻，工艺流程如下：①全孔段采用回转空气泡沫钻进。②钻孔结构：一开：0～15 m，Φ311钻头开孔，下Φ273螺旋管。二开：15m～460m，Φ215钻头钻进，下Φ177.8石油套管。三开：460m～480m，Φ152钻头钻进。③钻具组合：一开：Φ311牙轮钻头+Φ146钻铤+Φ121钻铤+Φ73钻杆。二开：Φ215牙轮钻头+定位接头+Φ190无磁抗压钻铤+Φ146钻铤+Φ121钻铤+Φ73钻杆。三开：Φ152牙轮钻头+定位接头+Φ121无磁抗压钻铤+Φ121钻铤+Φ73钻杆。④钻进参数：正常情况下，选取钻进参数，如表1所示。遇换层、破碎带时，应采用减小钻压、降低转速等方式合理调整钻进参数。⑤封孔止水：采用泵入法，用325号水泥全孔封闭。⑥钻具丈量：孔深每100 m丈量钻具一次，误差不大于1.5‰，若超出误差范围，则重新丈量，做平差，校正深度。⑦进度计划：如表2所示。钻孔完毕，从太钢公司直接用20 m3～30 m3大型槽车将液氮运到地面钻孔处。为防止液氮在管路中汽化大量吸热而导致管路及其采煤设备冻裂，应先在地面将液氮汽化，温度控制在-5℃～5℃之间。然后再由地面利用钻孔把氮气直接注入工作面采空区。

3 注氮参数选择

钻孔位置：采用美国T130XD钻机打钻，钻孔参数为：前32.74 m钻孔采用Φ311.15的钻头，后采用Φ215.9钻头，套管为Φ244.5，壁厚8.94 mm，共计打钻475.11m，下套管473.21 m。因工作面发火区为机尾88支架后面，故钻孔到井下出口位置定到：距回风煤柱帮12 m～15 m，距工作面煤帮15 m～18 m的支架后方，见图1。注氮参数如下：

表1 牙轮钻进参数表

表2 施工进度计划表

（1）液氮制造和运输：液氮制造和运输工作由太钢Boc公司承担。制氮方法采用深冷空分法（使过滤净化后的空气进入空气压缩机，经过数级压缩和冷却后,再净化脱水、纯净器纯化、膨胀机膨胀降压,经过热变换反复换热,再经节流降压进入分馏塔液化、精馏,最后从空气中分离出氮气），制取液氮纯度高达99%，符合防灭火要求。制取的液氮由太钢Boc公司直接用20～30m3大型槽车将液氮运到地面钻孔处。

（2）汽化器及参数：采用四川空分设备集团的QQ-1200/16型汽化器，以空气为热源，利用星形管传热，使低温液体汽化。汽化量1200 m3/h（0℃，0.1MPa），最高工作压力0.2MPa～1.6MPa。

（3）注氮强度：单位时间注入氮气的体积。据国内外氮气防灭火技术经验：防火注氮强度一般为5 m3/min；灭火注氮量强度，原则上最初强度要大，将火势压住，然后逐渐降低注氮强度。若回风口敞开，注氮量不得小于9.28 m3/min;若是全封闭采空区，注氮强度可在8 m3/min左右。因此，本次注氮强度500 m3/h(8m3/min左右)，氮气温度在－10℃～－5℃之间。

（4）按下式计算供氮压力：

式中：P2为管路末端的绝对压力，MPa；Qmax为最大输氮流量，m3/h；Do为基准管径，150 mm；Di为实际输氮管径，mm；Li为相同直径管路的长度，km；λ0基准管径的阻力损失系数，0.026；λi实际输氮管径的阻力损失系数。为了达到合理的注氮强度和氮气出口温度，注氮压力在70kPa～87.61kPa之间。

（5）注氮量：封闭采空区注氮灭火的注氮量主要取决于采空区体积、注氮灭火惰化指标、采空区漏风大小等因素。注氮量太小，达不到惰化采空区气体目的，起不到灭火或防火作用；注氮量太大，会造成经济浪费；现场往往按经验来确定。首先确定封闭采空区的体积：Vc=L1L2M+V巷.

式中：Vc为采空区体积和封闭区域巷道巷道的总体积，m3；L1为采空区沿走向长度，m；据本矿3号煤层工作面以里130m的采空区为着火窒息带，L1取130m；L2为采空区沿倾斜方向长度，为工作面长度和工作面上下顺槽宽度之和，取188 m；M为开采煤层采高，取2.64 m；V巷为封闭区域工作面体积及进风巷、回风巷、尾巷体积，经估算V巷取8510 m3。算得：封闭区域体积Vc=73 031.6 m3。由于采空区漏风，常会导致一部分氮气损失；实际注氮量要有备用系数K。据文献报道，扑灭封闭采空区火灾所需注氮量一般取封闭区域体积的3倍。所以，本次总注氮量为Q= KVc=3×73031.6=219094.8 m3；折算成液氮228.2 t～260.8t，取260.8t。

4 采空区气体置换

注氮机工作后，注入采空区的氮气首先置换采空区气体，为确保7205工作面注氮灭火工作取得最佳效果，必须加强采空区气体各置换点监测监控工作，具体措施如下：

（1）第一气体置换点为西一探巷：据测算，地面注氮量达到30000m3以上后，开始置换采空区气体，进一步置换西一探巷内的气体。注氮后的首次取样工作，先打开西一探巷闭墙上观察咀的气门，让闭墙内的气体连续不断地流动到闭墙外，同时详细检查、测定、记录闭墙内外CH4、CO、O2气体浓度和闭墙内外温度。因地面注氮会使已采区内的温度下降、氮气浓度增加，若氮气量在首次取样的基础增加4%，氧气浓度降在5%以下，西一探巷气体置换结束。

（2）第二气体置换点为7205工作面进风：取样前，调节压差使进风闭墙处于负压状态，同时保证系统风量不少于200 m3/h、风流中各有害气体不超限。首次取样工作与西一探巷相同，必须做好各种参数的测定和记录工作，特别是要注意氮气和温度的变化。若氮气量在首次取样的基础上增加4%，氧气浓度降在5%以下，取样工作变为常温，则7205工作面气体置换结束。

（3）第三气体置换点为7205工作面回风和尾巷：首先排除四横贯处回风和尾巷的积水，但不要求全部排完，以能透气有风流为标准；然后在7205工作面回风、尾巷、四横贯以里各闭一道锁风墙，留有Φ1000和Φ500的瓦斯管，且在回风和尾巷必须留有过线管和观察咀。取样前，使四横贯处于负压状态，同时保证系统风量不少于300 m3/h。调整系统后，保证巷道及观察取样处的各有害气体浓度不能超限。首次取样工作与西一探巷相同，若氮气量在首次取样的基础增加4%，氧气浓度在5%以下，无一氧化碳，钻孔温度变为常温，则置换气体结束。

5 注氮灭火效果

据7205工作面气体分析结果，注氮第4 d，西一探巷内气体置换结束；第9天回风、尾巷气体置换结束；第12 d，进风巷气体置换结束。在以后的18 d注氮期间，各测点CO浓度由注氮前的35ppm下降到4 ppm以下，CH4由原来的10%上升为53%以上，氮气浓度达32%以上，氧气浓度下降到3%以下，火区气体温度降到16℃左右；说明氮气灭火效果明显、迅速，达到《煤矿安全规程》的关于密闭火区启封条件。实际情况是，在工作面发火后第98 d开始启封（期间24d联系打钻队伍和确定注液氮方案，实际注氮30 d，计260 t液氮），启封10 d后开始试生产，之后工作面又快速推进了100 m，期间未发现气体异常现象，表明工作面启封结束。

6 结束语

经阳泉新景矿实际效果来看，工作面采空区着火到工作面安全启封只用了98 d，是凝胶、黄泥灌浆灭火无法比拟的，故地面直接注氮法是安全、高效、可行的一种灭火方法。

Practice of Surface Direct Nitrogen Injection in Heading Faces

CAI Lei-lei
(Yangquan College,Taiyuan University of Technology,Yangquan Shanxi 045000)

The paper introduces the fire accident of7205 working face in Xinjing mine and fire prevention and extinguishing technology mechanism with nitrogen.Three nitrogen injection methods (including surface boreholes,underground boreholes,and underground mobile nitrogen generators)are compared in terms of technology and economy.The surface boreholes nitrogen injection is determined to be the best scheme.The paper further discusses parameters selection,gas replacement in mined-out areas,and fire control effect of the nitrogen method.The practice showed that the effective,fast,pollution-free,and low-cost fire prevention and extinguishing technology with nitrogen could quickly release the sealed mined-out area of7205 working face.

sealed mined-out area;surface direct nitrogen injection method;heading faces

TD752

A

1672-5050（2012）09-0070-03

2012-03-25

蔡雷雷（1984—），女，山西原平人，硕士，讲师，从事矿井防灭火、矿井通风、采矿工艺研究。

刘新光