摘 要：煤礦井下火災是威脅煤礦安全生產(chǎn)的災害之一，而煤層自燃是引起井下火災的主要原因。文章通過對氮氣防滅火技術在煤礦領域的應用介紹，得出結論：氮氣防滅火技術是煤礦防滅火的合理、有效方法。

關鍵詞：煤礦；氮氣；防滅火；制氮機

1 概述

煤礦井下火災產(chǎn)生的原因主要有兩類，一類是煤層自燃發(fā)火，另一類是由于井下明火、放炮、電流短路、摩擦等其他原因引起的火災。其中煤層自燃發(fā)火是主要原因，所以應重點防范。目前煤礦井下常用的防滅火技術很多，主要有：堵漏、均壓、惰氣、惰泡、三相泡沫、阻化劑、霧化阻化劑、惰化阻化劑、灌漿、膠體防滅火技術等。其中惰氣滅火一般是指向井下采空區(qū)（或發(fā)火區(qū)）注入惰性氣體—氮氣，降低氧氣濃度，阻止采空區(qū)煤炭氧化自燃，同時提高采空區(qū)壓力，使其成正壓狀態(tài)防止新鮮風流漏入采空區(qū)、降低采空區(qū)溫度，以達到采空區(qū)內(nèi)防滅火的目的。

采用氮氣防滅火具有很多優(yōu)點，但必須遵循以下幾點要求才能達到良好的防滅火效果：（1）產(chǎn)氮量充足，穩(wěn)定可靠的氮氣源；（2）氮氣濃度不小于97%；（3）至少應安裝一套專用的氮氣輸送管路及其附屬安全設施；（4）因地制宜選擇合適的注氮工藝和方式；（5）選擇合適的注氮地點。（6）注氮時要有完善的氣體成分、空氣溫度監(jiān)測手段，并設專人進行定期觀測。下面作者就結合以上六點要求，以某礦井下氮氣防滅火為例對煤礦氮氣防滅火技術的應用進行簡介。

2 注氮量確定

某礦井生產(chǎn)規(guī)模4.00Mt/a，井下共布置兩個回采工作面，開采煤層屬于易自燃煤層。目前計算注氮量的方法主要有兩種，分別是按產(chǎn)量計算、按噸煤注氮量計算，通過以上方法分別計算注氮量，然后取其最大值為礦井需要的注氮量。

2.1 按產(chǎn)量計算

QN=[A/）1440ρtη1η2）]×）C1/C2-1）=14.27m3/min=856m3/h

式中：QN-注氮流量，m3/min；A-年產(chǎn)量，t，取4.0Mt/a；t-年工作日，取330d；ρ-煤的密度，t/m3，取1.44t/m3；η1-管路輸?shù)?，?5%；η2-采空區(qū)注氮效率，取85%；C1-空氣中氧濃度，取20.8%；C2-采空區(qū)防火惰化指標，取7%。

2.2 按噸煤注氮量計算

QN=5AK/330×60×24=39.14m3/min=2348m3/h

式中：K-工作面回采率，取93%。

2.3 注氮量的確定

根據(jù)上述計算，取QN=2348m3/h為礦井注氮量，確定礦井最大注氮量為：

QNmax=k×QN

式中：k-安全備用系數(shù)，取1.2，則：

兩個工作面產(chǎn)量為4.00Mt/a時，QN=1.2×2348m3/h=2818m3/h。

3 制氮設備

結合目前國內(nèi)礦井使用的制氮設備情況，按布置形式分類可分為地面固定式、地面移動式和井下移動式三種制氮系統(tǒng)，其中地面固定式制氮系統(tǒng)成本低、管理方便，設備工作環(huán)境好、使用壽命長，總投資省，使用最為廣泛。目前煤礦制氮設備國內(nèi)應用較多的主要有變壓吸附制氮機和膜分離制氮機兩種。變壓吸附制氮機利用氧氮吸附能力的不同，采用加壓吸附，降壓解吸，達到分離，制取氮氣；膜分離制氮機是根據(jù)不同氣體分子在膜中的溶解擴散性能的差異來完成空氣分離。兩種制氮設備都具有工藝流程簡單，設備少，在常溫較高壓力下操作，不會造成碳氫化合物的局部聚集，氣體產(chǎn)品產(chǎn)量、氮氣純度可調(diào)，使用靈活方便等優(yōu)點。但膜分離制氮機關鍵部件需要進口，設備投資高，而變壓吸附制氮機產(chǎn)氣成本較低，且設備結構簡單，維護保養(yǎng)技術難度低，費用也低?；谠O備運行安全可靠的原則，結合投資、運行和維護費用等因素，推薦采用地面固定式變壓吸附制氮設備。

根據(jù)計算所需注氮量2818m3/h，選用3套KGZD-1500型地面固定式變壓吸附制氮設備，其中2套工作，1套備用。該系統(tǒng)采用碳分子篩變壓吸附技術，具有人性化的人機界面，智能化全自動控制，按鍵即可產(chǎn)出高純氮氣，無需專人看管，安裝簡便，不需特殊設備基礎，平整地面即可安裝，可靠安全性高，運行成本和維護費用低。每套制氮設備主要技術參數(shù)如下：產(chǎn)氮量1500Nm3/h，氮氣純度97%，輸出壓力0.6MPa，機組總功率約530kW，電壓10kV。

4 輸?shù)苈?/p>

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第二百三十八條規(guī)定，“在采用氮氣防滅火時，必須遵守下列規(guī)定：（三）至少有1套專用的氮氣輸送管路系統(tǒng)及其附屬安全設施?！痹O置1套專用的氮氣輸送管路，氮氣經(jīng)由制氮站至進風立井井筒敷設的主管（？準273×7）、帶式運輸機大巷的干管（？準194×6）以及回采工作面膠帶運輸巷的支管（？準133×4）送至回采工作面。

根據(jù)《煤礦井下氮氣防滅火技術規(guī)范》：“地面、井下制氮設備的供氮壓力，其管路末端的絕對壓力應不低于0.2MPa”。經(jīng)校核管路末端壓力滿足要求。輸?shù)苈凡捎梅ㄌm聯(lián)接，管路做防腐處理，另外管路應做氣密性試驗，防止氮氣泄露造成井下人員窒息。為便于控制井下的氮氣輸送，在管路的分、支點處和末端均裝設閘閥。

5 注氮工藝和方法

注氮工藝主要有埋管注氮和托管注氮，另外還有鉆孔、插管、密閉注氮。埋管注氮是在回采工作面的進風側沿采空區(qū)埋設一趟注氮管路，當埋入一定深度后開始注氮，同時又埋入第二條管路，當?shù)诙l注氮管口埋入采空區(qū)氧化帶與冷卻帶的交界部位時即向采空區(qū)注氮，同時停止第一條管路的注氮，并又重新埋設注氮管路，如此循環(huán)，直至工作面采完為止。托管注氮在工作面的進風側沿采空區(qū)埋設一定長度的厚壁鋼管作為注氮管路，管路利用回柱絞車牽引等方式隨著工作面的推進移動，使其始終埋入采空區(qū)一定的深度。根據(jù)對火情的預測情況可采取的注氮方法有連續(xù)和間斷注氮。注氮地點應選擇在進風側或靠近火源，工作面采空區(qū)注氮管口應處于采空區(qū)氧化帶內(nèi)。綜合以上工藝和方法，選擇在采空區(qū)進行拖管連續(xù)注氮。

6 束管監(jiān)測

建立了合理的注氮系統(tǒng)同時還應設置火災束管監(jiān)測系統(tǒng)。束管監(jiān)測系統(tǒng)由工控機、地面抽氣泵、氣體采樣控制柜、束管專用色譜儀、分析儀器柜、色譜數(shù)據(jù)處理器、輸出控制器、工業(yè)控制型微機等設備和井下束管、分路箱等組成，并配置系統(tǒng)分析控制軟件。通過束管取樣，分析采空區(qū)、密閉區(qū)及巷道中的氣體成分和濃度，可實現(xiàn)對自燃發(fā)火情況的早期預測，為火區(qū)啟封及確定工作面采空區(qū)的注氮量提供依據(jù)。

7 結束語

氮氣防滅火是煤礦防滅火的合理、有效方法。建立安全、可靠的注氮系統(tǒng)并加強對火情的提前預測是遏制煤礦井下煤層自燃發(fā)火，確保煤礦安全生產(chǎn)的有力措施。

參考文獻

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[3]王洪義，宋艷蘋.氮氣防滅火技術在平頂山礦區(qū)的應用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2009（6）：49-51.

作者簡介：秦博（1982-），男，陜西眉縣人，工程師，中國礦業(yè)大學機械工程及自動化專業(yè)畢業(yè)，現(xiàn)在北京華宇工程有限公司西安分公司從事礦山機械設計工作。