注氮防灭火技术在兴源矿的应用

张泽

(开滦(集团)蔚州矿业公司兴源矿,河北张家口　075700)

注氮防灭火技术在兴源矿的应用

张泽

(开滦(集团)蔚州矿业公司兴源矿,河北张家口075700)

文章阐述了注氮技术的工作原理,并在6401综采面进行应用,有效地对采空区自燃发火进行了控制,保证了采煤工作面的安全生产和撤面。

注氮防灭火 应用

1　矿井概况

兴源矿属瓦斯矿井，煤层为自然发火煤层，自然发火期3～6个月。2011年矿进行技术改造，实现综合机械化采煤，6401面为综采首采面，该面走向长度710米，倾向长度100米，煤层倾角为3度，平均煤厚为3.08米，采高为2.6米。采用走向长壁全部垮落法开采，轨道顺槽进风，运输顺槽回风，进风量保持在560—700m3/m in。

2　采用注氮防灭火原因分析

由于兴源矿初次上综采，支架采用集团公司其他矿已有支架，即为ZF4400-18/28支架，虽然满足支护强度要求，但采高平均为2.6米，所以，只能留底煤开采，有时顶板破碎时，也留顶煤开采，当采面遇到一些问题，推进速度慢时，采空区容易发生自燃现象，同时，在工作面回采到位撤面时，采空区也容易发生自燃现象。

3　注氮防灭火方案

为防止工作面在推采不正常时、撤面过程中采空区发生自燃现象，矿采用了向采空区压注氮气进行灭火，使采空区自燃隐患得以有效治理。

3.1制氮装置及注氮管路系统

(1)矿井采用DM-1000矿用膜分离制氮装置作为氮气源，该制氮机主要技术指标:氮气产量:1000m3/h，氮气纯度≥97%，O2≤3%，氮气出口压力≥0.1—1.1MPa(可调)，制氮装置安装在地面，通过管路到达采煤工作面。

(2)输氮管路选择:

①管路直径的选择:输氮管路的直径应满足最大输氮流量和压力的要求，按照下式计算出管路直径:d=6.5L0.2Q0.37

式中:d---管路直径，mm

L----管路输送长度，m，取2460米

Q----通过该管路的自由空气量，m3/m in，本制氮机最大输氮流量为1000m3/h，即为16.7m3/m in

则:d=6.5L0.2Q0.37=6.5×24600.2×16.70.37=87.07mm

所以，该面注氮管路选择管径为四寸输氮管路。

②计算管路的压力损失:一段管路压力损失可按下式计算:

⊿P=1.15Q1.85×L×10-12/d5

式中:d---管路直径， m，通过计算取0.1m

L----管路输送长度，m，取2460米

Q----通过该管路的自由空气量，m3/m in，本制氮机最大输氮流量为1000m3/h，即为16.7m3/m in

则⊿P=1.15Q1.85×L×10-12/d5=0.052MPa

制氮装置所能提供的压力按最低0.8MPa计算，则到达工作面压力为0.75MPa，满足管路未端最低压力0.2MPa的要求。综上计算可知，所选管路直径满足注氮要求。

3.2供氮能力计算

按将采空区氧化带内的原始氧含量降到防火惰化指标以下，其计算公式为:QN=KQ0(C1-C2)/(CN+C2-1)

式中:QN—供氮能力，m3/m in

K---备用系数，取1.2

Q0---采空区氧化带内漏风量，m3/m in，一般取工作面供风量1/ 60—1/100，该面与其他巷道无通道，所以取1/100，即为5.6m3/m in。

C1---采空区氧化带内平均氧浓度，一般取15%

C2---采空区惰化防火指标，一般取7%

CN---注入氮气纯度，一般取97%

经计算工作面防灭火需要的供氮气能力为CN=806.4m3/h，因此，DM-1000型煤矿用膜分离制氮装置可满足要求。

3.3注氮方式的选择及管路的铺设

(1)注氮方式有两种:即开区注氮和闭区注氮。根据我矿6401工作面为首采面，漏风所能渗透的范围较小，渗气性较差，氮气在采空区内滞留的时间相对较长，注氮时采用了开区间歇式注氮。

(2)采空区每次间歇注氮所需最小量和时间:采空区间歇注氮时，每次注氮必须将采空区氧化带的氧含量降到7%以下时，才能起到防火作用，每次注氮的最少时间用下式计算确定注氮量:

Q=K×V×1.03

K----富余系数，一般取1.2;

V----待注地点的几何体积，6401氧化带宽度取最大100m，工作面长度100米，采高为2.6米

1.03----膨胀系数

将以上数据代入上式得出Q=32136m3，制氮机流量为1000m3/ h，所以每次注氮时间不得少于32小时。

(3)注氮管路铺设:矿采用埋管式注氮工艺，氮气释放口沿工作面进风巷设置在距工作面停采线以里25—30米、距巷道底板500mm处的采空区中，采用预埋管路和绞车拖移管路方式。输氮管路在进风顺槽进入采空区处设置压力表、截止阀和三通阀门，每次注氮时，通过三通阀门进行排空，经检测确认氮气纯度超过97%后再向采空区灌注，并且在注氮期间每天利用束管监测系统对采空区取样分析一次，一旦发现氮气纯度低于97%，应停止注氮待处理好后再注。

3.4安全防护

氮气虽然无毒，但有窒息性，因此，注氮时对工作场所安全氧含量不得低于18.5%，对于正常通风的工作面，工作场所的安全供风量应满足下式要求:Q0≥QN(CN+C1-1)/(C1-C2)

式中:Q0---工作场所的安全供风量，m3/m in

QN---最大氮气泄漏量，m3/m in，按管路全部氮气泄漏量，取16.7m3/m in

CN----泄漏氮气的纯度，%，取97%

C1----工作面或巷道中的原始含氧量，%，取20.8%

C2----工作场所的安全氧含量指标，%，取18.5%

在输氮管路沿途或工作面，假设所输送的氮气全部泄漏，按工作场所氧浓度不低于18.5%的要求计算，巷道安全风量为129.24 m3/ m in，而6401工作面进风量为560m3/m in，满足安全供风量要求，同时，注氮期间，除在回风隅角处设置氧气传感器适时检测监控外，每班安排瓦斯检查员利用氧气检测管分别对工作面回风隅角、回风流等处氧气进行巡检，确保整个工作面空间中氧气浓度均不低于18%。

4　效果分析

由于推进速度慢，2011年10月18日白班测得6401上隅角CO浓度为0.008%，连续不断向6401采空区注氮，每天注氮气18h，连续注氮3天，共向采空区注54000m3/h，到10月21日中班测得CO浓度为0.0012%，以后连续监测一周，基本稳定。在6401推到停采线时，为防止自燃发火，矿又向采空区进行了注氮，连续注氮3天，每天注氮气18h，有效预防了自燃的发生。

从6401采空区的采用注氮工艺情况看，注氮气能及时消灭高温火源，预防煤炭自燃，取得了显著效果，保证了工作面的安全生产和撤面。同时，使用氮气防灭火技术工艺简单，灭火迅速，节约材料及能源，经济可靠，具有良好的经济效益和社会效益。

[1]袁亮.煤矿总工程师技术手册[M].北京:煤炭工业出版社,201 0.

张泽(1970.1—),男,河北省张家口市蔚县人,本科学历,通风安全工程师,安全副总从事一通三防工作23年。