注氮防灭火技术在特厚自燃煤层综放工作面的研究与应用

赵高清

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西兴县 033602）

注氮防灭火技术在特厚自燃煤层综放工作面的研究与应用

赵高清

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西兴县 033602）

通过理论计算，合理选取注氮设备、输氮管路管径，并根据现场实际情况，优化了氮气释放口位置、实现了24 h连续注氮，确定了综放工作面日常防火注氮流量。

注氮；自燃煤层；综放工作面；防灭火

放顶煤采煤法是开采厚煤层、特厚煤层的一种高产高效的开采方法，在我国应用广泛。但由于其工艺特点，煤炭采出率比大采高综采工艺低，采空区丢煤较多，如何有效防止采空区煤炭自燃是采用放顶煤采煤法必须考虑的严峻问题。注氮防灭火技术覆盖率较高、适应性较好，能有效的保证工作面回采期间防灭火安全[1]。

1 注氮防灭火技术的理论依据

氮气是一种无色、无味的气体，由于其分子结构相对稳定，是一种良好的惰性气体。其防灭火作用和特点有以下三点：

1）采空区注入氮气后，提高了采空区相对压力，降低了进入采空区的漏风量，减少了采空区遗煤与空气接触而氧化发热的机会；注入的氮气在流经采空区遗煤时，可以部分吸收其氧化所发出的热量，抑制遗煤氧化升温的速度、使遗煤的周围介质降温，最终因聚热条件的破坏而延缓或终止遗煤的自燃。

3）采空区内的瓦斯、一氧化碳等气体与氮气混合后，随着氮气气体浓度的增加，瓦斯、一氧化碳等气体的爆炸下限升高、上限下降。当氮气浓度达到一定值时，可消除采空区混合气体的爆炸危险。

2 应用实例

2.1工作面概况

斜沟煤矿位于河东煤田北部的中南部，行政区划隶属于兴县魏家滩镇和保德县南河沟镇管辖，井田南北长约22 km，东西宽约4.5 km，主采8号、13号煤层。

13号煤层位于太原组下部，上距8号煤层38.10～78.10 m，平均52.42 m；煤层厚度为5.95～16.68 m，平均13.88 m，含夹矸一般为0-3层，夹矸厚度一般为0.08～0.43 m，顶板岩性为砂质泥岩和泥岩，老顶为中粗粒砂岩，常见炭质泥岩伪顶；底板岩性为泥岩和砂质泥岩，有时为粉砂岩或泥灰岩，普遍存在着炭质泥岩伪底；煤层倾角为6.8°～10.7°（平均8.9°），自燃倾向性等级为Ⅱ类；采用后退式走向长壁一次采全高采煤方法，综采低位放顶煤工艺进行回采。工作面走向长度为2 420.9 m、倾斜长度为214.34 m，机采高度3.6 m，放煤高度10.2 m，采放比为1∶2.83。工作面采用U型通风方式（材料巷进风、皮带巷回风），配风量为2 400 m3/min。

2.2 注氮设备和输氮管路选取

1）供氮能力计算。注氮量是决定防灭火效果最重要的参数。根据《煤矿用氮气防灭火技术规范》（MT/T701-1997）第7.1条的规定[2]，1个工作面的供氮能力可按下式计算：

式中：QN为供氮能力，m3/h；K为备用系数，取1.2；Q0为采空区氧化带内漏风量，采取堵漏风、均压通风等措施后，采空区氧化带内的漏风量取6 m3/min；C1为采空区氧化带内平均氧浓度，取15%；C2为采空区惰化防火指标，其值为煤自燃临界氧浓度，取7%；CN为注入氮气的氮气浓度，取97%。计算得供氮能力QN=864 m3/h。

综合分析并结合矿井实际情况，选择制氮能力为1 000 m3/h的移动式膜分离制氮装置。

消极面子是指个体拥有自主的权利，有行事的自由，行为不受他人强制或干预。消极不礼貌策略指的是说话人攻击听话人的消极面子时使用的不礼貌策略。

2）输氮管路的选取。根据《煤矿用氮气防灭火技术规范》第7.4.1条、7.4.2条的规定进行计算：

式中：P1为管路始端的绝对压力，MPa；P2为管路末端的绝对压力，MPa（此值不应低于0.2 MPa）；Qmax为最大输氮流量，m3/h；D0为基准管径，150 mm；Di为实际输氮管径，mm；Li为相同直径管路的长度，km；λ0为基准管径的阻力损失系数，0.026；λi为实际输氮管径的阻力损失系数，对于不同的钢管直径，其阻力系数如表1所示。

根据下式计算输氮管路的最长输氮距离L为：

式中：P1取0.8 MPa。

可计算得管径为100 mm时，L=12.65 km，完全可满足2 700 m（注氮硐室距工作面最远距离）的输氮要求。

2.3 注氮防灭火方式

1）氮气释放口的位置。通过束管监测系统对采空区气样进行化验分析，采空区氧化带位置始终约在距工作面60～90 m范围内，故确定氮气释放口应距在工作面50～100 m范围内。氮气释放口位置，见图1。

2）注氮方法。采用预先铺设管路开放式注氮方式，连续注氮方法。沿材料巷向工作面铺设2趟注氮管路，末端各设氮气释放口1个（错距50 m）。随工作面推进50 m后，第一趟注氮管路开始注氮，同时第二注氮管路开始埋入采空区；随着工作面推进，当第一趟注氮管路埋入采空区100 m时，第二条注氮管路埋入采空区100 m，此时通过阀门停止第一趟管路注氮、开始第二趟管路注氮，以此类推实现24 h连续注氮。

3 应用效果分析

通过对采空区“三带”的动态变化规律及采空区气体分布规律的实时观测分析，确定氮气释放口在距工作面50～100 m范围内；根据应用经验，600 m3/min可满足工作面正常回采期间注氮防灭火要求，并属于注氮设备合理、稳定的运行工况。该工作面采用注氮防灭火技术以来，从未发现自然发火征兆，达到预期防灭火效果。同时，在注氮期间应采取以下几项安全措施，以确保注氮安全、保证防灭火效果：

1）注氮设备司机要认真作好制氮装置的运行记录，每小时记录一次制氮机的压力和温度、制氮装置的出口氮气压力、流量和浓度等；发现氧气浓度大于3%时，应及时停止注氮，查明原因，进行处理。

2）工作面必须建立完善的束管监测系统，及时对采空区“三带”分布、自然发火情况、注氮防灭火效果进行监测分析；当监测发现一氧化碳、乙烯等自然发火标志性气体或工作面回采期间因遇地质构造推进速度、缓慢停滞不前时，则应加大采空区注氮量，同时配合采取均压、堵漏措施，并加强自然发火预测预报。

3）注氮过程中工作面上下隅角需采取“均压”或堵漏措施，减少采空区漏风；进入该范围的作业人员必须随身佩戴氧气检测仪器，避免缺氧发生人员窒息事故。

4）制氮机硐室应采取独立通风，配风量应按氮气全部泄露时硐室氧气含量不小于18.5%和按AQ1056-2008机电硐室配风量综合分析、选取大值，确保通风安全。

5）注氮管路离地高度保持1.5 m左右，铺设应尽量减少拐弯，要求平、直、稳，接头不漏气，刷黄色油漆；为便于及时检测注氮的压力、纯度，输氮管路每300 m设置截止阀、观测三通及压力表，并编号管理。

[1]煤矿安全规程专家解读编委会.《煤矿安全规程》专家解读（2011年修订版）[M].徐州:中国矿业大学出版社，2011.

[2]煤炭工业部煤矿安全标准化技术委员会.MT/T701-1997《煤矿用氮气防灭火技术规范》[S].中国标准出版社，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

（编辑：樊敏）

2015-01-26

赵高清(1977-)，男，山西平定人，大学本科，助理工程师，从事矿井通风工作。