鉆孔注氮防滅火技術在煤礦中的實踐探究

張鵬飛

摘 要：為了保證煤礦生產的安全，有必要全面防范與控制采空區煤體自燃的現象。本文充分結合平煤十二礦項目中斜井-立井混合開拓的煤礦井田，介紹了注氮防滅火技術的基本原理。通過注氮設備、技術指標與鉆孔設計的分析，說明了在煤礦生產與實踐過程中注氮防滅火技術的工藝要求。文章指出氮氣的穩定性給防滅火技術提供了強大的支持，將氮氣用于煤礦防滅火可以到達良好的防爆炸、窒熄以及降溫冷卻的效果，是煤礦井田安全生產的重要保障。文章對于推行氮防滅火技術以及指導煤礦技術操作具有一定的積極作用。

關鍵詞：注氮；防滅火技術；煤礦井田；基本原理；技術指標；鉆孔設計；工藝要求；效果

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.015

0 引言

礦井中最為常見的災害之一當屬火災，礦井火災將直接威脅相關工程項目的安全生產，是造成資源破壞、經濟損失以及人員傷亡的重要因素之一。目前，在礦井生產中發生的火災大部分是因礦井自身原因引起的，特別是采空區遺煤以及松散煤柱自燃已經成為了發生礦井火災的主要原因之一。對于這類現象，如果不采取適當的措施進行及時治理，不僅會造成煤炭資源的大量浪費，還會嚴重阻礙我國煤礦的安全、高效生產。盡管對于煤礦火災的預防已經積累一定的經驗，也存在一定的處理辦法，但是對于易自燃煤層還達不到理想的防治效果。因此，有必要引入防滅火技術以避免煤層自燃。本文將對鉆孔注氮防滅火技術在煤礦中的應用作具體的介紹。

1 礦井及工作面概況

平煤十二礦主要涉及到斜井-立井混合開拓的煤礦井田，主采北三采區12#、16#煤層。該煤礦井田屬于瓦斯礦井，共有4個井筒，其每分鐘瓦斯絕對涌出量為5.49立方米。12#、16#煤層都屬于II類自燃煤層，其自然發火期最短分別為59天、63天。

2 注氮防滅火技術的實踐

2.1 注氮防滅火技術的機理

在一般環境中，氮氣性質通常相對穩定，標準大氣壓下，其基本上不會和任何化學元素發生反應。氮氣密度與空氣接近，可以比較勻稱在采空區擴散，其不具有燃燒性，也不能助燃。氮氣不容易產生分層現象，極少因為焦煤巖石的吸附作用而產生虧損。因此，在煤礦的生產開發過程中經常將氮氣用于防滅火具中，其滅火機理主要有以下三點：

（1）氮氣具有良好的防爆防炸性。在溫度較低的環境中，氮氣不會與任何可燃性物質發生化學反應，在高溫環境中，氮氣的組成成分也不會受到影響。所以，在采空區注入氮氣可以有效沖淡其他氣體，使可燃性氣體的濃度和氧氣的單位含量迅速下降，隨著采空區的惰化，可燃性氣體將逐漸失去可爆性，這樣便達到了防爆炸的目的。

（2）氮氣能夠實現有效窒熄。為了使相鄰采空區遺煤帶以及復合采空區氧化帶發生惰化，可以通過鉆孔對相鄰采空區遺煤帶進行氮氣的預防性注入，讓火區含氧量越來越少，最后因為氧氣的不足而逐漸熄滅。隨著氮氣的注入，防火區域的防火效果會愈加明顯，采空區氧化帶的范圍也會逐步縮小，這樣便可以有效抑制綜放工作面復合采空區氧化帶發生自然發火的現象。

（3）氮氣能夠達到很好的降溫冷卻效果。高溫氣體或是常溫氣體一旦遇上低溫的氮氣，其大量的熱量將會被氮氣吸收。因此，氮氣較好的冷卻作用可以使環境溫度逐漸下降。一般來講，氮氣溫度越低，所產生的交換熱就越多。所以，溫度越低的氮氣其冷卻效果更加顯著。

在科學技術不斷突破的社會背景中，注氮防滅火技術也在大步前進。無論是注氮技術還是注氮工藝或是注氮設備，其都隨著經驗的積累和高新科技的融入而愈加科學、高效。諸如變壓吸附制氮裝置、深冷空分制氮裝置以及膜分離制氮裝置等都已經廣泛應用于各大工程項目中。

2.2 注氮防滅火技術的工藝

采取最新的空纖維膜分離注氮技術，利用地面 DM 移動式膜分離制氮機，該設備的技術指標包括：

（1）額定工作壓力為2.3x107Pa，2臺注氮設備，每小時1000立方米的注氮能力。

（2）6個封孔器，長度為124米，安裝桿長度為36米。

（3）4臺真空啟動器，電纜長度為300米、直徑為0.05米，電源1440伏。

（4）氮氣純度應高于97%，含氧量不得超過3%。

氮氣防滅火工藝的關鍵取決于注氮的位置和所鉆孔的相關參數，鉆孔設計是否科學，工藝是否到位直接關系著防滅火的工期和質量。按照有關的施工技術，本次共需鉆4個孔徑為0.094米的孔，共分為3組進行。其中，第1、2個孔為第一組，其鉆孔位置位于集中運輸大巷4#點前52.8米，孔深分別為78米、77米。第二組（第3個孔）鉆孔位置集中運輸大巷4#點前27.7米，孔深為77米。第三組（第4個孔）鉆孔位置集中運輸大巷3#點前46.2米，孔深為80米。

2.3 注氮效果評價

盡管采取了第一時間封閉火區的措施，并在運輸順槽和回風順槽處都設置了調壓通風設施，但注氮防滅火技術的應用依然使得氧氣濃度變化明顯。隨著氮氣的不斷注入，封閉火區內的氧氣濃度不斷減少，最終氧含量由原來18.123%下降至2.372%。與此同時，封閉火區內原有的濃度為0.00478%的一氧化碳也在4d時間內降至0，這為火區啟封打下了良好的基礎，并且對礦井的安全提供了強大的支持。另外，通過重新打孔對溫度進行了全面監測。隨著氮氣的注入采空區溫度呈現出明顯的下降趨勢，由此可見氮氣降溫冷卻效果明顯，對于采空區煤炭的自燃起到了很好的抑制作用。

3 結語

文章針對采空區自燃現象，介紹了鉆孔注氮防滅火技術在煤礦井田中的實踐情況與使用價值。文章指出氮氣具有良好的防爆防炸性，可以有效實現窒熄，并且能夠達到很好的降溫冷卻效果在煤礦防滅火中應用廣泛。在具體的煤礦生產過程中，應結合施工現場，按照有關技術指標和工藝要求，科學合理的進行鉆孔，只有這樣才可能最大限度發揮鉆孔注氮防滅火技術的功能，為工程項目的安全提供支持與保障。

參考文獻：

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