注氮防灭火技术在黄白茨煤矿的实践与应用

徐中瑶

（国家能源集团乌海能源有限责任公司黄白茨煤矿，内蒙古乌海016000）

煤矿火灾事故是制约煤矿安全生产的主要矿井灾害之一，例如2013 年2 月28 日19 时43 分，河北省冀中能源张矿集团怀来艾家沟矿业有限公司井下发生一起重大火灾事故，造成13 人死亡，直接经济损失1425.08万元[1]。在所有煤矿火灾事故中内因火灾高达90%左右，外因火灾占10%左右[2]。因此我们必须加大煤矿火灾事故的防控力度，力争做到防患于未然。采空区自然发火是煤矿内因火灾的主要表现形式，造成采空区自燃发火主要原因是采空区内遗留的大量的煤炭，这些遗留的煤炭有自燃发火倾向时在进入采空区的氧气与之发生氧化反应产生大量的热量，当这些热量有散不出去时就会使得遗留的煤炭升温，当温度达到其燃点的时候就会发生自燃[3]。通常防治采空区自燃的方法有均压防灭火法、采空区注浆法、采空区注氮法、采空区注液态CO2法等方法[4]。采区注氮防灭火技术是一种比较常用的防灭火方法，该方法作为一种比较成熟的防灭火技术在国内外得到了广泛地应用[5]。注氮防灭火的实质是通过向采空区注入大量的惰性气体，来惰化火区[6]。通过大量惰性气体氮气的注入达到延长遗留煤炭的自燃发火周期，抑制遗留煤炭的燃烧、窒息火源，达到灭火的目的[7]。近几年我国开采浅埋藏煤层的同煤集团四台矿、大斗沟矿、同忻煤矿，新疆的韦湖梁矿、宁煤集团白芨沟矿和羊场湾矿、阜新孙家湾矿、汾西煤业的新阳矿、内蒙的东辰矿和俄罗斯的奥矿均采用注氮防灭火技术取得了成功[8]。这一技术只应用于加速封闭火区内火源的熄灭，以后又应用于抑制非封闭采空区里煤炭的自热或自燃，同时保证工作面正常生产[9]。

1 矿井及工作面概况

1.1 矿井概况

国家能源集团乌海能源有限责任公司黄白茨煤矿位于乌达矿区中部，南邻五虎山井田，西、北与苏海图井田相邻，东部以乌达逆掩断层为界，井田南北长3.94km，东西宽1.606km，面积为6.33km2。井田内共有9#、10#、12#、13上2#、13#、15#、16#和17#共8 个可采煤层，其中9#、10#、12#、15#煤层为主采煤层。可采煤层总厚度16.68m，矿井核定生产能力为200×104t/a；该矿通风方式为中央分列式，主要通风机的工作方式为抽出式。矿井由主井、副井、行人斜井、10#风井四个井筒进风，11#回风井排风。2012年黄白茨煤矿的矿井绝对瓦斯涌出量为50.81m3/min，相对瓦斯涌出量为17.45m3/t属于高瓦斯矿井，因此必须在矿井通风合理的基础上加强矿井的瓦斯综合抽放才能确保矿井的安全生产。煤层自燃倾向等级均为Ⅱ类，均属自燃煤层，煤尘均有爆炸危险性。矿井采掘机械化程度100%。目前12#煤层布置1 个综采工作面、1 个掘进工作面、10#煤层布置1个综采工作面、2个掘进工作面。

1.2 工作面概况

021005 工作面位于922 采区南翼区域内，距地表垂深约195～206m，西部为已回采完毕的021003 工作面，东部为021007 回风巷，南部为五虎山井田边界，北部为922 轨道下山等巷道。021005 工作面煤层厚度2.3m，煤层倾角3°～13°，平均倾角为7°，工作面切眼长度为216m，工作面走向长度为1150m。该工作面采用综合机械化放顶煤采煤工艺，走向长壁式采煤法，全部垮落法控制顶板。

2 问题的提出

2.1 问题的提出

2019 年10 月份以来黄白茨煤矿021005 工作面回采过程中出现了CO气体，该工作面上隅角CO气体浓度为16ppm 左右。经过对工作面和地表的调查，对矿井的自然发火状况分析如下：工作面采空区浮煤已经开始低温氧化。

2.2 原因分析

造成021005工作面采空区浮煤低温氧化的原因如下：

（1）黄白茨煤矿所采的长焰煤为易自然发火煤层，其最短发火期为40～50d，当采空区浮煤长期氧化时，易产生CO气体。

（2）工作面的采空区内留有一定数量的遗煤，而且遗煤呈立体分布，位置较高，不管是洒阻化剂，还是黄泥灌浆，均顺底板流走，不易包裹这些遗煤，这些遗煤长期氧化，易自然发火。

（3）矿井为近距离特厚煤层开采，采空区的上部有9#煤层采空区，两层采空区层间距仅3.5m左右，在开采10#煤层的021005 工作面时，形成了地表→9#煤层90201 采空区→10#煤层021005 采空区→021005 工作面回风流的漏风。这个漏风通道在021005工作面的强大负压作用下长期漏风，使采空区浮煤易自然发火。

解决的方法与对策：

（1）针对黄白茨煤矿所采的长焰煤为易自然发火煤层，其最短发火期为40～50d，该矿采取了向采空区注氮来惰化采空区，减缓遗煤氧化的过程。

（2）针对工作面的采空区内留有的遗煤，而且遗煤呈立体分布，位置较高，不管是洒阻化剂，还是黄泥灌浆，均顺底板流走，不易包裹这些遗煤，这些遗煤长期氧化，易自然发火的实际情况该矿采取了加快工作面回采速度，同时在工作面上、下隅角打砂袋的方法减少向采空区的漏风量。

（3）针对矿井为近距离特厚煤层开采，采空区的上部有9#煤层采空区，两层采空区仅3.5m 垂高的实际情况该矿采取了均压通风防灭火的方法来进行治理收到了良好的治理效果。

3 注氮防灭火技术的实践与应用

3.1 注氮防灭火技术的工作原理

（1）注氮防灭火原理。向采空区注入氮气以防灭火的工作原理是消除燃烧的三个元素中的氧气元素，即实现一种可燃物与氧气的屏蔽和隔离。当氧浓度低于10%～12%时，所有火焰燃烧将被熄灭；而当氧浓度低于2%时，低温干馏燃烧将被熄灭。利用惰性气体惰化防止火灾和气体爆炸的过程称为惰化。惰化后的火区由于供氧量不充分而无法爆炸和燃烧。氮气防灭火技术是指将氮气送入灭火区域，使该区域的空气惰化，使氧气浓度低于煤自燃的临界氧气浓度，从而防止煤被氧化，从而窒息现有火区的防灭火技术[10]。

（2）氮气防灭火的特点。

①通过管道运输，运输方便，节约用水。

②氮比空气轻，可以充满封闭区域的所有空间，这对于防治和扑灭工作面上部和巷道顶棚区域的火灾特别有利。

③灭火过程中不损坏井巷设备，使灾后恢复工作简单。

④氮气本身无毒，使用安全。

⑤使用方便，投入防灭火速度快，采空区有发火征兆时，只需开启阀门，便可迅速向采空区注入氮气。

⑥灭火速度快，能迅速降低封闭区的氧含量使火区窒熄。

⑦目标注氮时，能迅速降低巷道冒顶区的一氧化碳含量，保证灭火人员的安全。

⑧能提高火区内气体压力，减小火区漏风。

3.2 注氮防灭火技术的应用

黄白茨煤矿的氮气防灭火系统由制氮机、输氮管路和采空区钻孔套管组成。在地面采用了两台DT1000型中空膜分离型制氮机同时向运行，向井下源源不断地供给纯度为98.5%的氮气。021005 工作面采用“U”型通风方式，将注氮管从该工作面上隅角输送到采空区，从而达到抑制遗煤自燃的目的。

（1）制氮机。在地面设置两台DT1000型中空膜分离型制氮机制氮机。制氮机的参数为：氮气产量1200×2Nm3/h；氮气纯度≥98%；出口压力0.5～0.7MPa；起动时间40min；装机容量2×360kW。

两台制氮机同时运转，可以满足矿井治理CO超限需要。

（2）输氮管路。输氮管直径按公式（1）计算[11]：

式中：Q——最大输氮流量，40m3/min；

D——注氮管路最小直径，mm;

V——管道内氮气允许流速，当氮气压力为0.3～0.6MPa时，为25m/s。

将以上数据代入式（1），算出D=183mm。

故矿井的输氮管路选取为Φ210mm的无鏠钢管1趟。

（3）确定采空区合理防火注氮流量。根据理论计算和矿井工作面防灭火与注氮的实际研究，确定了采空区防灭火合理的注氮量。确定了防灭火注氮流量的计算与工作面的产量、风量、采空区的体积、气体排放量等因素有关。

根据氧气含量计算防灭火氮气注入流量[12]：

式中：Q0——采空区氧化带内漏风量，工作面风量为1200m3/min，取Q0为12m3/min；

C1——采空区内氧化带平均氧含量，取15%；

C2——采空区氧化带防火惰化指标，取7%；

Cn——注氮防火时氮气纯度，取98%；

k——输氮管路损失系数，为1.1～1.2，取1.1；

n——工作面推进度系数，40～90m/月为1，大于90m/月取0.9，取1；

r——煤层自然发火期，1～3 个月为1.2，3～6 个月为1，6个月以上为0.8，取1；

e——防灭火用途，防火取1，抑制高浓度CO 取为1.8。

采空区治理高浓度的CO 超限所需注氮流量取为2300m3/h。

（4）注氮防灭火工艺。由于地表存在漏风，采空区浮煤较多，工作面采空区漏风也比较严重，使采空区隋化欠帐较多，因此需保持采空区大流量注氮，矿井1号、2号制氮机全部注入井下采空区。

由于工作面风量较大，因此，采空区采用埋管注氮的方法，具体情况是：沿工作面进风口埋入一根Ø108mm的钢管。随着工作面的前进，钢管被埋在采空区的进风口一侧，当埋管进入采空区35m时开始注氮，埋管步距为35m，埋管进入采空区90m时断掉此埋管，替换为另一个用于氮气注入的注氮管，这样在采空区的氧化区域中总会埋有两条管道。尽管此方法浪费了大量管道，但它可以将氮气注入采空区的深部。适用于大风量，采空区冷却带宽大或采空区涌水量大的工作面或者该工作面具有较大的风量。因此，采空区的埋管注氮是注氮防灭火技术的首选方案。为了防止采空区中的水涌入埋管，将埋入管的出口端做成45°弯头，氮的出口端比采空区底板高0.5m，如图1 所示。当埋管正在注入氮气时，必须确保在采空区中总有35～90m范围内的2个注氮管，以确保将氮气注入采空区氧化区域。因此，当第一个埋入管进入采空区35m时，第二个氮气注入管应立即埋入。

图1 021005工作面采空区埋管注氮示意图

4 注氮防灭火效果分析

自从2019年10月份黄白茨煤矿90204综放工作面上隅角出现CO以来矿方积极采取注氮防灭火措施，收到了良好的防灭火效果。2019 年10 月31 日该矿实行注氮防灭火后，累计向该工作面采空区注氮113.4×104m3，有效地抑制了采空区CO 向上隅角和回风顺槽涌出，工作面上隅角CO 气体浓度从16ppm 左右降到0ppm，保证了工作面的安全生产。

5 结论

由黄白茨煤矿021005综放工作面实施注氮防灭火措施收到良好的使用效果可知，注氮防灭火技术是一项成本低廉、制作方便、工人劳动强度低、效果明显、安全可靠的防灭火技术，在煤矿现场得到了广泛地推广和应用，但是必须值得注意的是必须结合煤矿现场实际情况采取注氮防灭火技术，并且该技术与其他防灭火技术有机结合使用效果会更好。