碳分子筛制氮机在煤矿灭火中的应用

张慧芳

（大同煤矿集团机电装备科工安全仪器有限责任公司， 山西 大同 037001）

引言

煤炭自燃的瞬间将会产生大量有毒气体，威胁矿井内部工作人员的生命安全，阻碍煤矿开采工作的正常开展，同时自燃的煤炭还会引燃矿井内部的瓦斯，导致瓦斯爆炸事故，给社会和企业带来不可估量的损失[1-3]。煤炭自燃火灾在矿井内采空区发生的概率较高，尤其是没有进行封闭处理或者封闭不严实的采空区[4]。目前常用的煤炭自燃灭火方法是往采空区内部注浆，达到隔绝空气的目的，但是该方法的灭火时间长、效率低、成本高，而伴随制氮机的出现，氮气灭火在矿井煤炭自燃处理中成为了可能[5-6]。近年来碳分子筛制氮机的应用越来越广泛，现结合实际的工作经验及煤矿工作面的现状，开展碳分子筛制氮机在煤矿灭火中的应用技术研究，以便更好地指导相关煤矿灭火工作。

1 工作面概况

工作面的具体情况如下：工作面的长度为210 m，推进距离为1 950 m，总面积为39 万m2，煤炭储存量约为435.5 万t，回采煤炭的含量为365 万t。煤层的倾斜角度为4°～9°，煤层厚度范围为5～9 m，自然发火的等级为II 级，发火期共64 d。煤层的老顶地质组成为中粗砂岩，厚度范围约为2.5～12 m，直接顶的地质组成为泥岩，厚度范围为0～3.5 m，伪顶地质组成为炭质泥岩，厚度范围为0～0.5 m，直接底地质组成为砂质泥岩，厚度范围为0～0.9 m。

2 氮气防灭火原理及惰化指标

氮气作为无毒无害的气体，其常温环境中的化学性质极为稳定，既不会与其他物质发生化学反应，也不会燃烧，还不支持燃烧，因此可以作为灭火气体使用。氮气可以迅速灭火，不腐蚀工作面现场设备设施，同时氮气能够低温液化，便于存储与运输，灭火优势极其显著，备受国内外各界人士的广泛关注。氮气注入煤矿工作面内部，会对采空区起到惰化作用，既能降低煤炭氧化自燃的速率，又能增加工作面采空区内部的气体压力，提高内部的压强，降低工作面的漏风量，同时氮气的注入还能减小工作面内的氧气浓度和瓦斯浓度，提高工作面的整体防火能力。具有的氮气灭火作用的原理如图1 所示。

图1 氮气灭火作用原理图

氮气灭火惰化指标选择煤炭自燃的临界氧浓度，根据前期的工作确定了该工作面内煤层出现自燃的临界氧浓度值为7%，因此，此处要求氮气注入工作面之后氧浓度值不大于7%。

3 碳分子筛制氮机的选型

3.1 注氮量的确定

碳分子筛制氮机选型过程中的首要工作就是根据工作面的实际运行状况确定所需的注氮量，满足防火灭火的要求，同时也要考虑注氮的效率及经济性。该工作面的注氮量的确定执行MT/T 701—1997标准，计算将工作面氧气含量降低至防火惰化指标以下时的注氮量。经过分析计算得到了该工作面满足防火灭火要求时的注氮量为2 000 m3/h，结合国内外现有注氮灭火经验，注氮强度应可调整，注氮初期强度要高，之后可逐渐降低。如果运用开放式的注氮形式，将需要更大的注氮量。为了保证该工作面防火灭火的要求，拟选择3 套制氮能力为1 500 m3/h 的地面DTG-1500/6.5 型变压吸附固定式碳分子筛制氮机组，其中的2 套用于正常工作，剩余1 套作为备用机。DTG-1500/6.5 型变压吸附固定式碳分子筛制氮机具体参数如表1 所示。

表1 碳分子筛制氮机参数

3.2 制氮机输氮线路及管道的设计

3.2.1 输氮线路规划

工作面内部由制氮机制备得到的氮气在工作面内部的输送路线对于氮气输送过程中的压降、流量存在一定的影响，为了降低影响程度，结合工作面实际情况，确定了氮气的输送路线如下：制氮机制备得到氮气→主斜井井筒→主斜井联络巷→辅运大巷→胶带大巷检修联络巷→胶带大巷→胶带顺槽→工作面。

3.2.2 输送压力校核

输氮管道中的干管选择规格为Φ159 mm×6 mm 的无缝钢管，总长度约为4 200 m，结合上述DTG-1500/6.5 型变压吸附固定式碳分子筛制氮机的工作能力，确定了输送管道出口位置压力为0.2 MPa 时需要制氮机输出压力为0.5 MPa，小于制氮机的出口压力0.65 MPa，满足要求。同时要求输氮管路铺设过程中避免过多的拐弯，尽量做到平、直、稳，确保接头位置的密实度。管道的铺设位置可以在工作面的底板，也可以吊挂于巷道边缘，禁止管道承受外部载荷。输氮管路遇到分岔的情况时需要配置满足要求的三通和截止阀，定期进行试压检查。

4 制氮机灭火工艺及防漏措施

注氮工艺需要根据工作面的具体情况进行选择，此处选择迈步式埋管注氮工艺，埋管的步长设置为50 m，当顶煤垮落之后即进行注氮管的预埋铺设工作。在第一步输氮管路埋设50 m 的时候，即刻开始第二步输氮管路的埋设，保持第一步输氮管路正常注氮。但第二步输氮管口埋入50 m 时，停止第一步输氮管道注氮，拆除50 m 输氮管道，在第二步输氮管道之后继续埋设，此时保持第二步输氮管道注氮，如此循环到达工作面停止。

氮气注入工作面内部的滞留时间与漏风量大小有关，漏风量越大氮气滞留时间越短，氮气防火灭火效果越差。常用的注氮防灭火的辅助方法是端头封堵减少漏风。具体措施是在工作面的首、尾端头设置粉煤灰墙，间隔尺寸为10 m，封堵墙的厚度为1.2 m，材料采用袋装的煤杆末即可，保证搭建的尺寸满足工作面巷道的要求，整齐划一，控制封堵墙的首尾位置，确保封堵严实。

5 制氮机灭火安全要求及应用效果

制氮机作为工作面防火灭火的重要设施，任何人不得私自拆卸、移动、破坏，如果必须进行上述操作，需经煤矿应急指挥中心的批准。制氮机使用单位需要准备足够的制氮原材料，设置专职的运行维护人员，定期进行制氮机的保养与巡检。制氮机工作过程中工作面内部需要设置专职的瓦斯检测人员，实时监测工作面内部的氮气泄露与氧气浓度比例，一旦超出7%的临界值，需及时发出超限报警。制氮机的氮气输出量需要根据工作面内的需求进行动态调整，严禁无理由降低或者提高工作面内的注氮量，避免出现防火灭火功能失效或者工作面内的空气浓度过低，给工作面内部工作人员造成安全隐患。制氮机配置的操作人员不得少于2 人，一位进行制氮机的操作与控制，另一位对工作面内部注氮情况进行监视并及时报告给制氮机操作人员实际情况，及时进行制氮机的控制操作。最后就是每一套制氮机系统需要配置2 个干粉灭火器和1 个不小于0.5 m2的消防沙箱，对制氮机操作人员进行培训，使其掌握消防器材的操纵方法，同时确保消防供水系统的稳定可靠。

按照上述碳分子筛制氮机的选型与辅助设施的配置，在工作面内进行了应用与实施，统计分析得到了每月工作面内部的氧气含量浓度的平均值，连续运行的半年时间内氧气浓度变化趋势如表2 所示，工作面内在2019 年3 月—8 月中的氧气浓度（质量分数）均处于5.8%～6.5%范围之内，由此可见碳分子筛制氮机的选型设计能够将工作面内部氧气浓度可靠控制在煤层自燃临界氧气浓度（质量分数）7%之内，具有很好的防灭火效果，提高了矿井内工作面的安全性，降低了煤层自燃发生的风险，保证了企业的煤炭开采效率及产量。

表2 2019 年工作面氧气浓度（质量分数）变化趋势 %