液氮防灭火技术煤矿中的应用

孙 强

（汾西矿业（集团）矿山救护大队，山西 孝义 032300）

随着矿井采掘范围以及采掘深度的增加，开采的煤层自燃问题给煤炭回采安全带来较大威胁，防治煤层自燃是矿井生产时需重点关注问题[1-3]。现阶段矿井常用的防灭火技术包括有注氮、灌浆、注CO2以及密闭等，其中，注液氮具有灭火迅速、操作简单、效果显著以及可靠安全等优点，一直是煤矿井下进行火灾预防以及治理的主要措施[4-6]。本文以山西某矿30903 工作面回采防灭火为工程实例，对液压防灭火在煤矿井下应用进行探讨，以期为其他矿井防灭火工作开展提供经验借鉴。

1 工程概况

山西某矿核定产能1.2 Mt/a，现阶段主采9#煤层。9#煤层平均厚度10.4 m，埋深320 m、倾角5°，赋存较为稳定、全区可采；煤层具有自燃发火性，自燃发火周期介于30 d～90 d，煤尘具有爆炸性，原始瓦斯含量为3.5 m3/t。30903 工作面采用综放开采方式，采放比为1∶2.5，采面设计走向长890 m、倾斜宽度为165 m，采用U 型通风方式，全部垮落法管理顶板。11#煤层顶板岩性以砂质泥岩、泥岩为主，松软裂隙不发育。

30903 工作面在回采推进至720 m 时，在综放支架后方以及回风巷内均探测到CO，体积分数相对较低，最大为10×10-6；由于采面在回采推进至725 m～780 m 范围内会遇地质构造，采面推进速度较慢，为此提出采用注液氮方式进行防灭火，以便确保采面安全回采。

2 液氮防灭火技术现场应用

2.1 液氮防灭火技术优势

液氮具有不燃、性质稳定、无腐蚀等优点，低温状态下为液态，在由液态转换成气态过程中会吸收大量的热，从而在短时间内降低采空区内温度，以便延缓甚至中断采空区内遗煤自燃过程。

1 m3液氮在常温下气化可形成约700 m3气氮，体积增加约700 倍，可在较短时间内将氮气充填有效空间，同时迅速降低采空区内氧气浓度，切断采空区遗煤自燃供氧通道，不仅有利于防止遗煤自燃而且可减少采空区漏风量。

2.2 液氮防灭火设计

根据30903 工作面实际地质条件，提出通过井下巷道直接向采空区灌注液氮方式进行防灭火。液氮来源于地面液氮存储设备，并经换装后使用CFW-1/1.4 液氮槽车将液氮运输至30903 工作面回采巷道。在回采巷道内使用专用输送软管连接到预先埋设在采空区内的DN50 注氮管路，从而向采空区持续灌注液氮。液氮释放点位于采空区内30 m处，具体液氮注入示意图见图1 所示。

图1 采空区液氮注入示意图

2.3 液氮防灭火技术参数

2.3.1 注氮灌注量

由于采面后方采空区内情况复杂，难以精准地对采空区液氮注入量进行预测，因此在注氮过程中可通过确定采空区体积来确定液氮注入量，具体可通过公式（1）计算。

其中：Q 为液氮注入量，m3；k1为注氮系数，取值0.99；W 为采空区惰化带宽度，取值29.3 m；L 为采空区惰化带长度，取值165 m；H 为采空区惰化带高度，取值10.4 m。将上述参数带入公式（1）计算求得Q=27 m3。

2.3.2 注氮灌注压力核算

在液氮灌注过程中需要克服注氮管路沿程损失、液氮气化阻力以及注氮管路局部损失，通过初步估算，液氮注入管路阻力约为0.2 MPa。在采面回采巷道内布置的CFW-1/1.4 液氮槽车液氮注入压力一般在1.2 MPa 以上，注氮压力远大于注氮阻力损失，可满足井下注氮需要。

2.3.3 液氮释放口位置确定

液氮释放口位置需要综合采空区“三带”分布宽度、注氮强度及方式、氮气有效扩展半径、采面推进速度、采空区顶板冒落情况以及采面通风情况等确定。一般情况下应将注氮口布置在采空区进风侧，以便在采面漏风作用下将氮气覆盖整个采空区。具体液氮释放口距离采面距离范围可通过式（2）、式（3）计算。

其中：Ls、Ly分别为采空区内散热带、氧化带宽度，m；Lk为氮气有效扩散半径，取值为10 m。

现场监测发现，采空区内“自燃三带”发育宽度见表1 所示，根据表1，Ls、Ly取值分别为19.3 m、29 m。将Ls、Ly、Lk取值分别代入式（2）、式（3）求得Lmin=29.3 m、Lmax=38.3 m。因此，采面采空区内液氮释放口位置应位于距离采面采空区29.3 m～38.3 m 范围内，结合采空区埋管以及开采情况，确定开始注氮位置为距离采面30 m 位置处。

表1 30903 采空区“自燃三带”宽度

3 液氮防灭火效果分析

在30903 工作面后续回采过程中，采用文中所述液氮注入方案向采空区内持续注入液氮。在采面在4 月8 日至25 日号生产期间，即采面推进至720 m～780 m 范围内时，安排专人使用型号CD4（A）气体测定仪对液压支架后方、回风巷以及上隅角等多位置对气体成分进行测定，具体各个位置CO 浓度测定结果见图2 所示。

图2 CO 体积分数测定结果

从图2 看出，在30903 采空区灌注液氮进行防灭火后，采面内各位置CO 体积分数整体表现出先增加后快速降低趋势。在持续注氮5 d 后，采面各位置CO 体积分数达到最高值，此后CO 体积分数显著降低，至持续注氮9 d 后，采面各位置测定出来的CO 体积分数均在5×10-6以内，且后续随着时间增加CO 体积分数仍呈现缓慢降低趋势；至持续注氮15 d 后，采面各个位置CO 体积分数均在5×10-6以内。采空区遗煤自燃问题基本得以解决，可满足采面安全、高效回采需要。

4 结论

矿井开采自燃煤层时，防治采空区内遗煤自燃是煤炭安全、高效回采需解决的问题。特别是采面采用综放开采方式时，采空区内遗煤量较大，遗煤自燃风险较高。以30903 工作面采空区防灭火为工程背景，提出向采空区内灌注液氮来实现防灭火。具体使用CFW-1/1.4 液氮槽车将液氮输送至采面运输顺槽内，通过专用注氮软岩以及预先埋设的注氮管路向采空区内注氮；当采面回采超过注氮释放口30 m 时开始进行注氮。

现场应用后，采面各位置CO 体积分数均得以有效控制，采空区内氧气浓度降低至8%以内，氮气浓度增加至85%以上，可有效阻止采空区内遗煤自燃，满足采面安全回采需要。