紅旗煤礦1510 輔助系統(tǒng)注氮啟封火區(qū)技術(shù)研究

閆文剛

（陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司礦山救護(hù)大隊(duì), 陜西 渭南 715200）

0 引 言

氮?dú)庾鳛橐环N惰性氣體，既可以撲滅明火火災(zāi)，也可以抑制礦井中隱蔽火源的燃燒，因此在高瓦斯礦井中經(jīng)常用注氮防滅火技術(shù)來消除礦井安全隱患。注氮防滅火技術(shù)即通過向采空區(qū)注入氮?dú)鈦砼懦煽諈^(qū)中所含的空氣，降低采空區(qū)內(nèi)部氧氣的濃度，降低煤炭與氧氣反應(yīng)的速率，從而有效減少采空區(qū)遺煤自燃的事故發(fā)生[1～3]。選擇注氮技術(shù)來防滅火，若注氮工藝參數(shù)不相同，防滅火的效果也不盡相同，小流量注氮工藝可能會(huì)導(dǎo)致工作面的氧氣濃度偏低，不利于工作人員的安全生產(chǎn)；注氮量大也有缺陷，可能會(huì)造成資源浪費(fèi)，對(duì)注氮機(jī)也是一種考驗(yàn)。因此，在確定注氮工藝參數(shù)時(shí)，我們既要考慮到注氮成果，又要考慮礦井實(shí)際情況如注氮成本等因素，這樣實(shí)施注氮防火工作才會(huì)有實(shí)際的安全和經(jīng)濟(jì)意義[4～6]。

1 1510 輔助巷基本情況

紅旗煤礦1510 輔助系統(tǒng)巷道長度488 m，1510輔助進(jìn)風(fēng)工作面121 m，該輔助系統(tǒng)在封閉了221 d后啟封。在啟封過程中發(fā)現(xiàn)輔助進(jìn)風(fēng)閉墻內(nèi)瓦斯為4.49 %、二氧化碳為3.99 %、閉墻內(nèi)溫度為34.2℃；1510 輔助回風(fēng)密閉墻內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?%、一氧化碳濃度為0×10-6、氧氣濃度13.8%、閉墻內(nèi)5～6 m 處溫度達(dá)到了78℃。啟封45 d 后取樣分析發(fā)現(xiàn)1510輔助進(jìn)風(fēng)閉墻內(nèi)瓦斯為4.87 %、一氧化碳為6.46×10-6、二氧化碳為6.53 %、閉墻內(nèi)溫度為34℃，氧氣濃度為8.49 %；1510 輔助回風(fēng)閉墻內(nèi)瓦斯為4.37%、一氧化碳為3.87×10-6、二氧化碳為6.56%、閉墻內(nèi)溫度為34℃，氧氣濃度為7.76 %。為防止封閉區(qū)內(nèi)災(zāi)害擴(kuò)大，相關(guān)部門決定對(duì)1510 輔助系統(tǒng)內(nèi)的有害氣體注氮置換。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 氮?dú)夥罍缁鹱饔迷?/h2>

使用氮?dú)膺M(jìn)行防滅火，不僅效率高，而且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備損失程度小，因此注氮防滅火技術(shù)在國內(nèi)外非常受重視。氮?dú)夥罍缁穑褪且孟冗M(jìn)技術(shù)，向采空區(qū)或火區(qū)里面注入氮?dú)猓_(dá)到預(yù)防火災(zāi)或瓦斯爆炸的目的。注氮后可以直接降低采空區(qū)氧氣的濃度，增大采空區(qū)內(nèi)氣體壓力減少工作面向采空區(qū)漏風(fēng)，降低了氧氣與采空區(qū)內(nèi)破碎煤塊的接觸面積，降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，?duì)于防火作用十分明顯[7-8]，氮?dú)夥罍缁鸬脑硪娤驴?，如圖2 所示。

圖2 氮?dú)夥罍缁鸬脑?/p>

3 供氮?dú)饧夹g(shù)參數(shù)的確定

1）注氮量計(jì)算：

式中：Q0為采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量，m3/min;C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)平均氧濃度，%；C2為采空區(qū)惰化防火指標(biāo)，其值為煤自燃臨界氧濃度，%；CN為注入氮?dú)獾牡獫舛龋?；K為備用系數(shù)，取1.2～1.5。

2）供氮壓力計(jì)算：

式中：P2為管路末端的絕對(duì)壓力，MPa；Qmax為最大輸?shù)髁縨2/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)于不同的鋼管至境，則有如下表1 的關(guān)系:

表1 實(shí)際輸?shù)軓降淖枇p失系數(shù)表

3）安全通風(fēng)量計(jì)算：

式中：Q0為工作場(chǎng)所的安全通風(fēng)量，m3/min；QN為最大氮?dú)庑孤┝?，m3/min；CN為泄露氮?dú)庵械牡獨(dú)鉂舛龋?；C1為工作面或巷道中原始氮?dú)鉂舛?，一般?0.8%；C2為工作場(chǎng)所的安全氧濃度指標(biāo)，18.5%。

4 注氮置換方案

4.1 注氮及有毒有害氣體監(jiān)測(cè)方式及方法

1）地面注氮站監(jiān)測(cè)氮?dú)廨斔蛪毫傲髁?，注入氮?dú)鉂舛缺仨毚笥?7%。

2）在1510 進(jìn)風(fēng)2 號(hào)聯(lián)巷口安設(shè)閘閥、流量表及壓力表監(jiān)測(cè)、控制進(jìn)風(fēng)閉墻注氮量；在1510 輔助回風(fēng)閉墻措施閥上安設(shè)流量表，記錄注氮置換排氣量。

3）在1510 輔助回風(fēng)閉墻外3 m 范圍內(nèi)安設(shè)瓦斯、溫度、一氧化碳、氧氣、二氧化碳傳感器。

4）在1510 輔助回風(fēng)與1510 回風(fēng)全風(fēng)壓風(fēng)流混合處下風(fēng)側(cè)10 m 處安設(shè)瓦斯、溫度、一氧化碳、氧氣、二氧化碳傳感器。

5）在1510 回風(fēng)閉墻觀測(cè)孔內(nèi)安設(shè)束管采樣管并引至采區(qū)變電所，監(jiān)測(cè)1510 回風(fēng)閉墻內(nèi)的氣體濃度變化情況。

4.2 注氮及有毒有害氣體線路

1）注氮線路：地面注氮站→主斜井→輔助運(yùn)輸巷→1510 進(jìn)風(fēng)2 號(hào)聯(lián)巷→1510 進(jìn)風(fēng)順槽→連接骨架管→1510 輔助進(jìn)風(fēng)閉墻4 寸措施孔。

2）有毒有害氣體排放線路：1510 輔助回風(fēng)閉墻4 寸措施孔→1510 輔助回風(fēng)巷→1510 回風(fēng)順槽→東翼回風(fēng)大巷→總回風(fēng)巷→回風(fēng)斜井→地面。

4.3 注氮步驟

第一步：確認(rèn)1510 輔助進(jìn)、回風(fēng)管路，壓力表、流量表、各類傳感器等連接到位。

第二步：將束管采樣頭通過6 分觀測(cè)孔伸進(jìn)閉墻內(nèi)1 m，用橡皮泥封堵6 分管口。開啟1510 輔助回風(fēng)密閉墻4 寸措施閥，并立即撤離至采區(qū)變電所。

第三步：在1510 進(jìn)風(fēng)閉墻4 寸措施閥處于關(guān)閉狀態(tài)的情況下，啟動(dòng)注氮系統(tǒng)，以0.05 MPa（100 m3/h）的壓力向井下輸送氮?dú)?，使? 寸球閥排空裝置排空管路內(nèi)的空氣。

第四步：由救護(hù)隊(duì)在2 寸球閥排空裝置處測(cè)定注氮管路內(nèi)的氧氣濃度，當(dāng)氧氣濃度低于3%時(shí)，關(guān)閉2 寸球閥排空裝置，同時(shí)電話通知調(diào)度室停止注氮系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。注氮系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，打開1510 輔助進(jìn)風(fēng)閉墻上4 寸措施閥，并立即撤離至采區(qū)變電所。

第五步：救護(hù)隊(duì)員撤離至采區(qū)變電所后，電話通知調(diào)度室啟動(dòng)注氮系統(tǒng)，以0.05 MPa（100 m3/h）的壓力，向井下輸送氮?dú)狻?/p>

第六步：通過閉墻內(nèi)束管監(jiān)測(cè)瓦斯、一氧化碳、二氧化碳濃度呈下降趨勢(shì)時(shí)，使用1510 進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷處閘閥減小注氮量。

第七步：通過閉墻內(nèi)束管監(jiān)測(cè)閉墻內(nèi)氧氣濃度降至5%以下，一氧化碳濃度降至10×10-6以下時(shí)，并保持穩(wěn)定30 min 后，做好停止注氮準(zhǔn)備工作。

第八步：停止注氮時(shí)，同時(shí)關(guān)閉1510 輔助進(jìn)、回風(fēng)閉墻上4 寸措施閥，隨后打開1510 輔助進(jìn)風(fēng)2 寸球閥排空氮?dú)猓㈦娫捦ㄖV調(diào)度下達(dá)注氮結(jié)束命令，停止注氮。

5 注氮實(shí)施效果

1）對(duì)1510 輔助系統(tǒng)內(nèi)的有害氣體總共進(jìn)行了34 h 注氮，共注入氮?dú)?1 000 m3。通過注氮，閉墻內(nèi)氧氣、瓦斯、一氧化碳、二氧化碳濃度穩(wěn)定后均出現(xiàn)了下降現(xiàn)象，數(shù)據(jù)如圖3、圖4 所示：

圖3 1510 輔助系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)閉墻注氮前后數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4 1510 輔助系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)閉墻注氮前后數(shù)據(jù)對(duì)比

瓦斯?jié)舛茸兓治觯和咚箽怏w分子量為16，氮?dú)夥肿恿繛?8，瓦斯比氮?dú)廨p，穩(wěn)定狀態(tài)下處于巷道的頂部。通過注入氮?dú)猓咚節(jié)舛扔?.02%下降至2.48%，下降率為38.3%。

氧氣濃度變化分析：氧氣分子量為32，氮?dú)夥肿恿繛?8，氧氣比氮?dú)庵?，穩(wěn)定狀態(tài)下處于巷道的中上部。通過注入氮?dú)?，瓦斯?jié)舛扔?.64%下降至4.31%，下降率為43.6%。

二氧化碳濃度變化分析：二氧化碳分子量為44，氮?dú)夥肿恿繛?8，二氧化碳比氮?dú)庵?，穩(wěn)定狀態(tài)下處于巷道的底部。通過注入氮?dú)?，二氧化碳濃度?.47%下降至5.32%，下降率為17.8%。

一氧化碳濃度變化分析：一氧化碳分子量為28，氮?dú)夥肿恿繛?8，一氧化碳與氮?dú)庖粯又?，穩(wěn)定狀態(tài)下處于巷道的中部。通過注入氮?dú)?，一氧化碳濃度?.9×10-6下降至2.25×10-6，下降率為74.7%。

結(jié)論：注氮置換有毒有害氣體時(shí)，與氮?dú)夥肿恿吭娇拷臍怏w置換效果越好（如一氧化碳、氧氣），與氮?dú)夥肿恿肯嗖钶^遠(yuǎn)的氣體注氮置換效果較差，但比重小氣體（瓦斯）卻比比重大氣體（二氧化碳）置換效果好。

2）注氮過程中在回風(fēng)閉墻內(nèi)監(jiān)測(cè)氧氣、瓦斯、一氧化碳、二氧化碳濃度隨著注氮量的增加均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，具體數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 1510 輔助系統(tǒng)注氮量與氣體濃度關(guān)系曲線圖

結(jié)論：在注氮過程中，進(jìn)風(fēng)側(cè)動(dòng)壓注氮，回風(fēng)側(cè)依靠進(jìn)風(fēng)側(cè)壓力傳遞向外擴(kuò)散氣體，因此在回風(fēng)側(cè)出現(xiàn)氣體“擁堵”現(xiàn)象，表現(xiàn)為回風(fēng)閉墻處氣體在注氮后一定時(shí)間內(nèi)濃度有上升現(xiàn)象，與氮?dú)夥肿恿肯喈?dāng)?shù)难鯕庾顬槊黠@；在注氮過程中，注入的氮?dú)庖环矫鎸⒚荛]空間內(nèi)的有毒有害氣體排出，另一方面氮?dú)馀c有毒有害氣體進(jìn)行了混合，因此氣體濃度隨著注氮量非線性變化。

6 結(jié) 語

通過總結(jié)1501 輔助系統(tǒng)火區(qū)注氮防滅火實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，確定注氮技術(shù)的參數(shù)，使得注氮防滅火技術(shù)在同類型火區(qū)應(yīng)用時(shí)更加具有可借鑒和可操作的經(jīng)驗(yàn)。注氮防滅火技術(shù)可以為煤層自燃的前期起到預(yù)防效果，也可以快速控制火災(zāi)，這種有效的方法應(yīng)用在礦井火區(qū)里，能有效提高礦井抵抗火災(zāi)的應(yīng)變能力，意義重大，前景廣闊。