注氮防滅火技術(shù)在黃白茨煤礦的實踐與應(yīng)用

徐中瑤

（國家能源集團烏海能源有限責(zé)任公司黃白茨煤礦，內(nèi)蒙古烏海016000）

煤礦火災(zāi)事故是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要礦井災(zāi)害之一，例如2013 年2 月28 日19 時43 分，河北省冀中能源張礦集團懷來艾家溝礦業(yè)有限公司井下發(fā)生一起重大火災(zāi)事故，造成13 人死亡，直接經(jīng)濟損失1425.08萬元[1]。在所有煤礦火災(zāi)事故中內(nèi)因火災(zāi)高達90%左右，外因火災(zāi)占10%左右[2]。因此我們必須加大煤礦火災(zāi)事故的防控力度，力爭做到防患于未然。采空區(qū)自然發(fā)火是煤礦內(nèi)因火災(zāi)的主要表現(xiàn)形式，造成采空區(qū)自燃發(fā)火主要原因是采空區(qū)內(nèi)遺留的大量的煤炭，這些遺留的煤炭有自燃發(fā)火傾向時在進入采空區(qū)的氧氣與之發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量，當(dāng)這些熱量有散不出去時就會使得遺留的煤炭升溫，當(dāng)溫度達到其燃點的時候就會發(fā)生自燃[3]。通常防治采空區(qū)自燃的方法有均壓防滅火法、采空區(qū)注漿法、采空區(qū)注氮法、采空區(qū)注液態(tài)CO2法等方法[4]。采區(qū)注氮防滅火技術(shù)是一種比較常用的防滅火方法，該方法作為一種比較成熟的防滅火技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛地應(yīng)用[5]。注氮防滅火的實質(zhì)是通過向采空區(qū)注入大量的惰性氣體，來惰化火區(qū)[6]。通過大量惰性氣體氮氣的注入達到延長遺留煤炭的自燃發(fā)火周期，抑制遺留煤炭的燃燒、窒息火源，達到滅火的目的[7]。近幾年我國開采淺埋藏煤層的同煤集團四臺礦、大斗溝礦、同忻煤礦，新疆的韋湖梁礦、寧煤集團白芨溝礦和羊場灣礦、阜新孫家灣礦、汾西煤業(yè)的新陽礦、內(nèi)蒙的東辰礦和俄羅斯的奧礦均采用注氮防滅火技術(shù)取得了成功[8]。這一技術(shù)只應(yīng)用于加速封閉火區(qū)內(nèi)火源的熄滅，以后又應(yīng)用于抑制非封閉采空區(qū)里煤炭的自熱或自燃，同時保證工作面正常生產(chǎn)[9]。

1 礦井及工作面概況

1.1 礦井概況

國家能源集團烏海能源有限責(zé)任公司黃白茨煤礦位于烏達礦區(qū)中部，南鄰五虎山井田，西、北與蘇海圖井田相鄰，東部以烏達逆掩斷層為界，井田南北長3.94km，東西寬1.606km，面積為6.33km2。井田內(nèi)共有9#、10#、12#、13上2#、13#、15#、16#和17#共8 個可采煤層，其中9#、10#、12#、15#煤層為主采煤層。可采煤層總厚度16.68m，礦井核定生產(chǎn)能力為200×104t/a；該礦通風(fēng)方式為中央分列式，主要通風(fēng)機的工作方式為抽出式。礦井由主井、副井、行人斜井、10#風(fēng)井四個井筒進風(fēng)，11#回風(fēng)井排風(fēng)。2012年黃白茨煤礦的礦井絕對瓦斯涌出量為50.81m3/min，相對瓦斯涌出量為17.45m3/t屬于高瓦斯礦井，因此必須在礦井通風(fēng)合理的基礎(chǔ)上加強礦井的瓦斯綜合抽放才能確保礦井的安全生產(chǎn)。煤層自燃傾向等級均為Ⅱ類，均屬自燃煤層，煤塵均有爆炸危險性。礦井采掘機械化程度100%。目前12#煤層布置1 個綜采工作面、1 個掘進工作面、10#煤層布置1個綜采工作面、2個掘進工作面。

1.2 工作面概況

021005 工作面位于922 采區(qū)南翼區(qū)域內(nèi)，距地表垂深約195～206m，西部為已回采完畢的021003 工作面，東部為021007 回風(fēng)巷，南部為五虎山井田邊界，北部為922 軌道下山等巷道。021005 工作面煤層厚度2.3m，煤層傾角3°～13°，平均傾角為7°，工作面切眼長度為216m，工作面走向長度為1150m。該工作面采用綜合機械化放頂煤采煤工藝，走向長壁式采煤法，全部垮落法控制頂板。

2 問題的提出

2.1 問題的提出

2019 年10 月份以來黃白茨煤礦021005 工作面回采過程中出現(xiàn)了CO氣體，該工作面上隅角CO氣體濃度為16ppm 左右。經(jīng)過對工作面和地表的調(diào)查，對礦井的自然發(fā)火狀況分析如下：工作面采空區(qū)浮煤已經(jīng)開始低溫氧化。

2.2 原因分析

造成021005工作面采空區(qū)浮煤低溫氧化的原因如下：

（1）黃白茨煤礦所采的長焰煤為易自然發(fā)火煤層，其最短發(fā)火期為40～50d，當(dāng)采空區(qū)浮煤長期氧化時，易產(chǎn)生CO氣體。

（2）工作面的采空區(qū)內(nèi)留有一定數(shù)量的遺煤，而且遺煤呈立體分布，位置較高，不管是灑阻化劑，還是黃泥灌漿，均順底板流走，不易包裹這些遺煤，這些遺煤長期氧化，易自然發(fā)火。

（3）礦井為近距離特厚煤層開采，采空區(qū)的上部有9#煤層采空區(qū)，兩層采空區(qū)層間距僅3.5m左右，在開采10#煤層的021005 工作面時，形成了地表→9#煤層90201 采空區(qū)→10#煤層021005 采空區(qū)→021005 工作面回風(fēng)流的漏風(fēng)。這個漏風(fēng)通道在021005工作面的強大負壓作用下長期漏風(fēng)，使采空區(qū)浮煤易自然發(fā)火。

解決的方法與對策：

（1）針對黃白茨煤礦所采的長焰煤為易自然發(fā)火煤層，其最短發(fā)火期為40～50d，該礦采取了向采空區(qū)注氮來惰化采空區(qū)，減緩遺煤氧化的過程。

（2）針對工作面的采空區(qū)內(nèi)留有的遺煤，而且遺煤呈立體分布，位置較高，不管是灑阻化劑，還是黃泥灌漿，均順底板流走，不易包裹這些遺煤，這些遺煤長期氧化，易自然發(fā)火的實際情況該礦采取了加快工作面回采速度，同時在工作面上、下隅角打砂袋的方法減少向采空區(qū)的漏風(fēng)量。

（3）針對礦井為近距離特厚煤層開采，采空區(qū)的上部有9#煤層采空區(qū)，兩層采空區(qū)僅3.5m 垂高的實際情況該礦采取了均壓通風(fēng)防滅火的方法來進行治理收到了良好的治理效果。

3 注氮防滅火技術(shù)的實踐與應(yīng)用

3.1 注氮防滅火技術(shù)的工作原理

（1）注氮防滅火原理。向采空區(qū)注入氮氣以防滅火的工作原理是消除燃燒的三個元素中的氧氣元素，即實現(xiàn)一種可燃物與氧氣的屏蔽和隔離。當(dāng)氧濃度低于10%～12%時，所有火焰燃燒將被熄滅；而當(dāng)氧濃度低于2%時，低溫干餾燃燒將被熄滅。利用惰性氣體惰化防止火災(zāi)和氣體爆炸的過程稱為惰化。惰化后的火區(qū)由于供氧量不充分而無法爆炸和燃燒。氮氣防滅火技術(shù)是指將氮氣送入滅火區(qū)域，使該區(qū)域的空氣惰化，使氧氣濃度低于煤自燃的臨界氧氣濃度，從而防止煤被氧化，從而窒息現(xiàn)有火區(qū)的防滅火技術(shù)[10]。

（2）氮氣防滅火的特點。

①通過管道運輸，運輸方便，節(jié)約用水。

②氮比空氣輕，可以充滿封閉區(qū)域的所有空間，這對于防治和撲滅工作面上部和巷道頂棚區(qū)域的火災(zāi)特別有利。

③滅火過程中不損壞井巷設(shè)備，使災(zāi)后恢復(fù)工作簡單。

④氮氣本身無毒，使用安全。

⑤使用方便，投入防滅火速度快，采空區(qū)有發(fā)火征兆時，只需開啟閥門，便可迅速向采空區(qū)注入氮氣。

⑥滅火速度快，能迅速降低封閉區(qū)的氧含量使火區(qū)窒熄。

⑦目標(biāo)注氮時，能迅速降低巷道冒頂區(qū)的一氧化碳含量，保證滅火人員的安全。

⑧能提高火區(qū)內(nèi)氣體壓力，減小火區(qū)漏風(fēng)。

3.2 注氮防滅火技術(shù)的應(yīng)用

黃白茨煤礦的氮氣防滅火系統(tǒng)由制氮機、輸?shù)苈泛筒煽諈^(qū)鉆孔套管組成。在地面采用了兩臺DT1000型中空膜分離型制氮機同時向運行，向井下源源不斷地供給純度為98.5%的氮氣。021005 工作面采用“U”型通風(fēng)方式，將注氮管從該工作面上隅角輸送到采空區(qū)，從而達到抑制遺煤自燃的目的。

（1）制氮機。在地面設(shè)置兩臺DT1000型中空膜分離型制氮機制氮機。制氮機的參數(shù)為：氮氣產(chǎn)量1200×2Nm3/h；氮氣純度≥98%；出口壓力0.5～0.7MPa；起動時間40min；裝機容量2×360kW。

兩臺制氮機同時運轉(zhuǎn)，可以滿足礦井治理CO超限需要。

（2）輸?shù)苈贰］數(shù)苤睆桨垂剑?）計算[11]：

式中：Q——最大輸?shù)髁浚?0m3/min；

D——注氮管路最小直徑，mm;

V——管道內(nèi)氮氣允許流速，當(dāng)?shù)獨鈮毫?.3～0.6MPa時，為25m/s。

將以上數(shù)據(jù)代入式（1），算出D=183mm。

故礦井的輸?shù)苈愤x取為Φ210mm的無鏠鋼管1趟。

（3）確定采空區(qū)合理防火注氮流量。根據(jù)理論計算和礦井工作面防滅火與注氮的實際研究，確定了采空區(qū)防滅火合理的注氮量。確定了防滅火注氮流量的計算與工作面的產(chǎn)量、風(fēng)量、采空區(qū)的體積、氣體排放量等因素有關(guān)。

根據(jù)氧氣含量計算防滅火氮氣注入流量[12]：

式中：Q0——采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量，工作面風(fēng)量為1200m3/min，取Q0為12m3/min；

C1——采空區(qū)內(nèi)氧化帶平均氧含量，取15%；

C2——采空區(qū)氧化帶防火惰化指標(biāo)，取7%；

Cn——注氮防火時氮氣純度，取98%；

k——輸?shù)苈窊p失系數(shù)，為1.1～1.2，取1.1；

n——工作面推進度系數(shù)，40～90m/月為1，大于90m/月取0.9，取1；

r——煤層自然發(fā)火期，1～3 個月為1.2，3～6 個月為1，6個月以上為0.8，取1；

e——防滅火用途，防火取1，抑制高濃度CO 取為1.8。

采空區(qū)治理高濃度的CO 超限所需注氮流量取為2300m3/h。

（4）注氮防滅火工藝。由于地表存在漏風(fēng)，采空區(qū)浮煤較多，工作面采空區(qū)漏風(fēng)也比較嚴重，使采空區(qū)隋化欠帳較多，因此需保持采空區(qū)大流量注氮，礦井1號、2號制氮機全部注入井下采空區(qū)。

由于工作面風(fēng)量較大，因此，采空區(qū)采用埋管注氮的方法，具體情況是：沿工作面進風(fēng)口埋入一根?108mm的鋼管。隨著工作面的前進，鋼管被埋在采空區(qū)的進風(fēng)口一側(cè)，當(dāng)埋管進入采空區(qū)35m時開始注氮，埋管步距為35m，埋管進入采空區(qū)90m時斷掉此埋管，替換為另一個用于氮氣注入的注氮管，這樣在采空區(qū)的氧化區(qū)域中總會埋有兩條管道。盡管此方法浪費了大量管道，但它可以將氮氣注入采空區(qū)的深部。適用于大風(fēng)量，采空區(qū)冷卻帶寬大或采空區(qū)涌水量大的工作面或者該工作面具有較大的風(fēng)量。因此，采空區(qū)的埋管注氮是注氮防滅火技術(shù)的首選方案。為了防止采空區(qū)中的水涌入埋管，將埋入管的出口端做成45°彎頭，氮的出口端比采空區(qū)底板高0.5m，如圖1 所示。當(dāng)埋管正在注入氮氣時，必須確保在采空區(qū)中總有35～90m范圍內(nèi)的2個注氮管，以確保將氮氣注入采空區(qū)氧化區(qū)域。因此，當(dāng)?shù)谝粋€埋入管進入采空區(qū)35m時，第二個氮氣注入管應(yīng)立即埋入。

圖1 021005工作面采空區(qū)埋管注氮示意圖

4 注氮防滅火效果分析

自從2019年10月份黃白茨煤礦90204綜放工作面上隅角出現(xiàn)CO以來礦方積極采取注氮防滅火措施，收到了良好的防滅火效果。2019 年10 月31 日該礦實行注氮防滅火后，累計向該工作面采空區(qū)注氮113.4×104m3，有效地抑制了采空區(qū)CO 向上隅角和回風(fēng)順槽涌出，工作面上隅角CO 氣體濃度從16ppm 左右降到0ppm，保證了工作面的安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

由黃白茨煤礦021005綜放工作面實施注氮防滅火措施收到良好的使用效果可知，注氮防滅火技術(shù)是一項成本低廉、制作方便、工人勞動強度低、效果明顯、安全可靠的防滅火技術(shù)，在煤礦現(xiàn)場得到了廣泛地推廣和應(yīng)用，但是必須值得注意的是必須結(jié)合煤礦現(xiàn)場實際情況采取注氮防滅火技術(shù)，并且該技術(shù)與其他防滅火技術(shù)有機結(jié)合使用效果會更好。