段王煤矿防灭火注氮系统设计

2018-09-01孙永康张晓东

山西煤炭 2018年4期

赵强,孙永康,张晓东

(1.山西寿阳段王煤业集团有限公司,山西晋中 045400;2.煤科集团沈阳研究院有限公司,沈阳 110000)

1 工作面概况

段王煤矿分两个水平分别开采8+9号和15号煤层,现8+9号煤层采空区面积为116万m2,15号煤层采空区面积32.2万m2。根据对150405采空区的研究结论,确认15号煤的最短自然发火期为117.74 d,8+9号煤的最短自然发火期为85.22 d。采空区煤的氧化时间远远大于煤的最短自然发火期,现有的正常开采条件容易产生自然发火现象。为此,对该煤矿自燃煤层进行了采空区进风侧埋管注氮防灭火设计及注氮气系统的管路布置,经检验,该设计能有效降低段王煤矿发火的可能性及危险性,保障了段王煤矿安全生产。8+9号煤层、15号煤层自燃倾向等级如表1所示。

表1 煤层自燃倾向等级Table 1 Spontaneous combustion tendency level

2 注氮防灭火技术分析

注氮防灭火的实质是向采空区氧化带内或火区内注入一定流量的氮气,等量取代了部分漏入风流的氧气,减少了向采空区的绝对供氧量,使其氧含量降到10%以下,氮流带惰化采空区,削弱高温区,达到防火、灭火和抑制瓦斯爆炸的目的[1-2]。注氮防灭火原理框图见图1。

图1 注氮防灭火原理框图Fig.1 Fire prevention and extinguishing principle with nitrogen injection

氮气具有灭火速度快、能防火、能灭火、有较好的稀释作用、能抑制瓦斯爆炸、无污染环境和机电设备等优点。但是氮气的密度比空气轻,容易流失,因此,在注氮的同时,必须采用堵漏措施相配合。注氮能迅速灭火,但火区完全灭火时间相当长,不能有效消除高温点。氮气本身无毒,但具有窒息性,浓度较高时对人体有害[3-4]。因此,矿井在应用氮气防灭火技术时,要根据实际情况,采取合理的技术及管理措施,充分发挥其优越性。

根据《煤矿安全规程》规定,采空区防火注氮的氮气纯度≥97%;采空区氧化带防火惰化指标φ(O2)≤7%。

3 防灭火措施

3.1 采空区防火耗氮量的计算及设备选型

按采空区氧化带氧浓度计算:此方法实质是将采空区氧化带内的原始氧浓度降到防灭火惰化指标以下,此方法较合理,符合注氮防火的实际情况。采空区防火耗氮量QN可按下式计算[5-6]:

(1)

式中:QV为采空区氧化带漏风量,根据该矿150405采空区流场风流规律计算,工作面向采空区漏风量为230 m3/min,其中漏风主流从工作面附近冷却带和顶板裂缝中流走,采空区底层面遗留煤耗氧层(氧化带)漏风量取55 m3/min;C1为采空区氧化带内初始氧含量(取平均值),取16.5%;C2为采区防火惰化指标,一般规定为氧气含量7%～10%;8+9号和15号煤层煤样的耗氧实验结果,煤的氧化速率低,取临界氧化浓度为15%;CN为注入氮气的纯度,取97%;K为注氮备用系数,一般取1.2～1.5; 8+9号和15号煤层煤的氧化速率低,备用系数取1.2。

该计算结果的注氮流量为495 m3/h,为配合制氮设备这里取500 m3/h作为矿井注氮防灭火系统的注氮流量。根据制氮能力和注氮压力的计算,选用PSA-500型煤矿用碳分子筛制氮装置。

3.2 注氮工艺的选择

结合该矿煤层易发生自燃的实际情况,本设计常规注氮采用采空区进风侧埋管注氮防灭火技术方案。段王煤矿煤的自燃主要来自采空区,常规的注氮地点选择在工作面后方采空区。根据对150405采空区实际观测,采空区温度无明显的升温现象,实测温度在16 ℃～18 ℃之间,采空区温度变化主要是受工作面风流温度的影响,计算得到冷却带宽度为25 m。当不采取灌浆方法且采空区无水时,优先采用直管拖管注氮方法,拖管采用液压千斤顶支柱完成,保持注氮口距工作面15 m。对重点防灭火地点,采用埋弯管注氮,交替埋管方法,距离工作面25 m时实施交替埋管。

3.3 注氮系统

8+9号煤层注氮系统:地面制氮站→地面注氮管钻孔→通过钻孔进入15煤总回风巷→0205总回风巷→二水平集中回风巷Ⅰ→瓦斯管道巷→一水平集中回风巷Ⅰ→0105采区各工作面。

15号煤层注氮系统:地面制氮站→地面注氮管钻孔→通过钻孔进入15煤总回风巷→0205总回风巷→二水平集中回风巷Ⅰ→0205采区各工作面。

3.4 注氮时机分析

正常开采期间当工作面CO浓度达到0.024 ‰时,启动注氮系统进行注氮。当开采遇到地质构造时,根据大量遗留煤的位置区域,提前开始注氮,使大量遗留煤区域进入自燃氧化带时被及时惰化;工作面推进度减慢或停顿,为防止采空区自然发火,进行注氮气惰化,情况严重时,封闭工作面进行闭区注氮。工作面出现自燃征兆时注氮。采空区内的CO浓度超过0.100 ‰,或者工作面内CO浓度超过0.024 ‰,或出现高温异味等自燃征兆时,立即启动注氮工作并加大注氮强度。

4 效果检验

根据束管监测系统数据,段王煤矿采空区防火注氮惰化氧化带的效果考察表明:以氮气纯度≥97%、产气量500 m3/h的设备制氮并注入采空区后,在工作面风量为79.29 m3/min左右时,能将采空区25 m处的O2浓度降至8%以下,表明采空区25 m以外的O2浓度全部低于8%,监测结果如图2所示。氧化带已被惰化,不会发生浮煤自燃,有效地减少了自然发火的危险。