劉園子煤礦51509工作面注氮防滅火應用研究

王勇

摘要：劉園子煤礦51509工作面采空區出現自燃發火預兆并影響安全推采，提出了采空區持續注氮的防滅火措施，并得到了實際運用，工作面推采過程中各地點CO濃度均明顯下降，防滅火效果顯著。

關鍵詞：采空區發火注氮防滅火劉園子煤礦

1 工作面概況

劉園子煤礦51509工作面位于5號煤層51采區，該工作面左側為51507回采工作面，目前暫未施工，工作面右側為51511綜放工作面采空區，工作面的北面為煤5-1煤層露頭，南面為51采區三條上山。工作面走向長度1073m，傾斜長度130.5m，煤厚6.85m～6.92m，平均厚度6.89m，煤層傾角6°～10°，平均8°，可采儲量26.67萬噸，回采率80%，工作面采用U型通風方式，工作面風壓差小于150Pa，瓦斯絕對涌出量1.80m3/min，5號煤層屬于I類容易自燃煤層，煤塵爆炸指數為32.5%，最短自燃發火期為46天。

2 51509工作面采空區發火致因分析

51509工作面采空區發火因素主要有以下兩個方面：第一，所采5號煤層為容易自燃煤層，工作面采用放頂煤采煤法，回采過程中采空區留有大量遺煤，遺留煤體呈破碎狀態并發生緩慢氧化，在自燃發火期內若不能將其推入采空區窒息帶內，極有可能引發采空區自燃發火；工作面上、下端頭回采過程中頂板及煤壁垮落埋入采空區，垮落后呈破碎狀態的煤堆積，使得采空區自燃發火的隱患增大。第二，工作面回撤期間，由于工作面長時間停留，使得采空區氧化帶浮煤有了較長的氧化、蓄熱時間，同時采空區散熱條件差，極易引發采空區自燃。

3 氮氣防滅火機理及經濟分析

氮氣是一種惰性氣體，本身無毒、不助燃，也不能供人呼吸，其分子結構穩定，常溫、常壓下很難與其它物質反應，隨著空氣中氮氣濃度的增加，氧氣含量相應減少，當氧氣的體積分數降至5%～10%可抑制煤炭的氧化，當氧氣的體積分數下降到3%以下時，可以完全抑制煤炭的陰燃，氮氣防滅火的主要思路就是將氮氣送入制定的處理區域、使該區域的空氣惰化，使氧氣濃度小于煤炭自燃臨屆氧氣濃度，從而防止煤炭氧化自燃，或者已經形成的火區因缺氧而逐漸熄滅。

氮氣防滅火機理主要表現如下：

（1）降低氧氣濃度。當采空區內注入高濃度氮氣后，氮氣占據了大部分空間，氧氣濃度相對減少，氮氣部分替代氧氣而進入煤體裂隙中，這樣抑制了氧氣與煤的接觸，減緩了遺煤的氧化放熱速度。

（2）提高采空區內氣體靜壓。將氮氣注入采空區后，提高了采空區內氣體靜壓值，減少流入采空區的漏風量，也就減少了空氣中氧氣與煤炭直接接觸的機會，同樣延緩了煤炭氧化自燃的速度。

（3）氮氣吸熱。氮氣在采空區流動時，會吸收煤炭氧化產生的熱量，減緩煤炭氧化升溫的速度，持續的氮氣流動會把煤炭氧化產生的熱量不斷的吸收，對抑制煤炭自燃十分有利。

（4）縮小瓦斯爆炸界限。采空區注入氮氣后，氮氣很快與瓦斯等可燃性氣體混合，瓦斯的爆炸上限值會減少，下限值會升高，也即瓦斯爆炸界限被縮小了，就不易出現瓦斯爆炸事故。

氮氣來源的經濟分析：

氮氣的制取主要是以空氣為原料，空氣中氮氣的供給是無限量的，且原料氣無成本，制取氮氣的方法是采用碳分子篩，利用氮氧分子對分子篩的氣體擴散速度不同的原理來分離氮氣，優點是過程簡單，制氮時間短。

4 注氮防滅火方案

4.1 供氮能力及輸氮管路的選取

4.1.1 供氮能力計算。注氮量是最重要的注氮參數，直接影響著工作面采空區注氮防滅火的效果。注氮量太小因達不到惰化采空區氣體的目的而起不到防滅火的作用，注氮量太大造成經濟上的浪費，同時也會對工作面及回風順槽施工人員的安全造成影響。注氮量主要取決于被注地點的幾何體積、氧化空間大小、裂隙情況、漏風量的大小等，由于礦井條件千差萬別，目前只能按照被注地點的幾何體積、工作面的產量、噸煤注氮量、瓦斯量、氧化帶內的氧氣含量進行計算。

根據51509工作面的實際情況，采用工作面的產量、噸煤注氮量、瓦斯量、氧化帶內氧濃度進行計算、比較選取最大值。

A.按產量計算防滅火注氮量

按產量計算的實質就是在單位時間內注氮充滿采煤所形成的空間，使氧氣濃度降到防火惰化指標以下，可按下面的經驗公式計算：

Qn=[A/（rtη1η2×24）]·（C1/C2-1）

式中：

Qn—注氮量，m3/h；

A—年產量，取1800000t；

t—年工作日，取276d；

r—煤的容重，1.23t/m3；

η1—管路輸氮效率，取90%；

η2—采空區注氮效率，取60%；

C1—空氣中的氧濃度，取20.8%；

C2—采空區防火惰化指標，取7%。

則Qn=[1800000/（1.23×276×0.9×0.6×24）]·（0.208/0.07-1）=806.54 m3/h。

B.按瓦斯含量計算防火注氮量

Qn=60QcC/（1-C）

式中：

Qc—工作面通風量，取1000m3/min；

C—工作面回風流中的瓦斯濃度，取1%。

則Qn=60×1000×0.01/（1-0.01）=606.06m3/h。

C.按采空區氧化帶濃度計算防火注氮量

Qn= Qv（C1-C2）/（Cn+C2-1.0）

式中：

Qv—采空區氧化帶漏風量，取300m3/min；

C1—采空區氧化帶內平均原始氧濃度，取14%；

C2—注氮防火惰化指標，取7%；

Cn—注入氮氣的濃度，取97%。

Qn=300（0.14-0.07）/（0.97+0.07-1.0）=525 m3/h。

通過以上三種計算、比較，確定51509工作面注氮量為806.54m3/h，因此選用 2套DT-1000/6型制氮裝置，一備一用，每套制氮裝置可產氮氣量1000Nm3/h。

4.1.2 輸氮管路的選擇。注氮主管路采用φ159mm的鋼管，51509工作面輸氮管路的長度為1050m，工作面輸氮敷管路使用φ80mm的聚氯乙烯管雙路敷設至工作面采空區，采空區埋設輸氮管路采用法蘭連接，并配備獨立專用閥門。

4.1.3 供氮壓力。根據《煤礦用氮氣防滅火技術規范》（MT/T701-1977）第7.3、7.4條規定：地面、井下制氮設備的供氮壓力，其管路末端的絕對壓力不得低于0.2MPa，輸氮管路的直徑應滿足最大輸氮流量和壓力的要求，其供氮管路的壓力可按如下公式計算：

P1=[0.0056（QMAX/1000）2∑（D0/Di）5（λ0/λi）Li+P2]1/2

P1—供氮壓力，MPa；

P2—管路末端絕對壓力，取0.2 MPa；

QMAX—最大輸氮流量，取810 m3/h；

D0—基準管徑，150mm；

Di—實際輸氮管徑，70mm；

Li—相同直徑管路長度，主管1.2km，分管1km；

λ0—基準管徑的阻力系數，0.026；

λi—實際輸氮管徑阻力系數，0.032；

經計算得供氮壓力P1力為0.58MPa

DT-1000/6型制氮裝置的供氮壓力為0.6～0.8MPa，滿足供氮要求。

4.1.4供氮管路的敷設要求。供氮管路的敷設應盡量減少拐彎，要求平、直、穩，接頭不漏氣，每節鋼管的吊點不少于2個，不允許在管路上堆放雜物，低洼處可設置放水閥門；輸氮管路的分岔處應設置三通閘閥及壓力表；輸氮管路應進行防銹處理；定期對輸氮管路進行試壓檢漏。

4.2 注氮防滅火方式

4.2.1 氮氣釋放口位置。防滅火注氮地點選在工作面進風巷，注氮釋放管口應處于采空區氧化帶內，根據礦井生產實際，將第一路注氮釋放管口位置定于距工作面支架后尾梁15m處，隨工作面推進5m后買入第二條注氮管路，當工作面推過第一條注氮管路35m時，即推過第二條注氮管路15m時，停止第一條管路注氮，開啟第二條管路注氮，以此類推，直至工作面回采結束。

4.2.2 工作面回采期間，采空區注氮采用連續注氮方式進行防滅火。注氮防滅火班每班2人，地面1名制氮機司機負責制氮機的開停，井下1名管路巡檢工，負責對井下注氮管路全面巡檢。

5 注氮效果

51509工作面從2016年8月25日嚴格按照作業規程進行注氮施工，期間每天由防滅火人員每班對工作面上隅角、架間氣體抽樣經地面色譜儀分析得出不同時期不同地點CO濃度，至2016年9月11日防滅火效果顯著。

6 結語

采空區注氮防滅火作為一種有效的防滅火手段，在實際應用過程中應加強工作面上、下隅角的封堵，嚴格按照設計注氮量和注氮方式施工，同時做好工作面O2氣濃度監測，防止出現工作面缺氧，劉園子煤礦51509工作面通過在生產實踐中不斷總結，摸索出了適合劉園子煤礦采空區注氮防滅火施工工藝。