注氮氣防滅火技術在宏發煤礦的應用

朱佳

摘要：貴州省鎮寧縣宏發煤礦主采M7煤層屬自燃煤層，煤層自然發火期3～6個月。礦井采用注氮氣防滅火技術成功對11701采煤工作面火區進行連續性注氮氣滅火后安全啟封，并在采面啟封后采取間斷性注氮氣防火技術確保工作面安全順利回采結束，取得了較好的經濟效益、安全效益和社會效益。

關鍵詞：煤礦;注氮氣;防滅火;應用

一、概述

貴州省鎮寧縣宏發煤礦礦井開采煤層為M7煤層，M7煤層位于龍潭組第三段，M7煤層可采厚度為1.60—3.50 m，結構較復雜，有1—3層夾矸，夾矸厚度0.05—0.4m結構較簡單，分布范圍內全區可采，屬較穩定煤層。煤層傾角14～30°，平均傾角約20°。煤種為：貧煤，符號為PM，牌號為11;煤層容重1.35。

M7煤層屬突出煤層，礦井屬煤與瓦斯突出礦井。礦井絕對瓦斯涌出量為10.41m3/min，相對瓦斯涌出量為29.57m3/t。

M7煤層的自然發火傾向性為二類，屬自燃煤層。煤層自燃發火期一般為3～6個月。

M7煤層具有煤塵爆炸性。

11701采煤工作面采用2.5m的單體液壓支柱配2.6m的Π型鋼長梁，二梁五柱支護。采煤方法為走向長壁后退式，放炮落煤，全部垮落法管理頂板。工作面采用U型通風。

二、注氮氣滅火啟封火區

（一）工作面發火原因分析

宏發煤礦一采區11701采煤工作面回風巷走向長300米，運輸巷走向長240米，平均走向長約270米，采面平均傾斜長115米。于2011年3月12日切眼貫通形成采面開始回采。至2011年9月中旬，11701采煤工作面推采至平均走向長約160米時，由于采空區遺煤自燃發火，在采面上、下出口和中部可見明火和煙霧，礦首先采取向火源點插管注水、注漿措施進行滅火，由于采空區火源未能完全控制熄滅，為確保安全，于2011年10月15日，礦對11701采面采取了全面封閉措施。

分析其發火原因，11701采煤工作面發生采空區遺煤自燃主要原因有以下三個方面：

一是所開采M7煤層本身具有自燃傾向性，屬二類自燃煤層。

二是該工作面煤層較厚，為3.5米，開采時一次未能采全高，采空區煤炭丟失較多，存在自燃發火熱源。

三是抽采瓦斯時間不足，瓦斯治理難度大，開采時受瓦斯制約，工作面經常停下來施工抽（排）放鉆孔，致使采面推采速度緩慢，推采時間延長，導致從運輸巷后尾向采空區氧化帶漏風供氧時間長，最終造成采面采空區遺煤自燃發火。

（二）注氮氣滅火啟封火區

宏發煤礦在2011年10月15日11701采面發火封閉后，一直處于停產狀態。直到2012年5月8日由救護隊對火區氣體進行取樣分析化驗，火區仍未熄滅。

2012年5月8日火區氣體取樣分析化驗結果為：瓦斯88.41%，二氧化碳5.24%，氧氣0.96%，一氧化碳0.0021%，空氣溫度37°。

針對上述情況，考慮采空區注氮氣具有如下防滅火作用：

1、氮氣可以充滿任何形狀的空間并將氧氣排擠出去，從而使火區中因氧含量不足而將火源熄滅，或者使采空區中因氧含量不足而使遺煤不能氧化自燃;當對防滅火區域注入大量的氮氣后，使得采空區內的氧氣濃度下降;氮氣部分地替代氧氣進入到煤體裂隙表面，與煤的微觀表面進行交換吸附，從而使得煤表面對氧氣的吸附量減少，在很大程度上抑制或減緩了遺煤的氧化作用。

2、在有瓦斯和火存在的氣體爆炸危險區內，注入氮氣后可以降低氧氣濃度和可燃性氣體濃度，能防止可燃性氣體爆炸;

3、向采空區或火區中大量注入氮氣后，可以增加采空區相對壓力，致使新鮮空氣難以漏入，使遺煤不易氧化;

4、較低溫度的氮氣在流經煤體時，吸收了部分煤氧化產生的熱量，可以減緩煤升溫的速度和降低周圍介質的溫度，使煤的氧化因聚熱條件的破壞而延緩或終止。

為了加速火區熄滅，提前啟封火區，宏發煤礦決定采用向火區內注氮氣滅火后啟封。

具體做法是從2012年5月8日在主斜井口20米的地面工業廣場內租用安裝DT1000/5井下移動式碳分子篩制氮裝置一套，通過4寸鋼管向11701運輸巷密閉內的火區注入氮氣（氮氣濃度不低于97%，注氮氣量平均為800m3/h），到5月15日對火區內氣體取樣分析化驗，火區內一氧化碳濃度降到10PPm以下。

2012年5月15日火區氣體取樣分析化驗結果為：瓦斯63.23%，二氧化碳1.12%，氧氣1.73%，一氧化碳0.0002%，空氣溫度32°，火區內空氣中不含有乙烯、乙炔。

然后連續注氮氣直到2012年6月18日，停止注氮氣后再次對火區氣體取樣分析化驗結果為：瓦斯70.63%，二氧化碳1.10%，氧氣0.75%，一氧化碳0.0002%，空氣溫度26°，火區內空氣中不含有乙烯、乙炔。

因此，根據《煤礦安全規程》（2011版）第248條之規定判斷11701采面火區已熄滅，于2012年6月19日，礦采取繼續向采空區內注入氮氣的同時，對11701采面火區實施啟封取得成功，解放火區煤量5.9萬噸。

三、注氮氣防火回采

2012年6月19日，宏發煤礦成功將11701采面火區采取注氮氣安全啟封后，為防止采空區復燃，沿11701采面切眼以里運輸巷后尾和沿采面切頂線采空區輔設各一趟2寸管，靠近后尾采空區側的鋼管長2～5米，前端留均設一段穿孔眼的花管（防止堵塞），作為第一個氮氣釋放口設在采面切眼以里采空區側，同時沿管路上每30米留設一個三通，并安設閘閥控制，每一個三通閘閥上增加安設一節2米長的注氮防堵管，并在采面上下沿傾斜方向5～10米采用擋風障或碼隔漏風墻（采空區垮落充填較好時采用風障，垮落充填不好時采用碼隔漏風墻），以減少向采空區供風。每推采30米到三通閘閥地點進行回收時，開啟閘閥進行第二個氮氣釋放口注氮氣，如此循環。

根據采空區“三帶”（散熱帶、氧化帶、窒息帶）分布規律，在采面成功啟封后回采的第一個月內，采取連續向采空區注氮氣的方式，加快采面推進速度，保持每月推進走向長度不少于30米。在連續注氮氣一個月后，經對采面上隅角采空區取樣分析化驗后，確認采空區短期內不會復燃，改為每間隔10天注氮氣24小時的間斷性注氮氣方式，直至2012年10月11701采煤工作面采結束封閉，歷時4個月，安全采出煤炭5.9萬噸，未發生采空區復燃。

四、結束語

1、采面在推采期間，由于礦壓作用頂底板的煤層受到破壞，易造成采面切頂線以內的煤炭自燃發火，采用阻化劑、采空區灌漿或凝膠進行防滅火方法存在對采面局部煤厚地點的頂部煤炭因灌注高度達不到或不能完全覆蓋采空區遺留煤炭，將不能起到很好的防滅火效果。而向采空區內注入氮氣的防滅火方法則可以彌補上述不足，恰恰能夠有效地充填到這一區域，起到很好的惰化防滅火的作用。

2、采取連續性注氮氣方式向采空區或火區中大量注入氮氣后，可以增加采空區相對壓力，致使新鮮空氣難以漏入，使遺煤不易氧化;較低溫度的氮氣在流經煤體時，吸收了部分煤氧化產生的熱量，可以減緩煤升溫的速度和降低周圍介質的溫度，使煤的氧化因聚熱條件的破壞而延緩或終止。采用連續性注氮氣滅火可達到加速火區熄滅，為啟封火區贏得時間。

3、采取間斷性注氮氣方式向采空區及遺煤區注入氮氣，使其滲入到采空區冒落區、裂隙帶及遺煤區，降低這些區域的氧含量，形成氮氣惰化帶，從而達到抑制采空區自燃和安全開采的目的，為瓦斯抽采提供時間和空間。

4、根據采空區“三帶”（散熱帶、氧化帶、窒息帶）分布規律，加快采煤工作面的推進度，使工作面后部采空區原“氧化帶”在自然發火期內進入新形成的“窒息帶”內，同樣也是防治采煤工作面采空區自然發火的有效方法。

參考文獻：

[1]張國樞.通風安全學，徐州：中國礦業大學出版社，2000年。

[2]秦書玉.煤礦井下內因火災防治技術，沈陽：東北大學出版社，1993年。

[3]國家安全生產監督管理總局.煤礦安全規程，北京：煤炭工業出版社，2011年。

[4]煤炭科學研究總院重慶分院.煤礦用氮氣防滅火技術規范（MT/T701-1997），北京：煤炭工業出版社，1998年。