注氮防滅火技術(shù)在特厚自燃煤層綜放工作面的研究與應(yīng)用

趙高清

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西興縣 033602）

注氮防滅火技術(shù)在特厚自燃煤層綜放工作面的研究與應(yīng)用

趙高清

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西興縣 033602）

通過(guò)理論計(jì)算，合理選取注氮設(shè)備、輸?shù)苈饭軓?，并根?jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，優(yōu)化了氮?dú)忉尫趴谖恢?、?shí)現(xiàn)了24 h連續(xù)注氮，確定了綜放工作面日常防火注氮流量。

注氮；自燃煤層；綜放工作面；防滅火

放頂煤采煤法是開采厚煤層、特厚煤層的一種高產(chǎn)高效的開采方法，在我國(guó)應(yīng)用廣泛。但由于其工藝特點(diǎn)，煤炭采出率比大采高綜采工藝低，采空區(qū)丟煤較多，如何有效防止采空區(qū)煤炭自燃是采用放頂煤采煤法必須考慮的嚴(yán)峻問(wèn)題。注氮防滅火技術(shù)覆蓋率較高、適應(yīng)性較好，能有效的保證工作面回采期間防滅火安全[1]。

1 注氮防滅火技術(shù)的理論依據(jù)

氮?dú)馐且环N無(wú)色、無(wú)味的氣體，由于其分子結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，是一種良好的惰性氣體。其防滅火作用和特點(diǎn)有以下三點(diǎn)：

1）采空區(qū)注入氮?dú)夂螅岣吡瞬煽諈^(qū)相對(duì)壓力，降低了進(jìn)入采空區(qū)的漏風(fēng)量，減少了采空區(qū)遺煤與空氣接觸而氧化發(fā)熱的機(jī)會(huì)；注入的氮?dú)庠诹鹘?jīng)采空區(qū)遺煤時(shí)，可以部分吸收其氧化所發(fā)出的熱量，抑制遺煤氧化升溫的速度、使遺煤的周圍介質(zhì)降溫，最終因聚熱條件的破壞而延緩或終止遺煤的自燃。

3）采空區(qū)內(nèi)的瓦斯、一氧化碳等氣體與氮?dú)饣旌虾?，隨著氮?dú)鈿怏w濃度的增加，瓦斯、一氧化碳等氣體的爆炸下限升高、上限下降。當(dāng)?shù)獨(dú)鉂舛冗_(dá)到一定值時(shí)，可消除采空區(qū)混合氣體的爆炸危險(xiǎn)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1工作面概況

斜溝煤礦位于河?xùn)|煤田北部的中南部，行政區(qū)劃隸屬于興縣魏家灘鎮(zhèn)和保德縣南河溝鎮(zhèn)管轄，井田南北長(zhǎng)約22 km，東西寬約4.5 km，主采8號(hào)、13號(hào)煤層。

13號(hào)煤層位于太原組下部，上距8號(hào)煤層38.10～78.10 m，平均52.42 m；煤層厚度為5.95～16.68 m，平均13.88 m，含夾矸一般為0-3層，夾矸厚度一般為0.08～0.43 m，頂板巖性為砂質(zhì)泥巖和泥巖，老頂為中粗粒砂巖，常見炭質(zhì)泥巖偽頂；底板巖性為泥巖和砂質(zhì)泥巖，有時(shí)為粉砂巖或泥灰?guī)r，普遍存在著炭質(zhì)泥巖偽底；煤層傾角為6.8°～10.7°（平均8.9°），自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類；采用后退式走向長(zhǎng)壁一次采全高采煤方法，綜采低位放頂煤工藝進(jìn)行回采。工作面走向長(zhǎng)度為2 420.9 m、傾斜長(zhǎng)度為214.34 m，機(jī)采高度3.6 m，放煤高度10.2 m，采放比為1∶2.83。工作面采用U型通風(fēng)方式（材料巷進(jìn)風(fēng)、皮帶巷回風(fēng)），配風(fēng)量為2 400 m3/min。

2.2 注氮設(shè)備和輸?shù)苈愤x取

1）供氮能力計(jì)算。注氮量是決定防滅火效果最重要的參數(shù)。根據(jù)《煤礦用氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)規(guī)范》（MT/T701-1997）第7.1條的規(guī)定[2]，1個(gè)工作面的供氮能力可按下式計(jì)算：

式中：QN為供氮能力，m3/h；K為備用系數(shù)，取1.2；Q0為采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量，采取堵漏風(fēng)、均壓通風(fēng)等措施后，采空區(qū)氧化帶內(nèi)的漏風(fēng)量取6 m3/min；C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)平均氧濃度，取15%；C2為采空區(qū)惰化防火指標(biāo)，其值為煤自燃臨界氧濃度，取7%；CN為注入氮?dú)獾牡獨(dú)鉂舛?，?7%。計(jì)算得供氮能力QN=864 m3/h。

綜合分析并結(jié)合礦井實(shí)際情況，選擇制氮能力為1 000 m3/h的移動(dòng)式膜分離制氮裝置。

消極面子是指?jìng)€(gè)體擁有自主的權(quán)利，有行事的自由，行為不受他人強(qiáng)制或干預(yù)。消極不禮貌策略指的是說(shuō)話人攻擊聽話人的消極面子時(shí)使用的不禮貌策略。

2）輸?shù)苈返倪x取。根據(jù)《煤礦用氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)規(guī)范》第7.4.1條、7.4.2條的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算：

式中：P1為管路始端的絕對(duì)壓力，MPa；P2為管路末端的絕對(duì)壓力，MPa（此值不應(yīng)低于0.2 MPa）；Qmax為最大輸?shù)髁?，m3/h；D0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為基準(zhǔn)管徑的阻力損失系數(shù)，0.026；λi為實(shí)際輸?shù)軓降淖枇p失系數(shù)，對(duì)于不同的鋼管直徑，其阻力系數(shù)如表1所示。

根據(jù)下式計(jì)算輸?shù)苈返淖铋L(zhǎng)輸?shù)嚯xL為：

式中：P1取0.8 MPa。

可計(jì)算得管徑為100 mm時(shí)，L=12.65 km，完全可滿足2 700 m（注氮硐室距工作面最遠(yuǎn)距離）的輸?shù)蟆?/p>

2.3 注氮防滅火方式

1）氮?dú)忉尫趴诘奈恢?。通過(guò)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)氣樣進(jìn)行化驗(yàn)分析，采空區(qū)氧化帶位置始終約在距工作面60～90 m范圍內(nèi)，故確定氮?dú)忉尫趴趹?yīng)距在工作面50～100 m范圍內(nèi)。氮?dú)忉尫趴谖恢?，見圖1。

2）注氮方法。采用預(yù)先鋪設(shè)管路開放式注氮方式，連續(xù)注氮方法。沿材料巷向工作面鋪設(shè)2趟注氮管路，末端各設(shè)氮?dú)忉尫趴?個(gè)（錯(cuò)距50 m）。隨工作面推進(jìn)50 m后，第一趟注氮管路開始注氮，同時(shí)第二注氮管路開始埋入采空區(qū)；隨著工作面推進(jìn)，當(dāng)?shù)谝惶俗⒌苈仿袢氩煽諈^(qū)100 m時(shí)，第二條注氮管路埋入采空區(qū)100 m，此時(shí)通過(guò)閥門停止第一趟管路注氮、開始第二趟管路注氮，以此類推實(shí)現(xiàn)24 h連續(xù)注氮。

3 應(yīng)用效果分析

通過(guò)對(duì)采空區(qū)“三帶”的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及采空區(qū)氣體分布規(guī)律的實(shí)時(shí)觀測(cè)分析，確定氮?dú)忉尫趴谠诰喙ぷ髅?0～100 m范圍內(nèi)；根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，600 m3/min可滿足工作面正?；夭善陂g注氮防滅火要求，并屬于注氮設(shè)備合理、穩(wěn)定的運(yùn)行工況。該工作面采用注氮防滅火技術(shù)以來(lái)，從未發(fā)現(xiàn)自然發(fā)火征兆，達(dá)到預(yù)期防滅火效果。同時(shí)，在注氮期間應(yīng)采取以下幾項(xiàng)安全措施，以確保注氮安全、保證防滅火效果：

1）注氮設(shè)備司機(jī)要認(rèn)真作好制氮裝置的運(yùn)行記錄，每小時(shí)記錄一次制氮機(jī)的壓力和溫度、制氮裝置的出口氮?dú)鈮毫Α⒘髁亢蜐舛鹊?；發(fā)現(xiàn)氧氣濃度大于3%時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止注氮，查明原因，進(jìn)行處理。

2）工作面必須建立完善的束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)對(duì)采空區(qū)“三帶”分布、自然發(fā)火情況、注氮防滅火效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析；當(dāng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)一氧化碳、乙烯等自然發(fā)火標(biāo)志性氣體或工作面回采期間因遇地質(zhì)構(gòu)造推進(jìn)速度、緩慢停滯不前時(shí)，則應(yīng)加大采空區(qū)注氮量，同時(shí)配合采取均壓、堵漏措施，并加強(qiáng)自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

3）注氮過(guò)程中工作面上下隅角需采取“均壓”或堵漏措施，減少采空區(qū)漏風(fēng)；進(jìn)入該范圍的作業(yè)人員必須隨身佩戴氧氣檢測(cè)儀器，避免缺氧發(fā)生人員窒息事故。

4）制氮機(jī)硐室應(yīng)采取獨(dú)立通風(fēng)，配風(fēng)量應(yīng)按氮?dú)馊啃孤稌r(shí)硐室氧氣含量不小于18.5%和按AQ1056-2008機(jī)電硐室配風(fēng)量綜合分析、選取大值，確保通風(fēng)安全。

5）注氮管路離地高度保持1.5 m左右，鋪設(shè)應(yīng)盡量減少拐彎，要求平、直、穩(wěn)，接頭不漏氣，刷黃色油漆；為便于及時(shí)檢測(cè)注氮的壓力、純度，輸?shù)苈访?00 m設(shè)置截止閥、觀測(cè)三通及壓力表，并編號(hào)管理。

[1]煤礦安全規(guī)程專家解讀編委會(huì).《煤礦安全規(guī)程》專家解讀（2011年修訂版）[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2011.

[2]煤炭工業(yè)部煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).MT/T701-1997《煤礦用氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)規(guī)范》[S].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

Nitrogen Injection to Prevent Fire on Fully-mechanized Mining Face of Extra-thick Spontaneous Combustion Seam

ZHAO Gaoqing
(Xiegou Mine,Jinxing Energy Co.,Ltd.,Shanxi Xishan Coal Electricity Group,Xingxian 033602,China)

Nitrogen injection equipment and pipeline diameter are selected by theoretical calculation. According to the field investigation,the nitrogen relief vent was optimized to realize 24-hour continuous nitrogen injection and to determine the daily parameter(flux)of the nitrogen injection for the fire control on fully-mechanized mining face.

nitrogen injection;spontaneous combustion coal seam;fully-mechanized mining face; fire prevention

TD75

A

1672-5050（2015）02-0082-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.026

（編輯：樊敏）

2015-01-26

趙高清(1977-)，男，山西平定人，大學(xué)本科，助理工程師，從事礦井通風(fēng)工作。