注氮技术在采空区防灭火中的应用

肖雪峰

(开滦林南仓矿业分公司,河北唐山 064106)

注氮技术在采空区防灭火中的应用

肖雪峰

(开滦林南仓矿业分公司,河北唐山 064106)

采空区防灭火是煤矿井下防灾的一项重要课题。林南仓矿曾在轻放工作面收尾期间出现过多次采空区自然发火,且自燃发展迅速,对矿井安全威胁较大。采取了注氮防灭火技术,有效地防治了采空区自然发火。介绍了注氮防灭火原理、设备选择、管路位置确定、注氮量确定及注氮时的注意事项。

注氮;防灭火;采空区;自然发火

Application of Nitrogen Injection in Gob Fire Prevention and Extinguishment

随着矿井生产能力的提高,综采设备吨位的不断增加,工作面搬家倒面时间越来越长,特别是放顶煤工作面临近收尾时采空区遗煤多,且工作面通风路线短、风阻小、漏风量大,因此,收尾期间采空区防火问题显得尤为突出。具体体现在：着火点的准确位置不易判断,采用注浆、注三相泡沫、注CO2等传统灭火措施效果不明显。如不能采取有效措施,很容易形成自然发火事故。林南仓矿综放工作面在收尾期间,采用注氮技术防治采空区自然发火取得了良好的效果。

1 矿井概况

林南仓矿设计生产能力为 1.2Mt/a,主采煤层有 11煤层,12煤层,各煤层自然发火等级均为Ⅱ级,自然发火期仅为 2个多月。矿井自 1985年投产至今,工作面收尾期间曾经发生过 8次采空区自然发火事故。

1227轻放工作面位于 -400m水平,开采 12槽煤层西二小采区,工作面走向长 285 m,倾斜长75m,煤层倾角平均 16°,煤层厚度 4.8m,采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤采煤法。

该工作面于 2007年 7月开采,2007年 12月中旬因检修停采,局部区域发现 CO气体,工作面具备收尾条件后,采空区仍然出现自然发火征兆,2007年 12月 24日工作面中上部 CO气体浓度达 48×10-6,由于元旦放假,工作面停采,2008年 1月 2日 CO气体浓度高达 350×10-6,乙烯浓度最高达 630×10-6。

为确保回撤安全,自 1月 3日开始对采空区采取注氮措施。

2 采空区注氮防灭火技术方案

2.1 注氮防灭火原理

氮气注入采空区起到如下几点作用：

(1)氮气为惰性气体,采空区内注入大量高浓度的氮气后,氧气浓度相对减小,氮气置换氧气而进入到煤体裂隙表面,这样煤体表面对氧气的吸附量降低,抑制遗煤的氧化放热速度。

(2)采空区注入氮气后,降低了漏入采空区的风量,减少了空气中的氧气与煤炭直接接触的机会,在采空区内部形成一个氮气隔离区域,起到了隔绝空气的作用,采空区氮气隔离区域如图 1。

图1 氮气隔离区域

(3)注入采空区的氮气温度一般为 14～15℃,氮气在流经煤体时,吸收了煤炭氧化产生的热量,可以减缓煤升温的速度,使煤的氧化因聚热条件的破坏而延缓或终止。

2.2 制氮设备的选择

煤矿氮气主要是通过分离大气中的氧气来制取,制备方法有深冷空分、变压吸附和膜分离 3种。深冷空分制取的氮气纯度最高,通常可达到99.95%以上,但制氮效率较低,能耗大,设备投资大且运行成本较高;变压吸附的主要缺点是碳分子筛在气流的冲击下,极易粉化和饱和,分离系数低,使用周期短,运转及维护费用高;膜分离制氮的主要特点是体积小,维护方便,运转费用较低,氮气纯度能达 97%左右,综合考虑确定采用膜分离制氮法。

2.3 注氮管路位置的确定

根据采动裂隙 “O”形圈理论,综合 12煤自然发火期以及回采工作面推进速度等情况分析,判定 1227工作面采空区遗煤氧化区域为：走向方向距离停采线 15～50m,倾斜方向在工作面面端头以上 25～40m,据此,氮气释放口设置在采空区进风侧自燃区与易自燃区的临界处,如图 2所示。

图2 注氮管路布置

2.4 注氮流量确定

对于回撤工作面来说,工作面不再出煤,瓦斯涌出量逐渐减少,按照采空区自燃区域内氧含量计算注氮量较科学,其实质是将采空区自燃区内的原始氧含量降到防火惰化指标以下,计算公式如下：

式中,QN为注氮流量,m3/min;QV为采空区自燃区的漏风量,m3/min,取 30m3/min;C1为采空区自燃区内原始氧含量,取平均值 18%;C2为注氮防火惰化指标,取 7%;CN为注入氮气中的氮气纯度,实际为 98%。

根据公式计算得注氮流量 QN为 3.2 m3/min,为确保注氮效果,注氮流量稳定在 8.33 m3/min。

2.5 注氮时的注意事项

(1)为保证氮气不泄漏或少泄漏,在采空区上、下隅角用风筒布设置挡风帘,用以挡风。

(2)在注氮管路入口处事先安设阀门和气体检测孔,注氮初期,先将注氮入口的截门关闭,检查系统管路有无漏气,发现漏气立即处理。清除注氮管内积水等杂物,当管路内氧气浓度低于 3%时,向采空区内注氮。

(3)注氮期间,窝风区域 (如采面上隅角等处)氧气浓度可能较低,禁止人员逗留。

3 注氮效果

3个测点的监测数据如表 1所示,随着氮气的注入,工作面 3个观测点的 O2,CO,CO2,CH4,C2H4浓度均迅速降低。如图 3、图 4所示,测点 1注氮 3d后,氧气浓度降低了近 2/3,CO浓度降低了近 9/10;注氮 6d后,CO浓度已降为 0。

表1 注氮效果束管监测分析数据统计

图3 1号测点 CO2、CO、C2H4浓度监测曲线

图4 1号测点 O2,N2浓度监测曲线

图 5所示为 3个测点的 CO气体变化曲线,注氮 48h后,1号及 2号测点 CO浓度降低速度较快,其中 1号测点 CO浓度降低了近 2/3,注氮 6d后,整个工作面已消除 CO气体,采空区遗煤的氧化速度得到了明显的抑制,保证了 1227工作面的安全回撤。

图5 CO浓度变化曲线

4 结论

林南仓矿 1227轻放工作面注氮防灭火技术的实践,得到以下结论：

(1)注氮防灭火技术可以有效防止综放面采空区遗煤的自燃,注氮 5d后可大幅降低 CO气体浓度。

(2)准确判断采空区氧化分布和采空区氧化高温点的范围,是采空区注氮防灭火的关键。

(3)注氮防灭火技术成本低、工艺简单,是防治煤矿井下采空区自然发火难题的有效手段,具有非常广阔的发展前景。

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TD753.3

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1006-6225(2010)01-0097-02

2009-10-24

肖雪峰 (1974-),男,河北易县人,工程师,开滦林南仓矿业分公司生产副总。

王兴库]