楊勝利

(山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司寺河煤礦)

注氮防滅火技術(shù)在晉煤集團(tuán)的應(yīng)用

楊勝利

(山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司寺河煤礦)

寺河煤礦2#井和王臺(tái)煤礦現(xiàn)采的15#煤層為自燃煤層，在開(kāi)采過(guò)程中，采空區(qū)由于長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，導(dǎo)致CO超標(biāo)，容易發(fā)生自燃現(xiàn)象，嚴(yán)重影響作業(yè)人員的安全和工作面的正?；夭伞榇?，該礦在2#井151305綜采工作面提出了注氮防滅火技術(shù)設(shè)計(jì)，在王臺(tái)煤礦也進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。使用結(jié)果表明，降低了CO濃度，保證了礦井的安全生產(chǎn)，也解決了生產(chǎn)銜接問(wèn)題。

注氮機(jī) 防滅火設(shè)計(jì) 應(yīng)用效果

隨著礦井機(jī)械化開(kāi)采程度的不斷提高，工作面掘進(jìn)、回采速度大大增加，條件好的煤層已經(jīng)開(kāi)采殆盡，較難采的煤層中有自燃現(xiàn)象的為一大類。某些礦區(qū)由于所屬礦井在其他煤層開(kāi)采時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)自燃隱患，現(xiàn)階段礦井火災(zāi)防治系統(tǒng)功能較弱，沒(méi)有形成完備的煤層自然發(fā)火防治技術(shù)體系，防滅火裝備滯后于礦井自然發(fā)火安全防治需求，給作業(yè)人員以及煤礦的安全生產(chǎn)帶來(lái)很大隱患。

惰氣防滅火技術(shù)是將窒息性氣體注入采空區(qū)，使采空區(qū)空氣得到惰化，氧氣濃度低于臨界氧濃度遏制煤炭氧化，減低CO濃度，達(dá)到防滅火效果[1-2]，同時(shí)，也可沖淡并降低CH4、O2的濃度,減小其爆炸的可能性[3]。

1 寺河煤礦2#井注氮防滅火設(shè)計(jì)

寺河煤礦2#井位于寺河井田東部，礦井工業(yè)廣場(chǎng)位于晉城市澤州縣川底鄉(xiāng)和村西北部，距晉城市約30 km，礦井核定產(chǎn)能1.93 Mt/a。目前以開(kāi)采9#煤、15#煤為主，其中，151305綜采工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度180 m，可采走向長(zhǎng)度622.7 m，煤層平均厚2.40 m，傾角3°～15°，平均8°，容重1.53 t/m3，煤種為無(wú)煙煤，屬自燃煤層。工作面東為實(shí)體煤(寺河村保護(hù)煤柱)、南、北為實(shí)體煤、西為15#煤北翼盤(pán)區(qū)大巷，煤層自然發(fā)火比較明顯。

1.1 注氮裝置選擇

由于膜分離裝置具有體積小、機(jī)動(dòng)靈活、整機(jī)防爆入井、產(chǎn)氮率高、能耗低、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為煤礦防滅火的理想氣源。DM-1000煤礦用移動(dòng)式膜分離制氮裝置由沈陽(yáng)院生產(chǎn)，由空壓機(jī)段、空氣預(yù)處理段及膜分離段3部分組成。在礦用平板車上分體組裝，三段之間以高壓膠管相連。制氮裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

圖1 煤礦井下用移動(dòng)式膜分離制氮裝置系統(tǒng)示意

空壓機(jī)段由螺桿空壓機(jī)組成，排氣壓力為1.2 MPa；空氣預(yù)處理段(空氣凈化系統(tǒng))是由活性炭罐、四級(jí)過(guò)濾器及系統(tǒng)控制部分組成；膜分離段由數(shù)根膜組件并聯(lián)和調(diào)節(jié)閥門(mén)、壓力儀表、電加熱器等組成。

該注氮機(jī)的注氮壓力大于1.0 MPa，產(chǎn)生的氮?dú)鉂舛却笥?7%，氮?dú)饬髁繛? 000 m3/h。

1.2 供氮能力、輸?shù)苈返挠?jì)算與選取

1.2.1 供氮能力計(jì)算

根據(jù)151305綜采工作面實(shí)際情況，不考慮采空區(qū)瓦斯抽放，供氮能力(1個(gè)工作面注氮量)計(jì)算：

(1)

式中，Q0為采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量，m3/min；C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)平均氧濃度，%；C2為采空區(qū)惰化防火指標(biāo)，其值為煤自燃臨界氧濃度，%；CN為注入的氮?dú)鉂舛龋?；K為備用系數(shù)，取1.2～1.5。

根據(jù)已有參數(shù)計(jì)算,151305綜采工作面所需的供氮能力為：當(dāng)取K=1.2時(shí)，計(jì)算最小供氮量為：QNmin=760 m3/h；當(dāng)取K=1.5時(shí)，計(jì)算最大供氮量為：QNmax=950.4 m3/h.

由采空區(qū)注氮量950.4 m3/h選定膜分離制氮機(jī),流量為1 000 m3/h，滿足151305綜采工作面采空區(qū)注氮防火需求。

1.2.2 輸?shù)苈愤x取

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，輸?shù)苈返闹睆綉?yīng)滿足最大輸?shù)髁亢蛪毫Φ囊骩4]。供氮壓力計(jì)算：

(2)

式中，P2為管路末端的絕對(duì)壓力，MPa(此值不應(yīng)低于0.2 MPa)；Qmax為最大輸?shù)髁?，m3/h；D0為基準(zhǔn)管徑，150 mm；Di為實(shí)際輸?shù)軓?，mm；Li為相同直徑管路的長(zhǎng)度，km；λ0為基準(zhǔn)管徑的阻力損失系數(shù)，0.026；λi為實(shí)際輸?shù)軓降淖枇p失系數(shù)。

對(duì)于井下移動(dòng)注氮系統(tǒng)，輸?shù)苈芬话氵x擇50～100 mm管徑的鋼管:①公稱直徑為100 mm時(shí)，P2=0.2 MPa,Di=100 mm,λi=0.029,根據(jù)式(2)計(jì)算出P1=0.8MPa，在此壓力下的注氮主管的最長(zhǎng)輸?shù)嚯x為L(zhǎng)≈12.6 km;②公稱直徑80 mm時(shí)，Di=80 mm,其他參量不變，根據(jù)式(2)計(jì)算注氮主管的最長(zhǎng)輸?shù)嚯x為L(zhǎng)≈3.9 km;③公稱直徑65 mm,Di=65 mm,λi=0.033,其他參量不變，根據(jù)式(2)計(jì)算注氮主管的最長(zhǎng)輸?shù)嚯x為L(zhǎng)≈1.3 km.

通過(guò)比較，最終選定DN80 mm的鋼管作為151305綜采工作面的輸?shù)苈罚⒌考白⒌獕毫?51305綜采工作面注氮防火要求。

1.3 注氮防滅火工藝和方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合151305綜采工作面的具體情況，此次采用埋管注氮工藝。

(1)注氮方法。在工作面進(jìn)風(fēng)順槽向采空區(qū)預(yù)埋70 mm直徑的鋼管，并將此鋼管同注氮主管路連接，待管口進(jìn)入采空區(qū)氧化帶時(shí)，打開(kāi)注氮閥門(mén)向采空區(qū)氧化帶注氮，以達(dá)到惰化防火的目的。

(2)氮?dú)忉尫趴诘奈恢?。注氮地點(diǎn)優(yōu)先選擇進(jìn)風(fēng)側(cè)，采空區(qū)自燃“三帶”劃定前，按照工作面生產(chǎn)技術(shù)條件(如配風(fēng)量、推進(jìn)度等)，將氮?dú)忉尫趴诘奈恢迷O(shè)定在采空區(qū)內(nèi)距工作面25～75 m 處；待采空區(qū)自燃“三帶”劃定及注氮效果考察后調(diào)整出口，但必須保證不小于0.2 MPa的注氮能力。

(3)氮?dú)忉尫趴陂g距。在采空區(qū)自燃“三帶”劃定前，根據(jù)工作面配風(fēng)量、推進(jìn)度等參數(shù)，初步將技術(shù)方案中注氮口注氮有效半徑設(shè)定為25 m(待“三帶”劃定后重新確定)，釋放口間距為50 m(根據(jù)注氮效果考察結(jié)果調(diào)整)。

(4)氮?dú)忉尫趴谵D(zhuǎn)化周期。首先在進(jìn)風(fēng)順槽距開(kāi)切眼25 m處布置第一個(gè)注氮管，當(dāng)工作面推進(jìn)75 m后，布置第二個(gè)注氮管，隨后每50 m布置一個(gè)注氮管，一直到回采結(jié)束。

當(dāng)回采50 m后，第一個(gè)注氮管開(kāi)始注氮，當(dāng)回采至75 m處，埋入第二個(gè)注氮管，當(dāng)工作面已回采100 m 時(shí)，第一個(gè)注氮管停止注氮，第二個(gè)注氮管開(kāi)始注氮，隨后每當(dāng)工作面推進(jìn)回采50 m就停止上一個(gè)釋放口注氮，開(kāi)始下一個(gè)注氮管注氮。注氮口隨“三帶”同步前移，降低自燃危險(xiǎn)帶的自燃概率。

(5)注氮方式。注氮方式分為連續(xù)式與間歇式兩種，主要取決于采空區(qū)的漏風(fēng)情況、氮?dú)庠谧匀紖^(qū)的滯留時(shí)間和惰化的效果，應(yīng)通過(guò)采空區(qū)采樣分析加以確定[5]。開(kāi)采初期和停采線附近一般采用連續(xù)注氮方式，注氮工藝如圖2所示。

圖2 注氮工藝示意

2 王臺(tái)煤礦注氮效果分析

2.1 注氮防滅火過(guò)程

王臺(tái)煤礦自從發(fā)現(xiàn)CO超標(biāo)開(kāi)始，籌備注氮防滅火工作，并從寺河煤礦2#井調(diào)運(yùn)注氮設(shè)備，由644探巷向XV2214柱式工作面空巷施工注氮孔，該位置注氮可以覆蓋2301，2302，2303，2304，2305工作面的采空區(qū)，具體可見(jiàn)圖3。

圖3 注氮位置及注氮覆蓋區(qū)域

該區(qū)域共設(shè)置了6個(gè)氣體采樣地點(diǎn)，按順序分別是23012巷1#墻、23012巷口防火墻、五盤(pán)區(qū)總回風(fēng)巷防火墻、XV2108巷口 、XV2107巷口 、XV2214斜橫川口。

2.2 注氮效果分析

從12月27日下午開(kāi)始對(duì)XV2214空巷實(shí)施了注氮，截止到次年的1月22日，注氮裝置運(yùn)行良好，能夠保證氮?dú)鉂舛却笥?7%，每天平均注氮約19 000 m3，累計(jì)注氮444 591 m3。注氮工作實(shí)施后，23012巷1#墻測(cè)試點(diǎn)CO濃度從1 193×10-6降低到176×10-6；23012巷口防火墻、五盤(pán)區(qū)總回風(fēng)巷防火墻、XV2108巷口 、XV2107巷口 、XV2214斜橫川口測(cè)點(diǎn)的CO濃度分別從845×10-6、273×10-6、165×10-6、187×10-6、116×10-6降低到0×10-6，見(jiàn)圖4。同時(shí)氧氣濃度也大大降低，平均值約3%左右。

圖4 CO濃度變化曲線

從以上數(shù)據(jù)可以看出，注氮裝置不僅發(fā)揮了良好的產(chǎn)氮、注氮能力，也大大降低了采空區(qū)有害氣體濃度，保障了人員及生產(chǎn)安全。

3 結(jié) 論

(1)對(duì)注氮工藝進(jìn)行了分析，確定了注氮方式、注氮能力、注氮管路尺寸、周期、位置以及間距等。

(2)該項(xiàng)技術(shù)在王臺(tái)礦得到了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，CO超標(biāo)地段氮濃度大幅度降低，氧氣濃度也降到3%左右，解決自然發(fā)火問(wèn)題，治理效果顯著。

[1] 蔣時(shí)才.煤礦防滅火技術(shù)講座 第一講：概論[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，1984(1)：4-5.

[2] 馬漢鵬，王德明，何啟林.注氮對(duì)綜放面采空區(qū)內(nèi)O2的濃度和“三帶”寬度的影響[J].煤礦安全，2006(1)：2-3.

[3] 王俊峰，李有忠.注氮防火時(shí)采空區(qū)氣體變化與“三帶”分布狀況的檢測(cè)[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(6):5-6.

[4] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.MT/T 701—1997 煤礦用氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

[5] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

2015-04-09)

楊勝利(1967—)，男，副礦長(zhǎng)，工程師，048000 山西省晉城市。