氮氣防滅火技術在采空區自燃治理中的應用*

梁志明

(內蒙古同煤鄂爾多斯礦業投資有限公司)

1 火區概況

(1)煤層特征。煤層頂底板主要為粉砂巖，煤質為特低灰、特低硫等。煤層瓦斯含量為0.01～0.05 mL/g，屬于低瓦斯礦井，但隨著開采的進行，瓦斯含量不斷增加。該煤層著火點為294℃，具有自燃性。

(2)采空區特點。由于工作面初采期間回采率低，采空區含有較多的浮煤;工作面推進一段距離后，采空區側并未壓實，存在漏風現象。

(3)采空區粒度及空隙率分布。煤體粒度和空隙率主要受礦壓、地質構造等因素的影響，經測量，采空區粒度及空隙率詳見表1。

表1 采空區粒度及空隙率

2 氮氣防滅火原理

2.1 氮氣特性

煤的燃燒屬于氧化過程，是在氧氣充足的環境下進行的，若空氣中的氧氣達不到煤燃燒所需要的濃度，則煤不會出現燃燒現象［1］。因此，可通過向空區中注入惰性氣體，降低空氣中氧氣濃度，可實現防滅火的目的［2］。

煤礦防滅火最常用的惰性氣體為氮氣［3］，氮氣具有以下幾種特點:①無色無味，無毒無腐蝕;②不易自燃;③穩定性好(尤其是在震動、熱和電火花作用下);④氮氣制作簡單，經濟成本低;⑤基本上不會對環境造成污染［4］。

2.2 采空區三帶劃分

根據煤的自燃情況，采空區可劃分為三帶［5］(圖1):①不自燃帶;②自燃帶;③窒熄帶。這三帶的寬度主要由以下因素決定:①冒落巖石的壓實程度;②工作面長度;③工作面兩端的風壓差;④工作面的推進速度。若工作面的浮煤進入窒息帶時間較長，且超過煤的自燃發火期，則極易出現自燃現象。將氮氣通過一定的方式送到該區域，以排出該區域的氣體，使其處于一種低氧或無氧環境。

圖1 采空區三帶分布

2.3 氮氣的防滅火作用

(1)消除瓦斯爆炸的危險。瓦斯爆炸的3個充分條件:①瓦斯濃度為5% ～16%;②混合氣體中氧的濃度在12%以上;③有足夠能量的火源。通過向采空區注入適量氮氣，不但能降低該區域內的瓦斯濃度，使其低于5%，還能使區域內的氧氣濃度低于12%，既能防止區域內的浮煤自燃，也有效避免了瓦斯爆炸［6］。

(2)減少漏風。采空區發火的一個重要原因就是漏風，向采空區注氮氣后，采空區與工作面的壓力差會變小甚至為零，從而可很好地控制漏風。

(3)降溫。由于氮氣的溫度大大低于自燃區域的溫度，隨著氮氣在該區域的逐步擴散，區域的溫度會出現明顯的降低。

(4)防止煤氧化和自燃。通過向采空區注入適量的氮氣，降低了該區域的氧氣濃度，使得煤無法達到自燃條件，無法發生自燃。

(5)降低燃燒強度。向已自燃區域注入適量的氮氣，可使得氧氣濃度迅速下降，火區煤的燃燒強度會迅速降低，直至熄滅。

3 氮氣防滅火系統

本礦井氮氣防滅火系統的組成部分主要有:制氮設備、輸氮管路、注氮設施。

3.1 制氮設備

該礦井采用兩套碳分子篩變壓吸附制氮設備，一套正常工作，另一套(工作面發火時使用 )備用。制氮設備性能參數見表2。

表2 制氮設備的性能參數

3.2 輸氮管路及設施

輸氮管路系統的確定需要綜合考慮各種因素，如礦井開拓系統、采場相關情況等。此外，管路系統的布置還應考慮到行人安全、后續安全維護、管路材料及其成本等。

輸氮管材有普通鋼管和無縫鋼管，其直徑根據管道阻力和制氮裝置出口氮氣壓力確定。

制氮站到井口地面段采用地下埋設方式，井下主管路段采用托架架設方式，工作面順槽段采用沿地敷設方式。

井下運輸槽段輸氮管路埋設從開切眼開始，在煤柱側埋入采空區，前端處應接堵頭花管，確?；ü芤孕毕蛏系慕嵌戎赶虿煽諈^，此外，為防止注氮口堵塞，應采取木垛保護。工作面每推進30 m，埋設一個注氮釋放口及支管，若工作面推進到90 m時，則采取移動式埋管方式。

采空區采取移動式埋管注氮工藝，使氮氣出口伸入采空區側約26 m。

4 火區注氮有關參數

4.1 注氮條件

(1)防火注氮條件。自燃區距工作面的最短距離:

式中，ν1為工作面日推進速度，m/d;t1為煤層最短自然發火期，d。

結合對采空區三帶的觀測結果，確定自燃帶距工作面最長距離(Lmax)及工作面自燃區寬度(ΔL)［7］:

若ΔL＞0，則需要采取注氮措施;若 ΔL≯0，則不需要采取注氮措施。

(2)滅火注氮條件。當工作面或采空區達到下列任一條件時，即開始注氮:CO含量不斷增加，且超過50 ×10－6;溫度過高，且超過40℃。

4.2 氮氣釋放口位置

可結合工作面采空區自燃帶距工作面最小距離確定。

4.3 氮氣防滅火注氮方式

本礦由于發火次數較少，因而采取單純滅火注氮方式，即當礦井發生火災時，首先封堵火災區域，而后注氮滅火。與其他注氮方式相比，單純滅火注氮方式可大大減少注氮成本。

4.4 采空區注氮量

注氮量的確定主要考慮以下因素:①工作面進風流中的氧氣濃度在19%以上;②采空區氧化帶氧氣濃度在10%以內;②采空區或工作面上隅角CO的含量較大，則應加大注氮量。采空區注氮量參照式(3)確定［8］:

式中，Qn為氮氣流量，m3/h;A為煤礦年產量，取5 Mt/a;γ為煤密度，取1.31 t/m3;t為年工作日，取300 d;η1為管路輸氮效率，取0.9;η2為注氮防火效率，取0.65;C1為采空區平均含氧量，取20.9%;C2為采空區防火惰化指數，取7%。

將該礦參數代入式(3)，計算得采空區注氮量Qn=1800 m3/h。

5 效果分析

經檢測分析，注氮后火區溫度已基本接近常溫，有毒有害氣體大大減少，滿足相關的基本要求?；饏^面積逐步減小，對井下各生產工作安全沒有任何影響，火區氮氣治理效果較為顯著。

6 結語

結合煤礦采空區火區實際，確定了氮氣防滅火方式，有效地解決了采空區的自燃問題，確保了礦井生產工作的安全順利進行。但由于采場、采空區、影響煤自燃的因素較為復雜，所以，注氮防滅火措施在一定程度上處理火區的效果是有限的，因此，也可在此基礎上，綜合采取注膠等其他措施，可實現更好的防滅火效果。

［1］ 姜 龍.綜合防滅火技術在撲滅綜放工作面火災中的應用［J］.礦業安全與環保，2010(S1):97-98.

［2］ 于樹江，李宗翔，張錦鵬.采空區防火注氮過程的數值模擬與參數確定［J］.黑龍江科技學院學報，2004，14(4):258-259.

［3］ 俞學平，高正強，湯曉東，等.提高注氮防滅火效果的技術應用研究［J］.礦業安全與環保，2007，34(2):31-32.

［4］ 李宗翔.綜放采空區防滅火注氮數值模擬與參數確定［J］.中國安全科學學報，2003，13(5):54-57.

［5］ 董曰喜，王兆喜.新型注氮工藝的研究與實施［J］.山東煤炭科技，2000(S1):143-144.

［6］ 朱紅青，李 峰，張 悅，等.非間隔式注氮防滅火工藝的設計與惰化效果分析［J］.煤礦全，2013，44(2):176-178.

［7］ 梁樹平，周西華，張宏偉，等.液氮降溫防滅火試驗研究［J］.遼寧工程技術大學學報:自然科學版，2010，29(6):1043-1045.

［8］ 郝 宇，劉 杰，王長元，等.綜放工作面超厚煤層注氮防滅火技術應用［J］.煤礦安全，2008(7):41-43.