王坪煤礦綜采工作面注氮防滅火技術設計研究

秦 偉

（大同煤礦集團朔州朔煤王坪煤電有限責任公司，山西 朔州 038300）

目前，我國煤礦的防滅火方法主要有：注氮、注阻化劑、黃泥灌漿、疊土袋墻、加快工作面推進度、及時充填地表裂隙等方法。由于制氮設備簡單，費用較低，操作簡單，越來越多的煤礦采用注氮防滅火技術來治理綜采工作面采空區的自燃。注氮防滅火技術中，由于氮氣比空氣輕，所以當氮氣注入采空區后可以快速地上浮并充滿采空區四周，隨著氮氣逐漸注入采空區，氧氣的含量漸漸減少，從而可以抑制采空區遺煤發生自燃[1]。

1 注氮防滅火技術參數的選擇

注氮防滅火措施能夠很好的稀釋采空區中的可燃物、氧氣含量，可使采空區達到缺氧狀態進而抑制可燃物發生爆炸現象，并且注氮防滅火采用正壓注入氮氣的方法，所以可以很好地保證采空區區域的安全[2]。

1.1 注氮防滅火流量的計算

采空區的幾何形狀、氧化帶的空間大小、老頂巖石的冒落程度、漏風量的大小及采空區內氣體成分的變化等諸多因素影響采空區注氮防滅火流量的大小。計算公式：

式中：

Qn-注氮流量，m3/h；

Q-采空區氧化帶內漏風量，現取6m3/min；

C1-采空區氧化帶內平均氧濃度，取15%；

C2-采空區惰化防火指標，取 7%；

Cn-注入氮氣中的氮氣濃度，98%；

K-備用系數，一般取1.2～1.5，現取1.2。

經計算Qn=691.2m3/h

1.2 注氮設備的選取

目前，注氮常用的方法主要有連續式和間歇式，采用哪一種方式，取決于氮氣在采空區滯留的時間。根據本礦綜采工作面實際現狀：漏風所能滲透的范圍較小，滲氣性較差，氮氣長時間在采空區內滯留，因此，在采空區內注入氮時可以采用間歇式的注氮方式。通過計算注氮防滅火流量為691.2m3/h，故選擇型號為NC98-1500型注氮機可滿足注氮量的要求。

1.3 注氮管路的選取

注氮管路的直徑應滿足以下兩方面的要求：（1）要滿足注氮系統的最大輸送氮氣流量的要求；（2）要滿足注氮系統輸送氮氣時的最大壓力要求。可按下式計算輸送氮氣時的壓力：

式中：

P2-管路末端的絕對壓力，取0.2MPa；

Qmax-最大輸氮流量，取692m3/h；

D0-基準管徑，150mm；

Di-實際輸氮管徑，mm；

Li-相同直徑管路的長度，km；

λ0-基準管徑的阻力損失系數，0.026；

λi-實際輸氮管徑的阻力損失系數，對于不同的鋼管直徑，則有如表1的關系：

表1 不同管徑阻力系數值

根據NC98-1500型注氮機所提供的壓力P1取0.6MPa計算時，注氮系統的最長輸氮距離可按下式計算：

經計算可得；管路為Ф80mm時，L=0.919km；管路為Ф100mm時，L=2.998km。根據王坪煤礦的實際情況，選擇管徑為Ф100mm的輸送管路。

1.4 注氮地點安全風量

注氮地點及與其相連巷道的安全通風量按下式計算：

式中：

Q0-工作場所的安全風量，m3/h；

QN-最大氮氣泄漏量，取1500m3/h；

CN-泄漏氮氣中的氮氣濃度，取98%；

C1-工作面或巷道中原始氧氣濃度，取20.8%；

C2-工作場所的安全氧濃度指標，取18.5%；

假設工作區域內的氧氣濃度最低要求為18.5%，且輸送氮氣的管路在輸送途中或工作面1500m3/h的氮氣全部泄漏了，按上式計算可得到：此時巷道的安全風量應至少為204m3/min，故要求注氮地點的風量必須大于以上計算所得的風量時才可以保證注氮是安全的。

2 注氮工藝和方法

由于本綜采工作面的配風量大，而且本工作面的采空區冷卻帶寬，因此不宜于采取工作面拖管注氮，由于工作面附近沒有可以利用的巷道打鉆，因此也不宜于采取鉆孔注氮。為此，為了防止采空區發生自燃，可以選用預埋雙管注氮方法。其工藝為：在綜采面的進風側沿進風順槽埋設第一趟Φ100mm注氮膠管，當注氮膠管埋入采空區的距離大于40m后才可以開始注入氮氣；第一趟注氮膠管開時注氮的同時再在采空區里埋入第二趟Φ100mm注氮管路。向采空區注入氮氣時，第二趟注氮管的管口已埋入采空區內40m，同時截斷第1趟注氮管路并預留管口。如此循環，始終保持單管注氮工藝，直至工作面推進到停采線。工作面防滅火注氮管口的步距定為40m（正常回采后，根據束管監測系統數據分析結果，適當調整注氮步距）。氮氣出口端應高于采空區底板 0.5m。

綜放工作面經常選用開放性注氮方式，即向運輸順槽埋管注氮工藝。工作面停采回撤支架及設備期間封閉后再向工作面采空區采取封閉注氮工藝。

根據《煤礦安全規程》中的相關規定，必須保證注入采空區氮氣純度達97%的濃度。為了有效地防止采空區發生自燃及參考其他煤礦注氮經驗，該礦注氮濃度定為大于98%。

3 其他輔助方法

3.1 阻化劑防滅火方法

阻化劑防滅火系統選取在綜采工作面進風順槽設備列車靠工作面一側安設阻化泵，用Φ10mm高壓膠管將阻化泵與噴槍連接，從兩架支架的間隙中間向采空區用中直機關噴灑阻化劑，從支架間隙向采空區噴灑，噴灑的間距為6m，每次噴灑的時間至少持續6min，流量不小于35L/min。如遇停采、過地質構造、末采等特殊情況時，必須對采空區加大噴灑阻化劑的頻次，利用阻化劑隔絕煤與氧氣的接觸，從而達到惰化采空區浮煤、防止浮煤自燃的目的。正常回采期間，在早班檢查時由專人對采空區進行阻化劑噴灑工作。工作面開采初期，或因地質原因，或由于綜采電氣等設備的原因造成了工作面推進速度放慢，根據實際情況增加噴灑阻化劑的數量和次數，并對工作面上下隅角等重點自然發火危險區域全面濕潤浮煤，抑制遺煤自燃。

3.2 加快工作面推進度

采空區中存在著不自燃帶、自燃帶和窒息帶。開采工作面向前推進的過程中，工作面推進的速度越快，采空區自燃帶的寬度也就越小，進而采空區遺煤發生自燃的可能性越小。所以，要保證采空區不發生自燃，首先要確保綜采工作面回采率不降低的情況下，大大提高工作面回采的推進度，使采空區自燃帶的寬度減少，這樣就可以大大降低采空區遺煤發生自燃的概率。由于本礦井目前無“三帶”參數，因此根據國內目前防滅火經驗，確定王坪煤礦最小推進度滿足大于2.5m/d的要求。

4 結論

注氮防滅火技術與其他防滅火技術相比較具有施工工藝簡單、選型快速、使用成本低且材料無毒無害等優點，具有綠色環保的特性。經在王坪煤礦綜采工作面的使用，抑制了綜采工作面采空區發生自燃的事故，確保了綜采工作面的順利回采。