注氮防滅火技術(shù)在黃白茨煤礦的實(shí)踐與應(yīng)用

徐中瑤

（國(guó)家能源集團(tuán)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(shí)43 分，河北省冀中能源張礦集團(tuán)懷來(lái)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(jì)損失1425.08萬(wàn)元[1]。在所有煤礦火災(zāi)事故中內(nèi)因火災(zāi)高達(dá)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(zhēng)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(shí)在進(jìn)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(shí)就會(huì)使得遺留的煤炭升溫，當(dāng)溫度達(dá)到其燃點(diǎn)的時(shí)候就會(huì)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(guó)內(nèi)外得到了廣泛地應(yīng)用[5]。注氮防滅火的實(shí)質(zhì)是通過(guò)向采空區(qū)注入大量的惰性氣體，來(lái)惰化火區(qū)[6]。通過(guò)大量惰性氣體氮?dú)獾淖⑷脒_(dá)到延長(zhǎng)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(dá)到滅火的目的[7]。近幾年我國(guó)開(kāi)采淺埋藏煤層的同煤集團(tuán)四臺(tái)礦、大斗溝礦、同忻煤礦，新疆的韋湖梁礦、寧煤集團(tuán)白芨溝礦和羊場(chǎng)灣礦、阜新孫家灣礦、汾西煤業(yè)的新陽(yáng)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(shí)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(guó)家能源集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司黃白茨煤礦位于烏達(dá)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(dá)逆掩斷層為界，井田南北長(zhǎng)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(gè)可采煤層，其中9#、10#、12#、15#煤層為主采煤層?？刹擅簩涌偤穸?6.68m，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(jī)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(gè)井筒進(jìn)風(fēng)，11#回風(fēng)井排風(fēng)。2012年黃白茨煤礦的礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為50.81m3/min，相對(duì)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(qiáng)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(jí)均為Ⅱ類(lèi)，均屬自燃煤層，煤塵均有爆炸危險(xiǎn)性。礦井采掘機(jī)械化程度100%。目前12#煤層布置1 個(gè)綜采工作面、1 個(gè)掘進(jìn)工作面、10#煤層布置1個(gè)綜采工作面、2個(gè)掘進(jìn)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(zhǎng)度為216m，工作面走向長(zhǎng)度為1150m。該工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝，走向長(zhǎng)壁式采煤法，全部垮落法控制頂板。

2 問(wèn)題的提出

2.1 問(wèn)題的提出

2019 年10 月份以來(lái)黃白茨煤礦021005 工作面回采過(guò)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(guò)對(duì)工作面和地表的調(diào)查，對(duì)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(kāi)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(zhǎng)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(zhǎng)期氧化時(shí)，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(zhǎng)期氧化，易自然發(fā)火。

（3）礦井為近距離特厚煤層開(kāi)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(kāi)采10#煤層的021005 工作面時(shí)，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(gè)漏風(fēng)通道在021005工作面的強(qiáng)大負(fù)壓作用下長(zhǎng)期漏風(fēng)，使采空區(qū)浮煤易自然發(fā)火。

解決的方法與對(duì)策：

（1）針對(duì)黃白茨煤礦所采的長(zhǎng)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(lái)惰化采空區(qū)，減緩遺煤氧化的過(guò)程。

（2）針對(duì)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(zhǎng)期氧化，易自然發(fā)火的實(shí)際情況該礦采取了加快工作面回采速度，同時(shí)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(duì)礦井為近距離特厚煤層開(kāi)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(shí)際情況該礦采取了均壓通風(fēng)防滅火的方法來(lái)進(jìn)行治理收到了良好的治理效果。

3 注氮防滅火技術(shù)的實(shí)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?dú)庖苑罍缁鸬墓ぷ髟硎窍紵娜齻€(gè)元素中的氧氣元素，即實(shí)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(shí)，所有火焰燃燒將被熄滅；而當(dāng)氧濃度低于2%時(shí)，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(guò)程稱(chēng)為惰化。惰化后的火區(qū)由于供氧量不充分而無(wú)法爆炸和燃燒。氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)是指將氮?dú)馑腿霚缁饏^(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?dú)夥罍缁鸬奶攸c(diǎn)。

①通過(guò)管道運(yùn)輸，運(yùn)輸方便，節(jié)約用水。

②氮比空氣輕，可以充滿(mǎn)封閉區(qū)域的所有空間，這對(duì)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(guò)程中不損壞井巷設(shè)備，使災(zāi)后恢復(fù)工作簡(jiǎn)單。

④氮?dú)獗旧頍o(wú)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(shí)，只需開(kāi)啟閥門(mén)，便可迅速向采空區(qū)注入氮?dú)狻?/p>

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(shí)，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?dú)夥罍缁鹣到y(tǒng)由制氮機(jī)、輸?shù)苈泛筒煽諈^(qū)鉆孔套管組成。在地面采用了兩臺(tái)DT1000型中空膜分離型制氮機(jī)同時(shí)向運(yùn)行，向井下源源不斷地供給純度為98.5%的氮?dú)狻?21005 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(dá)到抑制遺煤自燃的目的。

（1）制氮機(jī)。在地面設(shè)置兩臺(tái)DT1000型中空膜分離型制氮機(jī)制氮機(jī)。制氮機(jī)的參數(shù)為：氮?dú)猱a(chǎn)量1200×2Nm3/h；氮?dú)饧兌取?8%；出口壓力0.5～0.7MPa；起動(dòng)時(shí)間40min；裝機(jī)容量2×360kW。

兩臺(tái)制氮機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，可以滿(mǎn)足礦井治理CO超限需要。

（2）輸?shù)苈贰］數(shù)苤睆桨垂剑?）計(jì)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?dú)庠试S流速，當(dāng)?shù)獨(dú)鈮毫?.3～0.6MPa時(shí)，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(wú)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(jì)算和礦井工作面防滅火與注氮的實(shí)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(jì)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(jì)算防滅火氮?dú)庾⑷肓髁縖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(shí)氮?dú)饧兌龋?8%；

k——輸?shù)苈窊p失系數(shù)，為1.1～1.2，取1.1；

n——工作面推進(jìn)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(gè)月為1.2，3～6 個(gè)月為1，6個(gè)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(yán)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(hào)、2號(hào)制氮機(jī)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(jìn)風(fēng)口埋入一根?108mm的鋼管。隨著工作面的前進(jìn)，鋼管被埋在采空區(qū)的進(jìn)風(fēng)口一側(cè)，當(dāng)埋管進(jìn)入采空區(qū)35m時(shí)開(kāi)始注氮，埋管步距為35m，埋管進(jìn)入采空區(qū)90m時(shí)斷掉此埋管，替換為另一個(gè)用于氮?dú)庾⑷氲淖⒌?，這樣在采空區(qū)的氧化區(qū)域中總會(huì)埋有兩條管道。盡管此方法浪費(fèi)了大量管道，但它可以將氮?dú)庾⑷氩煽諈^(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?dú)鈺r(shí)，必須確保在采空區(qū)中總有35～90m范圍內(nèi)的2個(gè)注氮管，以確保將氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)氧化區(qū)域。因此，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)埋入管進(jìn)入采空區(qū)35m時(shí)，第二個(gè)氮?dú)庾⑷牍軕?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(lái)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(shí)行注氮防滅火后，累計(jì)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(shí)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(xiàng)成本低廉、制作方便、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、效果明顯、安全可靠的防滅火技術(shù)，在煤礦現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)實(shí)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(jī)結(jié)合使用效果會(huì)更好。