地面直接注氮法在回采工作面的應用實踐

蔡雷雷

（太原理工大學 陽泉學院，山西 陽泉 045000）

地面直接注氮法在回采工作面的應用實踐

蔡雷雷

（太原理工大學 陽泉學院，山西 陽泉 045000）

介紹了陽泉新景礦7205工作面火災事故概況，以及氮氣防滅火技術機理，并從技術和經(jīng)濟方面探討了地面鉆孔、井下鉆孔、井下移動式制氮裝置就地注氮法三種滅火方案的優(yōu)劣，提出了地面鉆孔注氮法的最佳滅火方案；進一步探討了注氮參數(shù)選擇、采空區(qū)氣體置換、以及氮氣滅火效果。實踐表明：氮氣防滅火技術對封閉采空區(qū)滅火有效、迅速、無污染、低成本，實現(xiàn)了7205工作面快速啟封。

封閉采空區(qū)；地面直接注氮法；回采工作面

1 7205工作面火災發(fā)生概況

陽泉新景礦7205工作面位于3號煤二采區(qū)中，見圖1。工作面采用傾斜長壁后退式綜采方法，全部跨落法處理采空區(qū)。工作面進風量2503m3/min，平均瓦斯絕對涌出量50.8 m3/min；相對涌出量10.08 m3/t。某日晚9時許，工作面電纜短路，第88架底板瓦斯爆燃（4號煤層向3號煤層涌出卸壓瓦斯），爆燃后又引起機尾支架后部煤層燃燒，繼而多次引起工作面采空區(qū)瓦斯爆炸。發(fā)生事故后，采取了隔絕滅火法措施［1］先在南三口（7205進風口）閉沙袋防爆拱形墻和永久密閉，閉墻內預埋兩趟Φ500mm鐵管；然后向南四正巷、南四副巷（7205回風、尾巷）同時開始灌水，用水密閉回風、尾巷中部呈“V”字型地段，水淹沒至回風四～八橫貫之間；并加固和密封了可能向7205工作面采空區(qū)漏風的密閉（如南二進風、南二瓦斯繞巷、西一探巷等閉墻），至此工作面全部封閉完畢。

2 工作面注氮滅火技術機理

2.1 氮氣防滅火技術的機理

氮氣是一種惰性氣體，不助燃、也不能供人呼吸，密度1.25kg/m3，無腐蝕性，在-195.8℃可成液化氮，在0℃時液氮與氮氣體積比為1/647，在20℃的環(huán)境溫度下，液氮的汽化熱為423kJ/kg。氮氣注入采空區(qū)后可降低氧的濃度，若用液氮注入火區(qū)時，液氮汽化吸收熱量，會使火區(qū)氣體、煤層和圍巖的溫度降低，加速火區(qū)火源熄滅；若向封閉的火區(qū)注入氮氣，則會提高采空區(qū)的相對壓力，使采空區(qū)呈正壓狀態(tài)，防止新鮮風流漏入、阻止煤炭氧化升溫、降低瓦斯和氧氣濃度，最終防止瓦斯燃爆事故、加速火區(qū)火源熄滅。

圖1 7205工作面通風系統(tǒng)圖

2.2 工作面采空區(qū)注氮滅火方案的選擇

根據(jù)7205工作面的具體情況，結合國內注氮防滅火技術的實際應用，決定采用地面直接注氮法。按照新景礦地理概況、交通情況、地質條件、選擇合理施工位置，采用美國T130XD多功能全液壓車裝鉆機打鉆，工藝流程如下：①全孔段采用回轉空氣泡沫鉆進。②鉆孔結構：一開：0～15 m，Φ311鉆頭開孔，下Φ273螺旋管。二開：15m～460m，Φ215鉆頭鉆進，下Φ177.8石油套管。三開：460m～480m，Φ152鉆頭鉆進。③鉆具組合：一開：Φ311牙輪鉆頭+Φ146鉆鋌+Φ121鉆鋌+Φ73鉆桿。二開：Φ215牙輪鉆頭+定位接頭+Φ190無磁抗壓鉆鋌+Φ146鉆鋌+Φ121鉆鋌+Φ73鉆桿。三開：Φ152牙輪鉆頭+定位接頭+Φ121無磁抗壓鉆鋌+Φ121鉆鋌+Φ73鉆桿。④鉆進參數(shù)：正常情況下，選取鉆進參數(shù)，如表1所示。遇換層、破碎帶時，應采用減小鉆壓、降低轉速等方式合理調整鉆進參數(shù)。⑤封孔止水：采用泵入法，用325號水泥全孔封閉。⑥鉆具丈量：孔深每100 m丈量鉆具一次，誤差不大于1.5‰，若超出誤差范圍，則重新丈量，做平差，校正深度。⑦進度計劃：如表2所示。鉆孔完畢，從太鋼公司直接用20 m3～30 m3大型槽車將液氮運到地面鉆孔處。為防止液氮在管路中汽化大量吸熱而導致管路及其采煤設備凍裂，應先在地面將液氮汽化，溫度控制在-5℃～5℃之間。然后再由地面利用鉆孔把氮氣直接注入工作面采空區(qū)。

3 注氮參數(shù)選擇

鉆孔位置：采用美國T130XD鉆機打鉆，鉆孔參數(shù)為：前32.74 m鉆孔采用Φ311.15的鉆頭，后采用Φ215.9鉆頭，套管為Φ244.5，壁厚8.94 mm，共計打鉆475.11m，下套管473.21 m。因工作面發(fā)火區(qū)為機尾88支架后面，故鉆孔到井下出口位置定到：距回風煤柱幫12 m～15 m，距工作面煤幫15 m～18 m的支架后方，見圖1。注氮參數(shù)如下：

表1 牙輪鉆進參數(shù)表

表2 施工進度計劃表

（1）液氮制造和運輸：液氮制造和運輸工作由太鋼Boc公司承擔。制氮方法采用深冷空分法（使過濾凈化后的空氣進入空氣壓縮機，經(jīng)過數(shù)級壓縮和冷卻后,再凈化脫水、純凈器純化、膨脹機膨脹降壓,經(jīng)過熱變換反復換熱,再經(jīng)節(jié)流降壓進入分餾塔液化、精餾,最后從空氣中分離出氮氣），制取液氮純度高達99%，符合防滅火要求。制取的液氮由太鋼Boc公司直接用20～30m3大型槽車將液氮運到地面鉆孔處。

（2）汽化器及參數(shù)：采用四川空分設備集團的QQ-1200/16型汽化器，以空氣為熱源，利用星形管傳熱，使低溫液體汽化。汽化量1200 m3/h（0℃，0.1MPa），最高工作壓力0.2MPa～1.6MPa。

（3）注氮強度：單位時間注入氮氣的體積。據(jù)國內外氮氣防滅火技術經(jīng)驗：防火注氮強度一般為5 m3/min；滅火注氮量強度，原則上最初強度要大，將火勢壓住，然后逐漸降低注氮強度。若回風口敞開，注氮量不得小于9.28 m3/min;若是全封閉采空區(qū)，注氮強度可在8 m3/min左右。因此，本次注氮強度500 m3/h(8m3/min左右)，氮氣溫度在－10℃～－5℃之間。

（4）按下式計算供氮壓力：

式中：P2為管路末端的絕對壓力，MPa；Qmax為最大輸?shù)髁浚琺3/h；Do為基準管徑，150 mm；Di為實際輸?shù)軓剑琺m；Li為相同直徑管路的長度，km；λ0基準管徑的阻力損失系數(shù)，0.026；λi實際輸?shù)軓降淖枇p失系數(shù)。為了達到合理的注氮強度和氮氣出口溫度，注氮壓力在70kPa～87.61kPa之間。

（5）注氮量：封閉采空區(qū)注氮滅火的注氮量主要取決于采空區(qū)體積、注氮滅火惰化指標、采空區(qū)漏風大小等因素。注氮量太小，達不到惰化采空區(qū)氣體目的，起不到滅火或防火作用；注氮量太大，會造成經(jīng)濟浪費；現(xiàn)場往往按經(jīng)驗來確定。首先確定封閉采空區(qū)的體積：Vc=L1L2M+V巷.

式中：Vc為采空區(qū)體積和封閉區(qū)域巷道巷道的總體積，m3；L1為采空區(qū)沿走向長度，m；據(jù)本礦3號煤層工作面以里130m的采空區(qū)為著火窒息帶，L1取130m；L2為采空區(qū)沿傾斜方向長度，為工作面長度和工作面上下順槽寬度之和，取188 m；M為開采煤層采高，取2.64 m；V巷為封閉區(qū)域工作面體積及進風巷、回風巷、尾巷體積，經(jīng)估算V巷取8510 m3。算得：封閉區(qū)域體積Vc=73 031.6 m3。由于采空區(qū)漏風，常會導致一部分氮氣損失；實際注氮量要有備用系數(shù)K。據(jù)文獻報道，撲滅封閉采空區(qū)火災所需注氮量一般取封閉區(qū)域體積的3倍。所以，本次總注氮量為Q= KVc=3×73031.6=219094.8 m3；折算成液氮228.2 t～260.8t，取260.8t。

4 采空區(qū)氣體置換

注氮機工作后，注入采空區(qū)的氮氣首先置換采空區(qū)氣體，為確保7205工作面注氮滅火工作取得最佳效果，必須加強采空區(qū)氣體各置換點監(jiān)測監(jiān)控工作，具體措施如下：

（1）第一氣體置換點為西一探巷：據(jù)測算，地面注氮量達到30000m3以上后，開始置換采空區(qū)氣體，進一步置換西一探巷內的氣體。注氮后的首次取樣工作，先打開西一探巷閉墻上觀察咀的氣門，讓閉墻內的氣體連續(xù)不斷地流動到閉墻外，同時詳細檢查、測定、記錄閉墻內外CH4、CO、O2氣體濃度和閉墻內外溫度。因地面注氮會使已采區(qū)內的溫度下降、氮氣濃度增加，若氮氣量在首次取樣的基礎增加4%，氧氣濃度降在5%以下，西一探巷氣體置換結束。

（2）第二氣體置換點為7205工作面進風：取樣前，調節(jié)壓差使進風閉墻處于負壓狀態(tài)，同時保證系統(tǒng)風量不少于200 m3/h、風流中各有害氣體不超限。首次取樣工作與西一探巷相同，必須做好各種參數(shù)的測定和記錄工作，特別是要注意氮氣和溫度的變化。若氮氣量在首次取樣的基礎上增加4%，氧氣濃度降在5%以下，取樣工作變?yōu)槌兀瑒t7205工作面氣體置換結束。

（3）第三氣體置換點為7205工作面回風和尾巷：首先排除四橫貫處回風和尾巷的積水，但不要求全部排完，以能透氣有風流為標準；然后在7205工作面回風、尾巷、四橫貫以里各閉一道鎖風墻，留有Φ1000和Φ500的瓦斯管，且在回風和尾巷必須留有過線管和觀察咀。取樣前，使四橫貫處于負壓狀態(tài)，同時保證系統(tǒng)風量不少于300 m3/h。調整系統(tǒng)后，保證巷道及觀察取樣處的各有害氣體濃度不能超限。首次取樣工作與西一探巷相同，若氮氣量在首次取樣的基礎增加4%，氧氣濃度在5%以下，無一氧化碳，鉆孔溫度變?yōu)槌兀瑒t置換氣體結束。

5 注氮滅火效果

據(jù)7205工作面氣體分析結果，注氮第4 d，西一探巷內氣體置換結束；第9天回風、尾巷氣體置換結束；第12 d，進風巷氣體置換結束。在以后的18 d注氮期間，各測點CO濃度由注氮前的35ppm下降到4 ppm以下，CH4由原來的10%上升為53%以上，氮氣濃度達32%以上，氧氣濃度下降到3%以下，火區(qū)氣體溫度降到16℃左右；說明氮氣滅火效果明顯、迅速，達到《煤礦安全規(guī)程》的關于密閉火區(qū)啟封條件。實際情況是，在工作面發(fā)火后第98 d開始啟封（期間24d聯(lián)系打鉆隊伍和確定注液氮方案，實際注氮30 d，計260 t液氮），啟封10 d后開始試生產(chǎn)，之后工作面又快速推進了100 m，期間未發(fā)現(xiàn)氣體異常現(xiàn)象，表明工作面啟封結束。

6 結束語

經(jīng)陽泉新景礦實際效果來看，工作面采空區(qū)著火到工作面安全啟封只用了98 d，是凝膠、黃泥灌漿滅火無法比擬的，故地面直接注氮法是安全、高效、可行的一種滅火方法。

Practice of Surface Direct Nitrogen Injection in Heading Faces

CAI Lei-lei
(Yangquan College,Taiyuan University of Technology,Yangquan Shanxi 045000)

The paper introduces the fire accident of7205 working face in Xinjing mine and fire prevention and extinguishing technology mechanism with nitrogen.Three nitrogen injection methods (including surface boreholes,underground boreholes,and underground mobile nitrogen generators)are compared in terms of technology and economy.The surface boreholes nitrogen injection is determined to be the best scheme.The paper further discusses parameters selection,gas replacement in mined-out areas,and fire control effect of the nitrogen method.The practice showed that the effective,fast,pollution-free,and low-cost fire prevention and extinguishing technology with nitrogen could quickly release the sealed mined-out area of7205 working face.

sealed mined-out area;surface direct nitrogen injection method;heading faces

TD752

A

1672-5050（2012）09-0070-03

2012-03-25

蔡雷雷（1984—），女，山西原平人，碩士，講師，從事礦井防滅火、礦井通風、采礦工藝研究。

劉新光