王坪煤矿综采工作面注氮防灭火技术设计研究

秦 伟

（大同煤矿集团朔州朔煤王坪煤电有限责任公司，山西 朔州 038300）

目前，我国煤矿的防灭火方法主要有：注氮、注阻化剂、黄泥灌浆、叠土袋墙、加快工作面推进度、及时充填地表裂隙等方法。由于制氮设备简单，费用较低，操作简单，越来越多的煤矿采用注氮防灭火技术来治理综采工作面采空区的自燃。注氮防灭火技术中，由于氮气比空气轻，所以当氮气注入采空区后可以快速地上浮并充满采空区四周，随着氮气逐渐注入采空区，氧气的含量渐渐减少，从而可以抑制采空区遗煤发生自燃[1]。

1 注氮防灭火技术参数的选择

注氮防灭火措施能够很好的稀释采空区中的可燃物、氧气含量，可使采空区达到缺氧状态进而抑制可燃物发生爆炸现象，并且注氮防灭火采用正压注入氮气的方法，所以可以很好地保证采空区区域的安全[2]。

1.1 注氮防灭火流量的计算

采空区的几何形状、氧化带的空间大小、老顶岩石的冒落程度、漏风量的大小及采空区内气体成分的变化等诸多因素影响采空区注氮防灭火流量的大小。计算公式：

式中：

Qn-注氮流量，m3/h；

Q-采空区氧化带内漏风量，现取6m3/min；

C1-采空区氧化带内平均氧浓度，取15%；

C2-采空区惰化防火指标，取 7%；

Cn-注入氮气中的氮气浓度，98%；

K-备用系数，一般取1.2～1.5，现取1.2。

经计算Qn=691.2m3/h

1.2 注氮设备的选取

目前，注氮常用的方法主要有连续式和间歇式，采用哪一种方式，取决于氮气在采空区滞留的时间。根据本矿综采工作面实际现状：漏风所能渗透的范围较小，渗气性较差，氮气长时间在采空区内滞留，因此，在采空区内注入氮时可以采用间歇式的注氮方式。通过计算注氮防灭火流量为691.2m3/h，故选择型号为NC98-1500型注氮机可满足注氮量的要求。

1.3 注氮管路的选取

注氮管路的直径应满足以下两方面的要求：（1）要满足注氮系统的最大输送氮气流量的要求；（2）要满足注氮系统输送氮气时的最大压力要求。可按下式计算输送氮气时的压力：

式中：

P2-管路末端的绝对压力，取0.2MPa；

Qmax-最大输氮流量，取692m3/h；

D0-基准管径，150mm；

Di-实际输氮管径，mm；

Li-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，对于不同的钢管直径，则有如表1的关系：

表1 不同管径阻力系数值

根据NC98-1500型注氮机所提供的压力P1取0.6MPa计算时，注氮系统的最长输氮距离可按下式计算：

经计算可得；管路为Ф80mm时，L=0.919km；管路为Ф100mm时，L=2.998km。根据王坪煤矿的实际情况，选择管径为Ф100mm的输送管路。

1.4 注氮地点安全风量

注氮地点及与其相连巷道的安全通风量按下式计算：

式中：

Q0-工作场所的安全风量，m3/h；

QN-最大氮气泄漏量，取1500m3/h；

CN-泄漏氮气中的氮气浓度，取98%；

C1-工作面或巷道中原始氧气浓度，取20.8%；

C2-工作场所的安全氧浓度指标，取18.5%；

假设工作区域内的氧气浓度最低要求为18.5%，且输送氮气的管路在输送途中或工作面1500m3/h的氮气全部泄漏了，按上式计算可得到：此时巷道的安全风量应至少为204m3/min，故要求注氮地点的风量必须大于以上计算所得的风量时才可以保证注氮是安全的。

2 注氮工艺和方法

由于本综采工作面的配风量大，而且本工作面的采空区冷却带宽，因此不宜于采取工作面拖管注氮，由于工作面附近没有可以利用的巷道打钻，因此也不宜于采取钻孔注氮。为此，为了防止采空区发生自燃，可以选用预埋双管注氮方法。其工艺为：在综采面的进风侧沿进风顺槽埋设第一趟Φ100mm注氮胶管，当注氮胶管埋入采空区的距离大于40m后才可以开始注入氮气；第一趟注氮胶管开时注氮的同时再在采空区里埋入第二趟Φ100mm注氮管路。向采空区注入氮气时，第二趟注氮管的管口已埋入采空区内40m，同时截断第1趟注氮管路并预留管口。如此循环，始终保持单管注氮工艺，直至工作面推进到停采线。工作面防灭火注氮管口的步距定为40m（正常回采后，根据束管监测系统数据分析结果，适当调整注氮步距）。氮气出口端应高于采空区底板 0.5m。

综放工作面经常选用开放性注氮方式，即向运输顺槽埋管注氮工艺。工作面停采回撤支架及设备期间封闭后再向工作面采空区采取封闭注氮工艺。

根据《煤矿安全规程》中的相关规定，必须保证注入采空区氮气纯度达97%的浓度。为了有效地防止采空区发生自燃及参考其他煤矿注氮经验，该矿注氮浓度定为大于98%。

3 其他辅助方法

3.1 阻化剂防灭火方法

阻化剂防灭火系统选取在综采工作面进风顺槽设备列车靠工作面一侧安设阻化泵，用Φ10mm高压胶管将阻化泵与喷枪连接，从两架支架的间隙中间向采空区用中直机关喷洒阻化剂，从支架间隙向采空区喷洒，喷洒的间距为6m，每次喷洒的时间至少持续6min，流量不小于35L/min。如遇停采、过地质构造、末采等特殊情况时，必须对采空区加大喷洒阻化剂的频次，利用阻化剂隔绝煤与氧气的接触，从而达到惰化采空区浮煤、防止浮煤自燃的目的。正常回采期间，在早班检查时由专人对采空区进行阻化剂喷洒工作。工作面开采初期，或因地质原因，或由于综采电气等设备的原因造成了工作面推进速度放慢，根据实际情况增加喷洒阻化剂的数量和次数，并对工作面上下隅角等重点自然发火危险区域全面湿润浮煤，抑制遗煤自燃。

3.2 加快工作面推进度

采空区中存在着不自燃带、自燃带和窒息带。开采工作面向前推进的过程中，工作面推进的速度越快，采空区自燃带的宽度也就越小，进而采空区遗煤发生自燃的可能性越小。所以，要保证采空区不发生自燃，首先要确保综采工作面回采率不降低的情况下，大大提高工作面回采的推进度，使采空区自燃带的宽度减少，这样就可以大大降低采空区遗煤发生自燃的概率。由于本矿井目前无“三带”参数，因此根据国内目前防灭火经验，确定王坪煤矿最小推进度满足大于2.5m/d的要求。

4 结论

注氮防灭火技术与其他防灭火技术相比较具有施工工艺简单、选型快速、使用成本低且材料无毒无害等优点，具有绿色环保的特性。经在王坪煤矿综采工作面的使用，抑制了综采工作面采空区发生自燃的事故，确保了综采工作面的顺利回采。