红旗煤矿1510 辅助系统注氮启封火区技术研究

闫文刚

（陕西陕煤澄合矿业有限公司矿山救护大队, 陕西 渭南 715200）

0 引 言

氮气作为一种惰性气体，既可以扑灭明火火灾，也可以抑制矿井中隐蔽火源的燃烧，因此在高瓦斯矿井中经常用注氮防灭火技术来消除矿井安全隐患。注氮防灭火技术即通过向采空区注入氮气来排除采空区中所含的空气，降低采空区内部氧气的浓度，降低煤炭与氧气反应的速率，从而有效减少采空区遗煤自燃的事故发生[1～3]。选择注氮技术来防灭火，若注氮工艺参数不相同，防灭火的效果也不尽相同，小流量注氮工艺可能会导致工作面的氧气浓度偏低，不利于工作人员的安全生产；注氮量大也有缺陷，可能会造成资源浪费，对注氮机也是一种考验。因此，在确定注氮工艺参数时，我们既要考虑到注氮成果，又要考虑矿井实际情况如注氮成本等因素，这样实施注氮防火工作才会有实际的安全和经济意义[4～6]。

1 1510 辅助巷基本情况

红旗煤矿1510 辅助系统巷道长度488 m，1510辅助进风工作面121 m，该辅助系统在封闭了221 d后启封。在启封过程中发现辅助进风闭墙内瓦斯为4.49 %、二氧化碳为3.99 %、闭墙内温度为34.2℃；1510 辅助回风密闭墙内瓦斯浓度为6%、一氧化碳浓度为0×10-6、氧气浓度13.8%、闭墙内5～6 m 处温度达到了78℃。启封45 d 后取样分析发现1510辅助进风闭墙内瓦斯为4.87 %、一氧化碳为6.46×10-6、二氧化碳为6.53 %、闭墙内温度为34℃，氧气浓度为8.49 %；1510 辅助回风闭墙内瓦斯为4.37%、一氧化碳为3.87×10-6、二氧化碳为6.56%、闭墙内温度为34℃，氧气浓度为7.76 %。为防止封闭区内灾害扩大，相关部门决定对1510 辅助系统内的有害气体注氮置换。

图1 系统结构图

2 氮气防灭火作用原理

使用氮气进行防灭火，不仅效率高，而且对现场设备损失程度小，因此注氮防灭火技术在国内外非常受重视。氮气防灭火，就是引用先进技术，向采空区或火区里面注入氮气，达到预防火灾或瓦斯爆炸的目的。注氮后可以直接降低采空区氧气的浓度，增大采空区内气体压力减少工作面向采空区漏风，降低了氧气与采空区内破碎煤块的接触面积，降低采空区瓦斯浓度，对于防火作用十分明显[7-8]，氮气防灭火的原理见下框，如图2 所示。

图2 氮气防灭火的原理

3 供氮气技术参数的确定

1）注氮量计算：

式中：Q0为采空区氧化带内漏风量，m3/min;C1为采空区氧化带内平均氧浓度，%；C2为采空区惰化防火指标，其值为煤自燃临界氧浓度，%；CN为注入氮气的氮浓度，%；K为备用系数，取1.2～1.5。

2）供氮压力计算：

式中：P2为管路末端的绝对压力，MPa；Qmax为最大输氮流量m2/h；D0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为基准管径的阻力损失系数，0.026；λi为实际输氮管径的阻力损失系数，对于不同的钢管至境，则有如下表1 的关系:

表1 实际输氮管径的阻力损失系数表

3）安全通风量计算：

式中：Q0为工作场所的安全通风量，m3/min；QN为最大氮气泄漏量，m3/min；CN为泄露氮气中的氮气浓度，%；C1为工作面或巷道中原始氮气浓度，一般取20.8%；C2为工作场所的安全氧浓度指标，18.5%。

4 注氮置换方案

4.1 注氮及有毒有害气体监测方式及方法

1）地面注氮站监测氮气输送压力及流量，注入氮气浓度必须大于97%。

2）在1510 进风2 号联巷口安设闸阀、流量表及压力表监测、控制进风闭墙注氮量；在1510 辅助回风闭墙措施阀上安设流量表，记录注氮置换排气量。

3）在1510 辅助回风闭墙外3 m 范围内安设瓦斯、温度、一氧化碳、氧气、二氧化碳传感器。

4）在1510 辅助回风与1510 回风全风压风流混合处下风侧10 m 处安设瓦斯、温度、一氧化碳、氧气、二氧化碳传感器。

5）在1510 回风闭墙观测孔内安设束管采样管并引至采区变电所，监测1510 回风闭墙内的气体浓度变化情况。

4.2 注氮及有毒有害气体线路

1）注氮线路：地面注氮站→主斜井→辅助运输巷→1510 进风2 号联巷→1510 进风顺槽→连接骨架管→1510 辅助进风闭墙4 寸措施孔。

2）有毒有害气体排放线路：1510 辅助回风闭墙4 寸措施孔→1510 辅助回风巷→1510 回风顺槽→东翼回风大巷→总回风巷→回风斜井→地面。

4.3 注氮步骤

第一步：确认1510 辅助进、回风管路，压力表、流量表、各类传感器等连接到位。

第二步：将束管采样头通过6 分观测孔伸进闭墙内1 m，用橡皮泥封堵6 分管口。开启1510 辅助回风密闭墙4 寸措施阀，并立即撤离至采区变电所。

第三步：在1510 进风闭墙4 寸措施阀处于关闭状态的情况下，启动注氮系统，以0.05 MPa（100 m3/h）的压力向井下输送氮气，使用2 寸球阀排空装置排空管路内的空气。

第四步：由救护队在2 寸球阀排空装置处测定注氮管路内的氧气浓度，当氧气浓度低于3%时，关闭2 寸球阀排空装置，同时电话通知调度室停止注氮系统的运转。注氮系统停止运转后，打开1510 辅助进风闭墙上4 寸措施阀，并立即撤离至采区变电所。

第五步：救护队员撤离至采区变电所后，电话通知调度室启动注氮系统，以0.05 MPa（100 m3/h）的压力，向井下输送氮气。

第六步：通过闭墙内束管监测瓦斯、一氧化碳、二氧化碳浓度呈下降趋势时，使用1510 进风联巷处闸阀减小注氮量。

第七步：通过闭墙内束管监测闭墙内氧气浓度降至5%以下，一氧化碳浓度降至10×10-6以下时，并保持稳定30 min 后，做好停止注氮准备工作。

第八步：停止注氮时，同时关闭1510 辅助进、回风闭墙上4 寸措施阀，随后打开1510 辅助进风2 寸球阀排空氮气，并电话通知矿调度下达注氮结束命令，停止注氮。

5 注氮实施效果

1）对1510 辅助系统内的有害气体总共进行了34 h 注氮，共注入氮气11 000 m3。通过注氮，闭墙内氧气、瓦斯、一氧化碳、二氧化碳浓度稳定后均出现了下降现象，数据如图3、图4 所示：

图3 1510 辅助系统进风闭墙注氮前后数据对比

图4 1510 辅助系统进风闭墙注氮前后数据对比

瓦斯浓度变化分析：瓦斯气体分子量为16，氮气分子量为28，瓦斯比氮气轻，稳定状态下处于巷道的顶部。通过注入氮气，瓦斯浓度由4.02%下降至2.48%，下降率为38.3%。

氧气浓度变化分析：氧气分子量为32，氮气分子量为28，氧气比氮气重，稳定状态下处于巷道的中上部。通过注入氮气，瓦斯浓度由7.64%下降至4.31%，下降率为43.6%。

二氧化碳浓度变化分析：二氧化碳分子量为44，氮气分子量为28，二氧化碳比氮气重，稳定状态下处于巷道的底部。通过注入氮气，二氧化碳浓度由6.47%下降至5.32%，下降率为17.8%。

一氧化碳浓度变化分析：一氧化碳分子量为28，氮气分子量为28，一氧化碳与氮气一样重，稳定状态下处于巷道的中部。通过注入氮气，一氧化碳浓度由8.9×10-6下降至2.25×10-6，下降率为74.7%。

结论：注氮置换有毒有害气体时，与氮气分子量越靠近的气体置换效果越好（如一氧化碳、氧气），与氮气分子量相差较远的气体注氮置换效果较差，但比重小气体（瓦斯）却比比重大气体（二氧化碳）置换效果好。

2）注氮过程中在回风闭墙内监测氧气、瓦斯、一氧化碳、二氧化碳浓度随着注氮量的增加均呈现出下降趋势，具体数据如图5 所示。

图5 1510 辅助系统注氮量与气体浓度关系曲线图

结论：在注氮过程中，进风侧动压注氮，回风侧依靠进风侧压力传递向外扩散气体，因此在回风侧出现气体“拥堵”现象，表现为回风闭墙处气体在注氮后一定时间内浓度有上升现象，与氮气分子量相当的氧气最为明显；在注氮过程中，注入的氮气一方面将密闭空间内的有毒有害气体排出，另一方面氮气与有毒有害气体进行了混合，因此气体浓度随着注氮量非线性变化。

6 结 语

通过总结1501 辅助系统火区注氮防灭火实战经验，确定注氮技术的参数，使得注氮防灭火技术在同类型火区应用时更加具有可借鉴和可操作的经验。注氮防灭火技术可以为煤层自燃的前期起到预防效果，也可以快速控制火灾，这种有效的方法应用在矿井火区里，能有效提高矿井抵抗火灾的应变能力，意义重大，前景广阔。