龙东煤矿注氮方案及安全技术措施解析.docx

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龙东煤矿注氮方案及安全技术措施解析

7163采空区注氮方案及安全技术措施

龙东煤矿通风科

2015.12

7163采空区注氮方案及安全技术措施

一、氮气防灭火设计方案

（一）概况：

现我矿开采的7163轻放面所属7#煤层属于容易自燃煤层，该面为大倾角坚硬顶板，推进度受限，放煤管理困难，又因该面大部为俯采段，传统的注浆防灭火方式效果不佳，采空区存在自燃发火的隐患，我矿采取开放式注氮的防灭火方案进行治理。

（二）氮气性质及防灭火原理

氮气在空气中约占78％，是一种无色、无臭、无毒的气体，与同体积的空气重量比为0.97，比空气稍轻。

在标准大气压和绝对温度为273K时，气体的真空密度为1.25g/L。

空气中的氮气在常温下通过空气分离设备，即能分离出氮气。

氮气是不燃烧气体，也不助燃，溶水极微，性质稳定，不易与其它化学元素化合，无腐蚀作用，属于惰性气体。

由于氮的密度接近于空气的密度，因此，气体在采空区内能均匀地扩散，且不易被煤和岩石吸附。

氮气用于煤矿防灭火，主要有以下作用：

（1）窒息作用

在防灭火区域内注入氮气后，使该区域内气体氧的含量降低，增加了气体惰性化阻止了煤炭氧化。

对于火区，则因氧的含量不足而熄灭。

对于防火区域，则缩小了氧化带，扩大了窒熄带，有利地抑制了煤的氧化自燃。

（2）抑爆作用

由于这种气体遇高温（火区）其成分不变，与可燃物质及可燃气体不产生化学反应，所以，注入氮气后冲淡了可燃气体与氧的含量，使其形成惰化气，从而使混合气体失去可爆性。

采用氮气防灭火不仅效果好，而且也较经济，具体有以下优点：

（1）氮气是制氧过程中的另一产品，也可从空气中专门提取，因此来源方便，可供量大，单位产气成本比液态二氧化碳低。

（2）注氮后，氮气可以充满任何形状的有限燃烧空间和预防自燃空间，便于对煤矿采空区深部、高冒之处以及人们难以接近的地点进行防灭火。

（3）使火区气体惰性化，防止瓦斯和煤尘爆炸。

（4）注氮防灭火不损坏和不污染机械设备及井下设施，灭火后恢复工作量少且容易。

氮气灭火的缺点是：

氮气在采空区停滞时间短，在矿井负压作用下易散失。

（三）氮气防灭火工艺

1、我矿氮气防灭火的氮气源由厂家直供，运送至西风井的液氮通过EDM1000防灭火装置转换成气态氮气，经已铺设好的原注浆管路将纯度97%以上氮气注入到7163工作面采空区达到防灭火的目的。

2、具体方案为：

在7163材料道进风隅角处向工作面采空区敷设三趟管路，分别伸进采空区30m、60m、90m左右，在主管路与所敷设的三趟管路接头处设置三通进行控制，注氮严格按照操作规程执行。

综采二队要注意保护好注氮管路，严禁注氮管路被撞开、压扁，影响埋管质量。

（四）注氮气可靠性计算：

1、注氮设备主要技术指标

EDM1000防灭火装置

液化能力500Nm3/h/台

出口压力0.8Mpa

流量1t/h

氮气纯度≧97%

2、输氮系统

液态氮气槽车→转换器→缓冲罐→西风井注浆管路入口→矿井总回风巷→矿井西总回风巷→西一回风巷→西一轨道下山→西一二甩道→7163材料道→7163进风隅角→7163采空区

注氮管路能否满足输氮气要求通过下式计算：

P1﹣P2＝0.0056（Qmax/1000）*L………………①

式中：

P1-管道始端的绝对压力Mpa

P2-管道末端的绝对压力Mpa

Qmax-最大输氮量m3/h

L-管路当量长度Km

L计算式为：

L=

×Li……………………………②

式中：

Do-----基准管径（Do=150mm）

阻力损失系数：

=0.026

Li………………相同直径管路长度km，取1.8km

Di………………实际输氮管路内径mm

………………实际输氮管路直径的阻力损失系数

Di=99mm

=0.0296将以上数据代入②计算：

L=（150/100）×5×（0.0296/0.026）×3.37=28.77km

假设管路末端绝对压力0.2Mpa

将以上数据代入①计算得：

P1=0.0056（1000/1000）×2×28.77＋P2

P1=0.52Mpa

根据以上计算，从西风井到7163采空区的输氮管路长度为3367m的情况下，管路初段压力只需0.52Mpa，便可将1000m3/h的氮气输送到7163采空区内，末端的绝对压力还有0.2Mpa，因此完全满足氮气出口压力0.8Mpa要求。

3、注氮地点安全通风量

根据《煤矿用氮气防灭火技术规范》（MT/T701-1997）第11.2条的规定：

注氮过程中，工作场所的氧气浓度不得低于18.5%，否则应立即停止作业并撤出人员，同时降低注氮流量或停止注氮。

在输氮管路的沿途或工作面，假设1000m3/h的氮气量全部泄漏到巷道里或工作面，是否漏氮气的地区缺氧，其安全通风量大可按下式计算：

Q≧Qn（Cn＋C2－100）/（C1－C2）m3/min

式中：

Q-----安全通风量

Qn------氮气最大泄漏量16.67m3/min

Cn----实际氮气纯度，取值在97～100%

C1——巷道中或工作面原始氧气浓度，一般取20.8%；

C2——工作场所的安全氧浓度指标，18.5%。

计算得：

Q＝16.67×（100＋18.5-100）/（20.8-18.5）

＝135m3/min

根据计算工作面或巷道风量只要是大于135m3/min便是安全的，通风人员应随时检测注氮管路所在巷道及注氮工作面的风量，保证风量处于安全风量以上。

二、供氮能计算与选取

从理论上讲注氮流量越大，防灭火的效果就越好，由于每个矿井的煤层地质条件、开拓开采条件及其它影响因素各不相同，因此确定防灭火注氮流量就成为一个重要问题。

设计时既要充分考虑注氮能力能满足防灭火所需注氮流量要求，又要考虑经济合理性。

工作面防火注氮量的大小，主要取决于采空区的几何形状、氧化带空间大小、岩石冒落程度、漏风量大小及采空区内气体成份的变化等诸多因素。

根据《煤矿用注氮防灭火技术规范》（MTT701-1997）的规定，采用下式计算，其实质是将采空区氧化带内的原始氧气含量降到防火惰化指标以下。

式中：

QN——注氮流量，m3/h；

Q0——采空区氧化带内漏风量，m3/min；采空区氧化带的范围受工作面的通风状况、采空区的冒落等诸多因素的影响而在很大的范围内变化，因此采空区氧化带的漏风量的变化范围也较大，一般按工作面风量的1/60～1/100选取。

该矿7163工作面设计风量为623m3/min，在正常生产期间工作面上下端头均挂设风幛，可有效减少向采空区的漏风，因此，采空区氧化带内的漏风量取值范围在6.23～10.38m3/min，并根据实测数据进行调整；

C1——采空区氧化带内平均氧气浓度，目前国内应用较普遍的是将采空区氧浓度在10～18%之间的区域视为氧化带，因为氧化带的范围不同而平均氧浓度值也不同，一般取15%；

C2——采空区惰化防火指标，其值为煤自燃临界氧浓度，%；煤的自燃临界氧浓度值随煤种、煤质、赋存条件等因素的不同而变化，其范围一般为7%～10%，取7%；

CN——注入氮气的浓度，根据《煤矿安全规程》第238条的规定：

采用氮气防灭火时，注入的氮气浓度不小于97%，因此取97%；

K——备用系数，一般1.2～1.5，现取1.3。

经计算得：

972m3/h≦QN≦1620m3/h。

三、注氮防灭火工艺和方法

1、注氮方式

我矿采取的是开放式注氮，即是在需要注氮的区域未封闭的情况下，进行的一种注氮方式。

在不影响7163工作面正常工作的情况下，利用大量的氮气使得采空区内氧化带的氧含量降低到能使浮煤发生自燃的浓度以下，从而达到防灭火的目的。

开放式注氮适用于推进中的工作面采空区早期自燃的防灭火工作。

2、注氮防灭火方法

连续性注氮——工作面开采初期和停采撤架期间，或因地质原因，或因机电设备原因造成工作面推进缓慢，宜采用连续性注氮。

间断性注氮——工作面正常回采期间，可采用间断性注氮。

我矿在7163工作面正常回采期间采用间断性注氮。

3、注氮防灭火工艺

防灭火注氮地点选择在7163工作面进风侧，注氮释放管口应处于采空区氧化带内。

由于我矿7煤层自燃危险性较大，为保证及时、简便处理7煤层在工作面回采期间发生的自燃隐患，设计采取垮步埋管注氮工艺，即沿工作面运输巷巷道左帮底部埋设一趟注氮管路，其中第一个氮气释放口设在开切眼，其它释放口间距以30m（注氮管口的移动步距暂时选定为30m，可通过实际注氮效果考察进行修正）。

当第一个释放口埋入采空区30m后开始注氮，同时埋入第二趟注氮管路。

当第二趟注氮管口埋入采空区30m后向采空区注氮，同时停止第一趟管路注氮，并又重新埋设注氮管路，如此循环，直至工作面采完为止。

如果发现注氮压力异常或管路堵死，必须立即倒换管路。

氮气释放口应高于底板，注氮口距底板巷道高度应在300mm以上，90°弯拐向采空区，与工作面保持平行；一般情况下，为防止注氮管口被砸或堵塞，尽量用石块或木垛等加以保护，氮气释放口处管路可打1m花眼，并用铁丝网包裹。

注氮管埋设及释放口位置

四、防止向注氮区域内漏风和氮气泄漏的措施

采空区漏风状态决定了氮气在采空区内的滞留时间，同时也决定着间歇性注氮的注氮周期。

采空区漏风强度越小，两次注氮的间隔时间就越长，注氮效果好而且经济。

同时氮气具有气体共同的性质扩散性。

根据气体扩散原理，浓度差是扩散的推动力。

而注入到采空区内氮气要达到防灭火的目的，根据《煤矿安全规程》规定，其浓度应不低于97%，因此，不可避免地将出现采空区氮气向工作面和两巷扩散的现象。

这样，由于氮气泄漏导致采空区氮气浓度降低，从而对采空区防火不利；另一方面，泄漏到工作面及两巷的氮气将污染工作面环境，造成人员的窒息或者瓦斯事故的发生。

所以，必须做好防止向注氮区域内漏风和采空区氮气泄漏的安全措施。

1、工作面上下端头堵漏

为保证向注氮区域内漏风和氮气泄露，首先，在7163工作面进回风隅角吊挂挡风帘，并拆卸锚网索零部件使回风隅角顶煤充分冒落，减少漏风。

同时在工作面回采期间在工作面上下顺槽采取积极的堵漏措施。

即每隔30m在上下端头各搭建一个挡风墙，在挡风墙外部设置挡风帘，挡风墙和挡风帘的施工方式如图所示。

即：

首先沿底板铺设风帘布，而后在风帘布的一端垒设黄泥（沙）袋子墙，墙体宽度1～2m，之后将风帘紧贴袋子墙吊起，把风帘布的另一端利用铁丝挂设在巷道顶板的锚网上，这种方式施工的袋子墙具有很好的堵漏效果。

同时还要加强管理，每班规定专人对挡风墙的质量和挡风帘的悬挂位置进行视察，如出现挡风墙上部不接顶等漏风现象立即组织人员堵漏。

1－回风巷；2—进风巷；3—工作面；4，5，6，7—封堵墙；

8—综采支架；9—采空区

充填材料在工作面上、下隅角封堵示意图

袋子墙和挡风帘施工方式示意图（沿工作面走向垂直剖面）

五、注氮操作办法

1、注氮前必须认真检查各项准备工作，注氮埋管期间通风科要与综采二队密切配合，确保氮气管路及其附属安全装置完好检查各阀门开闭情况是否符合要求。

2、各项工作准备就绪后，注氮操作人员应通知矿调度室。

3、矿调度室同意后，通知采面注氮人员打开注氮阀门，同时通知注氮操作人员进行送氮。

4、注氮设备严格按操作规程进行操作，注氮过程中注氮司机必须坚守岗位，随时注意观察氮气的压力、浓度和机组各处的阀门，保证设备的正常运行。

六、注氮安全措施及注意事项

氮气虽无毒无害，但是井下狭窄的巷道或工作面内大量泄漏会降低空气中的氧气浓度，使人窒息死亡。

因此，必须做好注氮期间的预防和处理措施：

1、为确保安全，注氮前通风科巡查管路人员必须巡查管路完好情况，确认完好后汇报矿调度室。

由调度室通知7163工作面跟班队长和工作面瓦斯检查员后，方可进行注氮。

2、注氮前必须认真检查管路、注氮位置和各阀门开关状态是否符合要求。

3、为防止注氮管路开关被随意打开和关闭应