煤矿氮气防灭火技术应用

摘 要：煤矿井下火灾是威胁煤矿安全生产的灾害之一，而煤层自燃是引起井下火灾的主要原因。文章通过对氮气防灭火技术在煤矿领域的应用介绍，得出结论：氮气防灭火技术是煤矿防灭火的合理、有效方法。

关键词：煤矿；氮气；防灭火；制氮机

1 概述

煤矿井下火灾产生的原因主要有两类，一类是煤层自燃发火，另一类是由于井下明火、放炮、电流短路、摩擦等其他原因引起的火灾。其中煤层自燃发火是主要原因，所以应重点防范。目前煤矿井下常用的防灭火技术很多，主要有：堵漏、均压、惰气、惰泡、三相泡沫、阻化剂、雾化阻化剂、惰化阻化剂、灌浆、胶体防灭火技术等。其中惰气灭火一般是指向井下采空区（或发火区）注入惰性气体—氮气，降低氧气浓度，阻止采空区煤炭氧化自燃，同时提高采空区压力，使其成正压状态防止新鲜风流漏入采空区、降低采空区温度，以达到采空区内防灭火的目的。

采用氮气防灭火具有很多优点，但必须遵循以下几点要求才能达到良好的防灭火效果：（1）产氮量充足，稳定可靠的氮气源；（2）氮气浓度不小于97%；（3）至少应安装一套专用的氮气输送管路及其附属安全设施；（4）因地制宜选择合适的注氮工艺和方式；（5）选择合适的注氮地点。（6）注氮时要有完善的气体成分、空气温度监测手段，并设专人进行定期观测。下面作者就结合以上六点要求，以某矿井下氮气防灭火为例对煤矿氮气防灭火技术的应用进行简介。

2 注氮量确定

某矿井生产规模4.00Mt/a，井下共布置两个回采工作面，开采煤层属于易自燃煤层。目前计算注氮量的方法主要有两种，分别是按产量计算、按吨煤注氮量计算，通过以上方法分别计算注氮量，然后取其最大值为矿井需要的注氮量。

2.1 按产量计算

QN=[A/）1440ρtη1η2）]×）C1/C2-1）=14.27m3/min=856m3/h

式中：QN-注氮流量，m3/min；A-年产量，t，取4.0Mt/a；t-年工作日，取330d；ρ-煤的密度，t/m3，取1.44t/m3；η1-管路输氮效率，取95%；η2-采空区注氮效率，取85%；C1-空气中氧浓度，取20.8%；C2-采空区防火惰化指标，取7%。

2.2 按吨煤注氮量计算

QN=5AK/330×60×24=39.14m3/min=2348m3/h

式中：K-工作面回采率，取93%。

2.3 注氮量的确定

根据上述计算，取QN=2348m3/h为矿井注氮量，确定矿井最大注氮量为：

QNmax=k×QN

式中：k-安全备用系数，取1.2，则：

两个工作面产量为4.00Mt/a时，QN=1.2×2348m3/h=2818m3/h。

3 制氮设备

结合目前国内矿井使用的制氮设备情况，按布置形式分类可分为地面固定式、地面移动式和井下移动式三种制氮系统，其中地面固定式制氮系统成本低、管理方便，设备工作环境好、使用寿命长，总投资省，使用最为广泛。目前煤矿制氮设备国内应用较多的主要有变压吸附制氮机和膜分离制氮机两种。变压吸附制氮机利用氧氮吸附能力的不同，采用加压吸附，降压解吸，达到分离，制取氮气；膜分离制氮机是根据不同气体分子在膜中的溶解扩散性能的差异来完成空气分离。两种制氮设备都具有工艺流程简单，设备少，在常温较高压力下操作，不会造成碳氢化合物的局部聚集，气体产品产量、氮气纯度可调，使用灵活方便等优点。但膜分离制氮机关键部件需要进口，设备投资高，而变压吸附制氮机产气成本较低，且设备结构简单，维护保养技术难度低，费用也低。基于设备运行安全可靠的原则，结合投资、运行和维护费用等因素，推荐采用地面固定式变压吸附制氮设备。

根据计算所需注氮量2818m3/h，选用3套KGZD-1500型地面固定式变压吸附制氮设备，其中2套工作，1套备用。该系统采用碳分子筛变压吸附技术，具有人性化的人机界面，智能化全自动控制，按键即可产出高纯氮气，无需专人看管，安装简便，不需特殊设备基础，平整地面即可安装，可靠安全性高，运行成本和维护费用低。每套制氮设备主要技术参数如下：产氮量1500Nm3/h，氮气纯度97%，输出压力0.6MPa，机组总功率约530kW，电压10kV。

4 输氮管路

根据《煤矿安全规程》第二百三十八条规定，“在采用氮气防灭火时，必须遵守下列规定：（三）至少有1套专用的氮气输送管路系统及其附属安全设施。”设置1套专用的氮气输送管路，氮气经由制氮站至进风立井井筒敷设的主管（？准273×7）、带式运输机大巷的干管（？准194×6）以及回采工作面胶带运输巷的支管（？准133×4）送至回采工作面。

根据《煤矿井下氮气防灭火技术规范》：“地面、井下制氮设备的供氮压力，其管路末端的绝对压力应不低于0.2MPa”。经校核管路末端压力满足要求。输氮管路采用法兰联接，管路做防腐处理，另外管路应做气密性试验，防止氮气泄露造成井下人员窒息。为便于控制井下的氮气输送，在管路的分、支点处和末端均装设闸阀。

5 注氮工艺和方法

注氮工艺主要有埋管注氮和托管注氮，另外还有钻孔、插管、密闭注氮。埋管注氮是在回采工作面的进风侧沿采空区埋设一趟注氮管路，当埋入一定深度后开始注氮，同时又埋入第二条管路，当第二条注氮管口埋入采空区氧化带与冷却带的交界部位时即向采空区注氮，同时停止第一条管路的注氮，并又重新埋设注氮管路，如此循环，直至工作面采完为止。托管注氮在工作面的进风侧沿采空区埋设一定长度的厚壁钢管作为注氮管路，管路利用回柱绞车牵引等方式随着工作面的推进移动，使其始终埋入采空区一定的深度。根据对火情的预测情况可采取的注氮方法有连续和间断注氮。注氮地点应选择在进风侧或靠近火源，工作面采空区注氮管口应处于采空区氧化带内。综合以上工艺和方法，选择在采空区进行拖管连续注氮。

6 束管监测

建立了合理的注氮系统同时还应设置火灾束管监测系统。束管监测系统由工控机、地面抽气泵、气体采样控制柜、束管专用色谱仪、分析仪器柜、色谱数据处理器、输出控制器、工业控制型微机等设备和井下束管、分路箱等组成，并配置系统分析控制软件。通过束管取样，分析采空区、密闭区及巷道中的气体成分和浓度，可实现对自燃发火情况的早期预测，为火区启封及确定工作面采空区的注氮量提供依据。

7 结束语

氮气防灭火是煤矿防灭火的合理、有效方法。建立安全、可靠的注氮系统并加强对火情的提前预测是遏制煤矿井下煤层自燃发火，确保煤矿安全生产的有力措施。

参考文献

[1]煤矿安全规程[S].

[2]MT/T701-1997.煤矿用氮气防灭火技术规范[S].

[3]王洪义，宋艳苹.氮气防灭火技术在平顶山矿区的应用[J].矿业安全与环保，2009（6）：49-51.

作者简介：秦博（1982-），男，陕西眉县人，工程师，中国矿业大学机械工程及自动化专业毕业，现在北京华宇工程有限公司西安分公司从事矿山机械设计工作。