地面直接注氮法在回采工作面的應(yīng)用實(shí)踐

蔡雷雷

（太原理工大學(xué) 陽(yáng)泉學(xué)院，山西 陽(yáng)泉 045000）

地面直接注氮法在回采工作面的應(yīng)用實(shí)踐

蔡雷雷

（太原理工大學(xué) 陽(yáng)泉學(xué)院，山西 陽(yáng)泉 045000）

介紹了陽(yáng)泉新景礦7205工作面火災(zāi)事故概況，以及氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)機(jī)理，并從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面探討了地面鉆孔、井下鉆孔、井下移動(dòng)式制氮裝置就地注氮法三種滅火方案的優(yōu)劣，提出了地面鉆孔注氮法的最佳滅火方案；進(jìn)一步探討了注氮參數(shù)選擇、采空區(qū)氣體置換、以及氮?dú)鉁缁鹦Ч?。?shí)踐表明：氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)對(duì)封閉采空區(qū)滅火有效、迅速、無(wú)污染、低成本，實(shí)現(xiàn)了7205工作面快速啟封。

封閉采空區(qū)；地面直接注氮法；回采工作面

1 7205工作面火災(zāi)發(fā)生概況

陽(yáng)泉新景礦7205工作面位于3號(hào)煤二采區(qū)中，見(jiàn)圖1。工作面采用傾斜長(zhǎng)壁后退式綜采方法，全部跨落法處理采空區(qū)。工作面進(jìn)風(fēng)量2503m3/min，平均瓦斯絕對(duì)涌出量50.8 m3/min；相對(duì)涌出量10.08 m3/t。某日晚9時(shí)許，工作面電纜短路，第88架底板瓦斯爆燃（4號(hào)煤層向3號(hào)煤層涌出卸壓瓦斯），爆燃后又引起機(jī)尾支架后部煤層燃燒，繼而多次引起工作面采空區(qū)瓦斯爆炸。發(fā)生事故后，采取了隔絕滅火法措施［1］先在南三口（7205進(jìn)風(fēng)口）閉沙袋防爆拱形墻和永久密閉，閉墻內(nèi)預(yù)埋兩趟Φ500mm鐵管；然后向南四正巷、南四副巷（7205回風(fēng)、尾巷）同時(shí)開(kāi)始灌水，用水密閉回風(fēng)、尾巷中部呈“V”字型地段，水淹沒(méi)至回風(fēng)四～八橫貫之間；并加固和密封了可能向7205工作面采空區(qū)漏風(fēng)的密閉（如南二進(jìn)風(fēng)、南二瓦斯繞巷、西一探巷等閉墻），至此工作面全部封閉完畢。

2 工作面注氮滅火技術(shù)機(jī)理

2.1 氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)的機(jī)理

氮?dú)馐且环N惰性氣體，不助燃、也不能供人呼吸，密度1.25kg/m3，無(wú)腐蝕性，在-195.8℃可成液化氮，在0℃時(shí)液氮與氮?dú)怏w積比為1/647，在20℃的環(huán)境溫度下，液氮的汽化熱為423kJ/kg。氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)后可降低氧的濃度，若用液氮注入火區(qū)時(shí)，液氮汽化吸收熱量，會(huì)使火區(qū)氣體、煤層和圍巖的溫度降低，加速火區(qū)火源熄滅；若向封閉的火區(qū)注入氮?dú)?，則會(huì)提高采空區(qū)的相對(duì)壓力，使采空區(qū)呈正壓狀態(tài)，防止新鮮風(fēng)流漏入、阻止煤炭氧化升溫、降低瓦斯和氧氣濃度，最終防止瓦斯燃爆事故、加速火區(qū)火源熄滅。

圖1 7205工作面通風(fēng)系統(tǒng)圖

2.2 工作面采空區(qū)注氮滅火方案的選擇

根據(jù)7205工作面的具體情況，結(jié)合國(guó)內(nèi)注氮防滅火技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，決定采用地面直接注氮法。按照新景礦地理概況、交通情況、地質(zhì)條件、選擇合理施工位置，采用美國(guó)T130XD多功能全液壓車(chē)裝鉆機(jī)打鉆，工藝流程如下：①全孔段采用回轉(zhuǎn)空氣泡沫鉆進(jìn)。②鉆孔結(jié)構(gòu)：一開(kāi)：0～15 m，Φ311鉆頭開(kāi)孔，下Φ273螺旋管。二開(kāi)：15m～460m，Φ215鉆頭鉆進(jìn)，下Φ177.8石油套管。三開(kāi)：460m～480m，Φ152鉆頭鉆進(jìn)。③鉆具組合：一開(kāi)：Φ311牙輪鉆頭+Φ146鉆鋌+Φ121鉆鋌+Φ73鉆桿。二開(kāi)：Φ215牙輪鉆頭+定位接頭+Φ190無(wú)磁抗壓鉆鋌+Φ146鉆鋌+Φ121鉆鋌+Φ73鉆桿。三開(kāi)：Φ152牙輪鉆頭+定位接頭+Φ121無(wú)磁抗壓鉆鋌+Φ121鉆鋌+Φ73鉆桿。④鉆進(jìn)參數(shù)：正常情況下，選取鉆進(jìn)參數(shù)，如表1所示。遇換層、破碎帶時(shí)，應(yīng)采用減小鉆壓、降低轉(zhuǎn)速等方式合理調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。⑤封孔止水：采用泵入法，用325號(hào)水泥全孔封閉。⑥鉆具丈量：孔深每100 m丈量鉆具一次，誤差不大于1.5‰，若超出誤差范圍，則重新丈量，做平差，校正深度。⑦進(jìn)度計(jì)劃：如表2所示。鉆孔完畢，從太鋼公司直接用20 m3～30 m3大型槽車(chē)將液氮運(yùn)到地面鉆孔處。為防止液氮在管路中汽化大量吸熱而導(dǎo)致管路及其采煤設(shè)備凍裂，應(yīng)先在地面將液氮汽化，溫度控制在-5℃～5℃之間。然后再由地面利用鉆孔把氮?dú)庵苯幼⑷牍ぷ髅娌煽諈^(qū)。

3 注氮參數(shù)選擇

鉆孔位置：采用美國(guó)T130XD鉆機(jī)打鉆，鉆孔參數(shù)為：前32.74 m鉆孔采用Φ311.15的鉆頭，后采用Φ215.9鉆頭，套管為Φ244.5，壁厚8.94 mm，共計(jì)打鉆475.11m，下套管473.21 m。因工作面發(fā)火區(qū)為機(jī)尾88支架后面，故鉆孔到井下出口位置定到：距回風(fēng)煤柱幫12 m～15 m，距工作面煤幫15 m～18 m的支架后方，見(jiàn)圖1。注氮參數(shù)如下：

表1 牙輪鉆進(jìn)參數(shù)表

表2 施工進(jìn)度計(jì)劃表

（1）液氮制造和運(yùn)輸：液氮制造和運(yùn)輸工作由太鋼Boc公司承擔(dān)。制氮方法采用深冷空分法（使過(guò)濾凈化后的空氣進(jìn)入空氣壓縮機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)級(jí)壓縮和冷卻后,再凈化脫水、純凈器純化、膨脹機(jī)膨脹降壓,經(jīng)過(guò)熱變換反復(fù)換熱,再經(jīng)節(jié)流降壓進(jìn)入分餾塔液化、精餾,最后從空氣中分離出氮?dú)猓迫∫旱兌雀哌_(dá)99%，符合防滅火要求。制取的液氮由太鋼Boc公司直接用20～30m3大型槽車(chē)將液氮運(yùn)到地面鉆孔處。

（2）汽化器及參數(shù)：采用四川空分設(shè)備集團(tuán)的QQ-1200/16型汽化器，以空氣為熱源，利用星形管傳熱，使低溫液體汽化。汽化量1200 m3/h（0℃，0.1MPa），最高工作壓力0.2MPa～1.6MPa。

（3）注氮強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間注入氮?dú)獾捏w積。據(jù)國(guó)內(nèi)外氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)經(jīng)驗(yàn)：防火注氮強(qiáng)度一般為5 m3/min；滅火注氮量強(qiáng)度，原則上最初強(qiáng)度要大，將火勢(shì)壓住，然后逐漸降低注氮強(qiáng)度。若回風(fēng)口敞開(kāi)，注氮量不得小于9.28 m3/min;若是全封閉采空區(qū)，注氮強(qiáng)度可在8 m3/min左右。因此，本次注氮強(qiáng)度500 m3/h(8m3/min左右)，氮?dú)鉁囟仍冢?0℃～－5℃之間。

（4）按下式計(jì)算供氮壓力：

式中：P2為管路末端的絕對(duì)壓力，MPa；Qmax為最大輸?shù)髁?，m3/h；Do為基準(zhǔn)管徑，150 mm；Di為實(shí)際輸?shù)軓?，mm；Li為相同直徑管路的長(zhǎng)度，km；λ0基準(zhǔn)管徑的阻力損失系數(shù)，0.026；λi實(shí)際輸?shù)軓降淖枇p失系數(shù)。為了達(dá)到合理的注氮強(qiáng)度和氮?dú)獬隹跍囟?，注氮壓力?0kPa～87.61kPa之間。

（5）注氮量：封閉采空區(qū)注氮滅火的注氮量主要取決于采空區(qū)體積、注氮滅火惰化指標(biāo)、采空區(qū)漏風(fēng)大小等因素。注氮量太小，達(dá)不到惰化采空區(qū)氣體目的，起不到滅火或防火作用；注氮量太大，會(huì)造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)；現(xiàn)場(chǎng)往往按經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。首先確定封閉采空區(qū)的體積：Vc=L1L2M+V巷.

式中：Vc為采空區(qū)體積和封閉區(qū)域巷道巷道的總體積，m3；L1為采空區(qū)沿走向長(zhǎng)度，m；據(jù)本礦3號(hào)煤層工作面以里130m的采空區(qū)為著火窒息帶，L1取130m；L2為采空區(qū)沿傾斜方向長(zhǎng)度，為工作面長(zhǎng)度和工作面上下順槽寬度之和，取188 m；M為開(kāi)采煤層采高，取2.64 m；V巷為封閉區(qū)域工作面體積及進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、尾巷體積，經(jīng)估算V巷取8510 m3。算得：封閉區(qū)域體積Vc=73 031.6 m3。由于采空區(qū)漏風(fēng)，常會(huì)導(dǎo)致一部分氮?dú)鈸p失；實(shí)際注氮量要有備用系數(shù)K。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，撲滅封閉采空區(qū)火災(zāi)所需注氮量一般取封閉區(qū)域體積的3倍。所以，本次總注氮量為Q= KVc=3×73031.6=219094.8 m3；折算成液氮228.2 t～260.8t，取260.8t。

4 采空區(qū)氣體置換

注氮機(jī)工作后，注入采空區(qū)的氮?dú)馐紫戎脫Q采空區(qū)氣體，為確保7205工作面注氮滅火工作取得最佳效果，必須加強(qiáng)采空區(qū)氣體各置換點(diǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控工作，具體措施如下：

（1）第一氣體置換點(diǎn)為西一探巷：據(jù)測(cè)算，地面注氮量達(dá)到30000m3以上后，開(kāi)始置換采空區(qū)氣體，進(jìn)一步置換西一探巷內(nèi)的氣體。注氮后的首次取樣工作，先打開(kāi)西一探巷閉墻上觀察咀的氣門(mén)，讓閉墻內(nèi)的氣體連續(xù)不斷地流動(dòng)到閉墻外，同時(shí)詳細(xì)檢查、測(cè)定、記錄閉墻內(nèi)外CH4、CO、O2氣體濃度和閉墻內(nèi)外溫度。因地面注氮會(huì)使已采區(qū)內(nèi)的溫度下降、氮?dú)鉂舛仍黾樱舻獨(dú)饬吭谑状稳拥幕A(chǔ)增加4%，氧氣濃度降在5%以下，西一探巷氣體置換結(jié)束。

（2）第二氣體置換點(diǎn)為7205工作面進(jìn)風(fēng)：取樣前，調(diào)節(jié)壓差使進(jìn)風(fēng)閉墻處于負(fù)壓狀態(tài)，同時(shí)保證系統(tǒng)風(fēng)量不少于200 m3/h、風(fēng)流中各有害氣體不超限。首次取樣工作與西一探巷相同，必須做好各種參數(shù)的測(cè)定和記錄工作，特別是要注意氮?dú)夂蜏囟鹊淖兓?。若氮?dú)饬吭谑状稳拥幕A(chǔ)上增加4%，氧氣濃度降在5%以下，取樣工作變?yōu)槌?，則7205工作面氣體置換結(jié)束。

（3）第三氣體置換點(diǎn)為7205工作面回風(fēng)和尾巷：首先排除四橫貫處回風(fēng)和尾巷的積水，但不要求全部排完，以能透氣有風(fēng)流為標(biāo)準(zhǔn)；然后在7205工作面回風(fēng)、尾巷、四橫貫以里各閉一道鎖風(fēng)墻，留有Φ1000和Φ500的瓦斯管，且在回風(fēng)和尾巷必須留有過(guò)線管和觀察咀。取樣前，使四橫貫處于負(fù)壓狀態(tài)，同時(shí)保證系統(tǒng)風(fēng)量不少于300 m3/h。調(diào)整系統(tǒng)后，保證巷道及觀察取樣處的各有害氣體濃度不能超限。首次取樣工作與西一探巷相同，若氮?dú)饬吭谑状稳拥幕A(chǔ)增加4%，氧氣濃度在5%以下，無(wú)一氧化碳，鉆孔溫度變?yōu)槌兀瑒t置換氣體結(jié)束。

5 注氮滅火效果

據(jù)7205工作面氣體分析結(jié)果，注氮第4 d，西一探巷內(nèi)氣體置換結(jié)束；第9天回風(fēng)、尾巷氣體置換結(jié)束；第12 d，進(jìn)風(fēng)巷氣體置換結(jié)束。在以后的18 d注氮期間，各測(cè)點(diǎn)CO濃度由注氮前的35ppm下降到4 ppm以下，CH4由原來(lái)的10%上升為53%以上，氮?dú)鉂舛冗_(dá)32%以上，氧氣濃度下降到3%以下，火區(qū)氣體溫度降到16℃左右；說(shuō)明氮?dú)鉁缁鹦Ч黠@、迅速，達(dá)到《煤礦安全規(guī)程》的關(guān)于密閉火區(qū)啟封條件。實(shí)際情況是，在工作面發(fā)火后第98 d開(kāi)始啟封（期間24d聯(lián)系打鉆隊(duì)伍和確定注液氮方案，實(shí)際注氮30 d，計(jì)260 t液氮），啟封10 d后開(kāi)始試生產(chǎn)，之后工作面又快速推進(jìn)了100 m，期間未發(fā)現(xiàn)氣體異?，F(xiàn)象，表明工作面啟封結(jié)束。

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)陽(yáng)泉新景礦實(shí)際效果來(lái)看，工作面采空區(qū)著火到工作面安全啟封只用了98 d，是凝膠、黃泥灌漿滅火無(wú)法比擬的，故地面直接注氮法是安全、高效、可行的一種滅火方法。

Practice of Surface Direct Nitrogen Injection in Heading Faces

CAI Lei-lei
(Yangquan College,Taiyuan University of Technology,Yangquan Shanxi 045000)

The paper introduces the fire accident of7205 working face in Xinjing mine and fire prevention and extinguishing technology mechanism with nitrogen.Three nitrogen injection methods (including surface boreholes,underground boreholes,and underground mobile nitrogen generators)are compared in terms of technology and economy.The surface boreholes nitrogen injection is determined to be the best scheme.The paper further discusses parameters selection,gas replacement in mined-out areas,and fire control effect of the nitrogen method.The practice showed that the effective,fast,pollution-free,and low-cost fire prevention and extinguishing technology with nitrogen could quickly release the sealed mined-out area of7205 working face.

sealed mined-out area;surface direct nitrogen injection method;heading faces

TD752

A

1672-5050（2012）09-0070-03

2012-03-25

蔡雷雷（1984—），女，山西原平人，碩士，講師，從事礦井防滅火、礦井通風(fēng)、采礦工藝研究。

劉新光