煤礦液氮防滅火、降溫一體化技術(shù)裝備與應(yīng)用研究＊

馬靈軍 李玉民 周光華 董 偉 史波波

（1.神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750011；2.神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司羊場灣煤礦，寧夏回族自治區(qū)靈武市，751409；3.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116）

近年來，隨著煤炭高強度、集約化開采的推廣應(yīng)用，淺部資源日益減少乃至枯竭，我國煤炭資源開采已相繼進入了深部開采階段。深部煤巖體的力學行為表征更趨復(fù)雜，煤巖破碎程度更高，破碎范圍大，為自然發(fā)火提供了供氧、蓄熱條件，煤炭自然發(fā)火更加頻繁。隨著采深增加，地溫增高，煤層原始溫度也越高，相應(yīng)自然發(fā)火期縮短。隨著圍巖層溫度的增高，改變了自燃的蓄熱條件，煤體與環(huán)境風流溫差進一步加大，增大了漏風供氧動力熱風壓，導致煤體自身的耗氧速度和氧化放熱強度增加，最終導致煤體自燃危險性增大。所以，將礦井防滅火與降溫工作協(xié)同處理，開展災(zāi)害防治的技術(shù)與裝備的研究，對我國煤礦的安全生產(chǎn)具有重要的示范作用及推廣應(yīng)用價值。

1 液氮防滅火、降溫的可行性

液氮具有降溫、抑爆、窒息、安全可靠、操作簡單等優(yōu)點，因此，液氮作為一種高效的防滅火劑具有可行性，已在我國煤礦防滅火工作中試驗并加以利用。如神華寧夏煤業(yè)集團與中國礦業(yè)大學合作，應(yīng)用液氮進行礦井防滅火工作。

在礦井降溫方面，液氮作為一種冷媒，汽化過程中需要從外界吸收大量的熱量，即本身釋放出大量冷能。每汽化1Nm3的液氮，空氣可以從中獲得約327kJ的冷能。液氮與其他制冷劑的物性參數(shù)對比如表1所示。

表1 常壓下飽和液氮物性與其他制冷劑的比較

2 防滅火、降溫一體化裝備的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的設(shè)計原理

2.1.1 礦井降溫

礦井降溫采用空浴式的液氮換熱裝置，液氮通過換熱裝置的管道及星型翅片與礦井中的空氣進行熱交換，即液氮通過該裝置從空氣中吸收熱量，向空氣中釋放冷能。礦用空冷式液氮降溫裝置通常需要安裝于礦井的進風巷口，或者在需要局部降溫的區(qū)域安裝局部通風機，能夠把冷能帶入工作面，從而達到給礦井工作面降溫、消除熱害的目的。其流程為：地面液氮儲罐→地表液氮鉆孔→井下液氮硐室→液氮輸送管路→空冷汽化器→降低作業(yè)環(huán)境溫度。

2.1.2 礦井防滅火

在礦井防滅火方面，經(jīng)換熱氣化后的低溫氮氣一部分通往采空區(qū)，另一部分通往礦井的總回風巷。為確保安全，在工作面回風隅角設(shè)有氧氣濃度檢測儀，當氧含量低于18%時，關(guān)閉采空區(qū)氮氣切斷閥，打開進入回風巷氮氣的切斷閥，將多余氮氣引入回風巷系統(tǒng)，之后經(jīng)回風巷排入大氣。經(jīng)與礦井內(nèi)空氣換冷后的氮氣出口溫度保證在0℃以上。其流程為：地面液氮儲罐→地表液氮鉆孔→井下液氮硐室→液氮輸送管路→ （空冷汽化器→低溫氮氣→）工作面采空區(qū)防火。

煤礦液氮防滅火降溫系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

2.2 液氮用量的設(shè)計原則

（1）冷量設(shè)計用量按照式 （1）的計算方法得到液氮的灌注量：

式 中：q降溫＊——降 溫 所 需 液 氮 的 灌 注 量，Nm3／h；

Q——礦井所需要的冷量，kJ／h；

cp——空氣的定壓比熱容，kJ／kg℃；

ρ——空氣的密度，kg／m3；

V——礦井的通風量，m3／h；

Δt——設(shè)計的降溫溫度，℃；

H——液氮溫度汽化為某一氮氣溫度的焓值，kJ／kg；

MN2——氮氣的分子質(zhì)量；

ξ——液氮冷量損耗系數(shù)。

（2）滅火劑設(shè)計用量按照式 （2）的計算方法得到液氮的灌注量：

式中：q防滅火＊——防滅火所需液氮的灌注量，Nm3／h；

Q0——采空區(qū)氧化帶漏風量，m3／h；

C1——采空區(qū)氧化帶平均氧含量，%；

C2——采空區(qū)氧化帶惰化指標，%；

CN2——注入氮氣的濃度，%。

（3）最終的液氮用量按照式 （3）得到：

式中：q＊——液氮汽化量，Nm3／h。

圖1 煤礦液氮防滅火降溫系統(tǒng)工藝流程圖

3 羊場灣煤礦的工業(yè)性試驗

3.1 礦井概況

神華寧夏煤業(yè)集團羊場灣煤礦位于寧夏回族自治區(qū)，是一座設(shè)計生產(chǎn)能力為1500萬t／a的大型煤礦。其中I、II級熱害區(qū)大面積存在，平均地溫梯度3～4.5℃／100m，所轄一號井12采區(qū)下部屬于II級熱害區(qū)域，采煤工作面開采初期氣溫一般為31～34℃，夏季工作面回風巷道內(nèi)溫度達到34℃，相對濕度達95%以上，尤其是越深的開采工作面，高溫熱害問題越發(fā)嚴重。加之所采2＃煤層屬易自燃煤層，自然發(fā)火等級Ⅰ級，自然發(fā)火期為1～3 個月，最短自然發(fā)火期23d，著火點為305℃，在地溫及煤自燃災(zāi)害的雙重威脅下，礦井的防滅火難題突出。

120205 工作面位于羊場灣井田一號井中部，液氮降溫系統(tǒng)運行前，120205 綜采工作面配風量1346m3／min，工作面距離停采線160m，現(xiàn)場實測進風流溫度21℃，工作面上口溫度22℃，工作面回風流溫度26℃。

3.2 施工參數(shù)的確定

根 據(jù) 式 （3） 計 算 需 要 液 氮 汽 化 量10400Nm3／h?？绽涫揭旱鞯募夹g(shù)參數(shù)：汽化流量1300Nm3／h，設(shè)計溫度-196℃，進口溫度-196℃，出口溫度0℃，設(shè)計壓力2.0 MPa，工作壓力1.6 MPa。為此，需要8 臺空冷式汽化器。經(jīng)過熱交換的低溫空氣用2臺2×45kW 的局部通風機送至120205工作面進行降溫。液氮汽化后的氮氣部分沿管路輸送至工作面采空區(qū)防滅火，剩余的部分通過管路排至地面。

2012年11月1日-25日，通過液氮降溫系統(tǒng)連續(xù)注液氮1260t，降溫系統(tǒng)運行安全可靠、降溫效果明顯。液氮降溫系統(tǒng)運行期間，在120205工作面共布置3個測點，測點位置分別為工作面進風巷、工作面、回風巷。以11月1日為例，液氮降溫系統(tǒng)運行期間通過現(xiàn)場溫度計實測，120205 進風巷溫度可由21℃降至11℃，降溫達到一定程度后，溫度穩(wěn)定在13℃左右，回風流溫度可由26℃降至22℃，工作面平均降溫6℃左右。通過對11月13日-21日期間，未灌注液氮的試驗對比可以看出，進風巷、回風巷以及工作面的溫度又重新恢復(fù)至原溫度，說明液氮的降溫效果非常明顯，如圖2所示。以11 月1 日-2 日為例，工作面濕度由93%降至83%，降溫后工作環(huán)境得到了明顯改善，如圖3所示。

地表鉆孔輸液氮降溫及防滅火技術(shù)先后在120205工作面實施后，取得了成功實際工程經(jīng)驗和良好的降溫效果。綜采工作面進風流溫度可降低9℃，綜采工作面溫度可降低6℃左右；經(jīng)空冷器氣化后的氮氣溫度低于8℃，氮氣濃度超過99.99%，與機械制氮相比具有溫度低、濃度高的優(yōu)點，系統(tǒng)運行期間工作面上隅角CO 濃度始終保持在0.00002%以下，采空區(qū) “三帶”范圍明顯縮短，工作面降溫及防滅火效果顯著。

圖2 120205工作面溫度變化曲線

圖3 120205工作面 （11月1日-2日）濕度變化曲線

4 結(jié)論

煤礦工作面采空區(qū)采用液氮防滅火系統(tǒng)，不僅豐富了大采高工作面的防滅火技術(shù)手段，而且為易自燃煤層防治積累了豐富的經(jīng)驗；由于采用副產(chǎn)品液氮進行防滅火具有原料充足、價格便宜、工藝簡單等優(yōu)點，在節(jié)能減排方面社會效益顯著，應(yīng)用前景十分廣闊，值得在條件類似的礦井中推廣應(yīng)用，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

羊場灣煤礦地表鉆孔輸液氮降溫系統(tǒng)電能消耗為零，地表鉆孔注液氮降溫及防滅火工業(yè)性試驗項目的成功實施，提供了一種全新型的集礦井降溫和防滅火為一體的綜合降溫方式，填補了國內(nèi)千萬噸現(xiàn)代化礦井熱害治理空白，為神寧集團及國內(nèi)類似的礦井熱害治理積累了成功經(jīng)驗。

［1］ 周福寶 .瓦斯與煤自燃共存研究 （I）：致災(zāi)機理［J］.煤炭學報，2012 （5）

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［3］ 董偉，王學兵，史波波等.開區(qū)注液氮防滅火技術(shù)在羊場灣煤礦的研究與應(yīng)用 ［J］.煤炭工程，2011（12）

［4］ 王學兵，康新榮，徐耀輝.羊場灣煤礦大采高工作面回收期間的液氮防滅火技術(shù)應(yīng)用 ［J］.中國煤炭，2013 （3）

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［6］ 原芝泉，萬鹿貴.液氮防滅火系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2013 （3）

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