注氮技术在回采工作面采空区内因火灾防治中的应用

郭树武

(开滦(集团)有限责任公司林南仓矿业分公司，河北 唐山 064100)

注氮技术在回采工作面采空区内因火灾防治中的应用

郭树武

(开滦(集团)有限责任公司林南仓矿业分公司，河北 唐山 064100)

为了防治煤矿回采工作面采空区自然发火，实现安全生产，本文通过对注氮原理分析，对回采工作面采空区注氮防灭火技术各项参数不断分析改进，取得了较好效果，并在开滦集团各矿井进行推广应用。

注氮；防灭火

0 前言

林南仓矿业分公司所采煤层均为自然发火煤层，自矿井投产以来，共发生30余起自然发火事故，近年来。综采工作面在收尾期间均不同程度的出现过采空区遗煤自燃发火征兆，且自燃发展迅速，对矿井安全生产形成了极大威胁；公司自2006年引进注氮防灭火技术至今已经10年，在此期间对所有回采工作面回撤期间，以及对多处存在氧化征兆的老区域(采空区)采取了注氮措施，并取得了较好效果，注氮防灭火技术工艺简单，使用成本低，与二氧化碳等惰气防灭火工艺相比，使用的防灭火材料具有无毒、无害、无危险等特点，属绿色环保工艺。注氮灭火工艺所用材料为空气，取材方便清洁，成本低廉〔2〕。

1 注氮防灭火技术原理概述

1.1 注氮设备类型

用于煤矿氮气的制备方法有深冷空分、变压吸附和膜分离三种。这三种方法的原理都是将大气中的氧和氮进行分离以提取氮气。

深冷空分制取的氮气纯度最高，通常可达到99.95 %以上，但制氮效率较低，能耗大，设备投资大，需要庞大的厂房，且运行成本较高；变压吸附的主要缺点是碳分子筛在气流的冲击下，极易粉化和饱和，同时分离系数低，能耗大，使用周期短，运转及维护费用高；膜分离制氮的主要特点是整机防爆，体积小，可制成井下移动式，相对所需的管路较少，维护方便，运转费用较低，氮气纯度能达97%左右，完全满足煤矿防灭火的需要。综合考虑上述三种氮气制备方法各自优缺点，林南仓矿决定采用膜分离制氮技术，所用膜分离制氮装置为DM-500矿用井下移动设备。

1.2 氮气防灭火原理

氮气本身具有扩散性，氮气沿漏风通道进入采空区或自燃区域容易充满所注空间，降低其中氧气的浓度，起到惰化作用，从而使采空区遗煤因缺氧不能继续氧化，自燃区域因缺氧而熄灭。

(1) 采空区内注入大量高浓度的氮气后，氧气浓度相对减小，氮气置换氧气而进入到煤体裂隙表面，这样煤体表面对氧气的吸附量降低，在很大程度上抑制或减缓了遗煤的氧化放热速度；

(2) 采空区注入氮气后，降低了漏入采空区的风量，减少了空气中的氧气与煤炭直接接触的机会，在采空区内部形成一个氮气隔离区域，起到了隔绝空气的作用〔8〕。氮气隔离区域示意图如图1所示：

图1 氮气隔离区域示意图

(3) 注入氮气温度一般为14～15℃,氮气在流经煤体时，吸收了煤炭氧化产生的热量，可以减缓煤升温的速度和降低周围介质的温度，使煤的氧化因聚热条件的破坏而延缓或终止；

(4) 采空区内的可燃、可爆性气体与氮气混合后，随着惰性气体浓度的增加，爆炸范围逐渐缩小(即下限升高、上限下降)，氮气每增加1%时，爆炸下限提高0.017%，上限下降0.54%。当惰性气体与可燃性气体的混合物比例达到一定值时，混合物的爆炸上限与下限重合，此时混合物失去爆炸能力〔4〕。为此认为氮气是一种比较理想的防火材料。

1.3 注氮防灭火惰化指标

(1) 采空区惰化氧浓度指标不大于煤自燃临界氧浓度,一般氧含量应小于7%～10%。

(2) 惰化灭火氧浓度指标不大于3%。

(3) 惰化抑制瓦斯爆炸氧浓度指标小于12%。

1.4 注氮流量确定

由于煤矿条件千差万别，没有统一的且也不可能有统一的计算注氮流量的公式，目前只能按综放面(综采面)的产量、吨煤注氮量、瓦斯量、氧化带内氧含量进行计算。

对于回撤工作面来说，工作面不再出煤，瓦斯涌出量逐渐减少，按照采空区自燃区域内氧含量计算注氮量较科学，其实质是将采空区自燃区内的原始氧含量降到防火惰化指标以下，计算公式如下〔6〕：

QN={(C1-C2) Qv}/(CN+C2-1)

式中:QN—注氮流量,m3/min；

QV—采空区自燃区的漏风量，m3/min，取30 m3/min;

C1—采空区自燃区内原始氧含量，(取平均值)，取18%;

C2—注氮防火惰化指标,取7%(依据：采空区惰化氧浓度指标不大于煤自燃临界氧浓度,一般氧含量应小于7%～10%);

CN—注入氮气中的氮气纯度，实际为98%。

1.5 注氮技术的应用范围

(1) 开区注氮：氮气释放口位于进风侧的采空区自燃区内，可采取向采空区提前埋置注氮管或打注氮钻孔等方法。注氮释放口必须位于采空区悬顶以里，主要根据工作面倾斜长度确定开口位置，一般工作面长度小于80 m的，需埋设一趟注氮管路，埋设长度为工作面倾斜长度的三分之一；工作面长度大于80 m的需埋设两趟注氮管路，第一趟埋设长度为工作面长度的二分之一，第二趟埋设长度为工作面长度的二分之一，根据氧化情况及氧化位置不同可采取两趟管路同时注氮或分别注氮。我矿注氮管路埋设一般在40～70 m之间。

(2) 闭区注氮：向回采后封闭或因发火而封闭的区域注氮，达到防止自然发火或灭火的目的。要求向闭区内注氮量要大于漏风量，注氮形成的风压大于漏风风压，使闭区内全部呈向外漏氮趋势〔5〕。

2 实例分析

2.1 2216回采工作面概况

该采面位于-650水平，东二小采区11槽煤层，北起2214下运以南7 m，南到仓29孔以北150 m，西起东二小煤11上山，东到10号剖面线以东80 m左右；下部为煤12的2226、2224工作面采空区，上部无工程。工作面走向长645 m；倾斜长75 m；工作面标高-527.0～-580.8 m。煤层倾角17°，煤层厚度4.3 m。工业储量29.7万吨，可采储量27.6万吨。

采煤方法为走向长壁后退式综合机械化采煤法。顶板管理方法采用全部垮落法。

2.2 氧化及治理情况

2216回采工作面于2013年3月开采，停采前为了与2214回采工作面实现倒安装，双班推采改单班推采近一个月，在停采前50 m对采面上下隅角和架间采取洒阻化剂等防火措施。2014年11月12日工作面停采后，采空区出现自然发火征兆，自采面中上部轻放支架架间到采面上隅角开始检测到一氧化碳气体浓度为40 ppm，到11月24日一氧化碳气体浓度为300 ppm，乙烯浓度最高达499 ppm〔3〕。

2.3 注氮钻孔位置

根据采空区采动裂隙“O”形圈理论、自然发火期、标志性气体在采场风流中的显现以及回采工作面推采速度等因素分析〔7〕，判定2216采空区的氧化区域区间距离停采线15～50 m、倾斜方向在采面端头以上25～40 m范围内，因此氮气释放口应设置于进风侧的采空区氧化区域下部，根据氧化区域确定钻孔参数为：终孔位置高于采面上顶4 m，采面端头以上15 m，进入采空区斜长21 m，固2寸注氮孔17 m。(见附图2)。

图2 2216回采工作面钻孔布置示意图

准确判断采空区氧化分布和采空区氧化高温点的范围，是采空区注氮防灭火的关键。注氮释放口必须位于采空区悬顶以里，主要根据工作面倾斜长度确定开口位置，一般工作面长度小于80 m的，需埋设一趟注氮管路，埋设长度为工作面倾斜长度的三分之一；工作面长度大于80 m的需埋设两趟注氮管路，第一趟埋设长度为工作面长度的二分之一，第二趟埋设长度为工作面长度的二分之一，根据氧化情况及氧化位置不同可采取两趟管路同时注氮或分别注氮。我矿注氮管路埋设一般在40～70 m之间。为防止注氮管口堵塞影响防火效果，注氮管路开口位置需架设木垛同时用铁丝网加以保护。

2.4 注氮流量确定

按照公式计算注氮量：

QN={(C1-C2)Qv}/(CN+C2-1)

={(0.18-0.07)×30}/(0.98+0.07-1)

=3.2(m3/min)

式中:QN——注氮流量,m3/min；

QV——采空区自燃区的漏风量，m3/min，取30 m3/min;

C1——采空区自燃区内原始氧含量，(取平均值)，取18%;

C2——注氮防火惰化指标,取7%;

CN——注入氮气中的氮气纯度，实际为98%。

根据公式计算得注氮流量QN为3.2 m3/min，注氮时注氮流量稳定在500 m3/h(8.33 m3/min)，满足注氮流量要求。

注氮浓度在98%以上，且保持注氮的连续性，共计注氮29小时，注氮总量为14575 m3。

2.5 注氮效果检验

采空区注氮仅20小时后，观测钻孔和上隅角氧气浓度开始陆续下降，且下降幅度较大，同时在架间特别是最早发现一氧化碳气体的35～36组架子间氧气浓度一度降低到8%以下。

2216采空区采取注氮措施后，消除了自然发火隐患，为正常安全回撤支架赢得了时间。

3 结论

(1) 回撤工作面采空区注氮可以有效抑制煤炭氧化，有效控制采空区内煤层自然发火隐患。

(2) 对已经存在氧化自燃征兆的采空区采取注氮措施，时间短效果快，是防治自然发火的有效手段。

(3) 在采用注氮措施处理采空区内煤炭高温氧化时，需连续进行，直到隐患消除为止。

[1] 周心权，吴兵.矿井火灾救灾理论与实践[M].北京:煤炭工业出版社，1996.

[2] 王显政.中国煤炭工业科技创新成果[M].北京：煤炭工业出版社， 2012.

[3] 成家钰.煤矿作业规程编制指南[M].北京：煤炭工业出版社，2008.

[4] 余恒昌.矿山地热与热害处理[J].北京：煤炭工业出版社，1991(7):38-39.

[5] 戚宜欣，秦跃平.煤矿通风安全技术与管理[J].北京:煤炭工业出版社,1998(8):71-72.

[6] 吴中立.矿井通风与安全[M].徐州:中国矿业大学出版社，1989.

[7] 周勇.阻化防火技术在灵武矿区矿井火灾防治中的应用[J].煤矿安全，2013，12：130-132.

[8] 张笃学，徐成林.易燃特厚煤层综放工作面撤架时防灭火技术[J].煤矿安全，2013，12：88.

Application of nitrogen injection technology in the prevention and control of endopathic fire in working face goaf

GUO Shu-wu

(LinnancangMiningCompany,Kailuan(Group)Co.Ltd.,Tangshan,064100,China)

In order to prevent spontaneous combustion in working face goaf and to achieve work safety,based on the analysis of the principle of nitrogen injection,the parameters of nitrogen injection technology for fire prevention in working face goaf are improved gradually,which achieves good results and has wide applications in the coal mines of Kailuan Group.

nitrogen injection; fire prevention

2016-06-23

郭树武(1971-)，男，天津蓟县人，大学毕业，开滦(集团)林南仓矿业分公司生产技术部助理工程师。E-mail:zhangdongsheng@kailuan.com.cn

TD753

A

1672-7169(2016)05-0015-04