梁志明

(內(nèi)蒙古同煤鄂爾多斯礦業(yè)投資有限公司)

1 火區(qū)概況

(1)煤層特征。煤層頂?shù)装逯饕獮榉凵皫r，煤質(zhì)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(qū)特點。由于工作面初采期間回采率低，采空區(qū)含有較多的浮煤;工作面推進一段距離后，采空區(qū)側(cè)并未壓實，存在漏風(fēng)現(xiàn)象。

(3)采空區(qū)粒度及空隙率分布。煤體粒度和空隙率主要受礦壓、地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響，經(jīng)測量，采空區(qū)粒度及空隙率詳見表1。

表1 采空區(qū)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(huán)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(xiàn)燃燒現(xiàn)象［1］。因此，可通過向空區(qū)中注入惰性氣體，降低空氣中氧氣濃度，可實現(xiàn)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(wěn)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(jīng)濟成本低;⑤基本上不會對環(huán)境造成污染［4］。

2.2 采空區(qū)三帶劃分

根據(jù)煤的自燃情況，采空區(qū)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(fēng)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(fā)火期，則極易出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。將氮氣通過一定的方式送到該區(qū)域，以排出該區(qū)域的氣體，使其處于一種低氧或無氧環(huán)境。

圖1 采空區(qū)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?jié)舛葹?% ～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(qū)注入適量氮氣，不但能降低該區(qū)域內(nèi)的瓦斯?jié)舛龋蛊涞陀?%，還能使區(qū)域內(nèi)的氧氣濃度低于12%，既能防止區(qū)域內(nèi)的浮煤自燃，也有效避免了瓦斯爆炸［6］。

(2)減少漏風(fēng)。采空區(qū)發(fā)火的一個重要原因就是漏風(fēng)，向采空區(qū)注氮氣后，采空區(qū)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(fēng)。

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

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

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

3 氮氣防滅火系統(tǒng)

本礦井氮氣防滅火系統(tǒng)的組成部分主要有:制氮設(shè)備、輸?shù)苈?、注氮設(shè)施。

3.1 制氮設(shè)備

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

表2 制氮設(shè)備的性能參數(shù)

3.2 輸?shù)苈芳霸O(shè)施

輸?shù)苈废到y(tǒng)的確定需要綜合考慮各種因素，如礦井開拓系統(tǒng)、采場相關(guān)情況等。此外，管路系統(tǒng)的布置還應(yīng)考慮到行人安全、后續(xù)安全維護、管路材料及其成本等。

輸?shù)懿挠衅胀ㄤ摴芎蜔o縫鋼管，其直徑根據(jù)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(shè)方式，井下主管路段采用托架架設(shè)方式，工作面順槽段采用沿地敷設(shè)方式。

井下運輸槽段輸?shù)苈仿裨O(shè)從開切眼開始，在煤柱側(cè)埋入采空區(qū)，前端處應(yīng)接堵頭花管，確保花管以斜向上的角度指向采空區(qū)，此外，為防止注氮口堵塞，應(yīng)采取木垛保護。工作面每推進30 m，埋設(shè)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(qū)采取移動式埋管注氮工藝，使氮氣出口伸入采空區(qū)側(cè)約26 m。

4 火區(qū)注氮有關(guān)參數(shù)

4.1 注氮條件

(1)防火注氮條件。自燃區(qū)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(fā)火期，d。

結(jié)合對采空區(qū)三帶的觀測結(jié)果，確定自燃帶距工作面最長距離(Lmax)及工作面自燃區(qū)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(qū)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(jié)合工作面采空區(qū)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(fā)火次數(shù)較少，因而采取單純滅火注氮方式，即當?shù)V井發(fā)生火災(zāi)時，首先封堵火災(zāi)區(qū)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(qū)注氮量

注氮量的確定主要考慮以下因素:①工作面進風(fēng)流中的氧氣濃度在19%以上;②采空區(qū)氧化帶氧氣濃度在10%以內(nèi);②采空區(qū)或工作面上隅角CO的含量較大，則應(yīng)加大注氮量。采空區(qū)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(chǎn)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?shù)?，?.9;η2為注氮防火效率，取0.65;C1為采空區(qū)平均含氧量，取20.9%;C2為采空區(qū)防火惰化指數(shù)，取7%。

將該礦參數(shù)代入式(3)，計算得采空區(qū)注氮量Qn=1800 m3/h。

5 效果分析

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

6 結(jié)語

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

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