羊場(chǎng)灣煤礦大采高工作面回收期間的液氮防滅火技術(shù)應(yīng)用

王學(xué)兵 康新榮 徐耀輝

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司羊場(chǎng)灣煤礦，寧夏回族自治區(qū)靈武市，751409）

羊場(chǎng)灣煤礦大采高工作面回收期間的液氮防滅火技術(shù)應(yīng)用

王學(xué)兵 康新榮 徐耀輝

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司羊場(chǎng)灣煤礦，寧夏回族自治區(qū)靈武市，751409）

以羊場(chǎng)灣煤礦120204大采高綜采工作面回收為背景，論述了地表鉆孔注液氮防滅火技術(shù)原理、技術(shù)工藝、井下液氮鉆孔布置情況及地表鉆孔灌注液氮最大允許注氮量。對(duì)比工作面注液氮前后溫度和CO濃度變化情況說(shuō)明實(shí)施的效果，確保了工作面的安全回收。

地表鉆孔 液氮 防滅火 羊場(chǎng)灣煤礦

1 120204工作面概況

羊場(chǎng)灣煤礦是神華寧煤集團(tuán)的主力生產(chǎn)礦井之一，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1500萬(wàn)t／a，礦井共有2個(gè)自然井，兩井生產(chǎn)系統(tǒng)相互獨(dú)立。礦井現(xiàn)開(kāi)采煤層屬易自燃煤層，自然發(fā)火等級(jí)Ⅰ級(jí)，自然發(fā)火期為1～3個(gè)月，最短自然發(fā)火期23 d，煤層自然發(fā)火嚴(yán)重影響著礦井安全生產(chǎn)。

羊場(chǎng)灣煤礦一號(hào)井12采區(qū)下部屬于二級(jí)熱害區(qū)域，平均地溫梯度3～4.5℃／100 m，夏季工作面回風(fēng)流溫度達(dá)34℃。120204工作面是羊場(chǎng)灣一號(hào)井12采區(qū)第四個(gè)大采高綜采工作面，工作面距地表平均垂深481.1 m，工作面走向長(zhǎng)3270 m、傾斜長(zhǎng)300 m，平均煤厚7.4 m，設(shè)計(jì)采高5.6 m。采用 U型后退式通風(fēng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)風(fēng)量1513 m3／min。工作面正常回采期間主要采取 “灌漿、注氮、堵漏、快速回采”等綜合防滅火措施，但隨著礦井開(kāi)采深度增加、開(kāi)采范圍內(nèi)地溫升高等因素影響，工作面收尾回收期間防滅火難題突出。2012年5月22日-6月4日，在120204工作面收尾、回收期間實(shí)施了地表鉆孔輸液氮防滅火技術(shù)，有效抑制了工作面采空區(qū)自然發(fā)火，確保了工作面安全回收。

2 地表鉆孔注液氮防滅火技術(shù)應(yīng)用

2.1 地表鉆孔注液氮防滅火技術(shù)原理

液氮防滅火的機(jī)理主要有3個(gè)方面，一是液氮?dú)饣^(guò)程中，短時(shí)間內(nèi)吸收大量熱量，快速降低采空區(qū)積聚的熱量；二是高濃度氮?dú)鈹U(kuò)散能夠增大采空區(qū)內(nèi)氣體靜壓，減小采空區(qū)漏風(fēng)；三是使采空區(qū)內(nèi)氧化濃度分布范圍明顯回縮，惰化采空區(qū)。

工作面液氮鉆孔需要根據(jù)工作面 “三帶”劃分及火源點(diǎn)位置來(lái)確定，以便保證氮?dú)忉尫趴谖挥诎l(fā)火區(qū)域。通過(guò)地表鉆孔向井下輸液氮時(shí)必須先完成管路預(yù)冷，開(kāi)始流量一般不宜過(guò)大。氮?dú)鈱儆谥舷⑿詺怏w，為保證安全和防火效果，將液氮鉆孔設(shè)在工作面進(jìn)風(fēng)一側(cè)，液氮釋放后，順著漏風(fēng)方向移動(dòng)，可加強(qiáng)防火效果，并有利于安全。

2.2 地表鉆孔注液氮防滅火技術(shù)工藝

地表鉆孔輸液氮防滅火技術(shù)采用神寧煤化工公司附屬產(chǎn)品液氮，利用液氮降溫、惰化的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)防滅火和降溫的目的。地表鉆孔輸液氮防滅火技術(shù)利用快速接頭軟管將液氮槽車(chē)中的液氮經(jīng)地表鉆孔輸送至井下液氮硐室，由減壓閥減壓后通過(guò)不銹鋼液氮管路及煤柱鉆孔注入工作面采空區(qū)，地表鉆孔輸液氮系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 地表鉆孔輸液氮系統(tǒng)工藝流程圖

2.3 井下液氮鉆孔布置

大采高綜采工作面與一般綜采工作面相比，采空區(qū)三帶范圍明顯加大，預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火難度增加。因此，必須通過(guò)縮小 “三帶”范圍為工作面安全推進(jìn)創(chuàng)造條件，而液氮具備加注時(shí)間短、流量大特點(diǎn)，可有效惰化采空區(qū)，縮短采空區(qū) “三帶”范圍。

表1 采空區(qū)自燃 “三帶”劃分表 m

對(duì)采空區(qū)自燃 “三帶”的劃分主要通過(guò)向采空區(qū)預(yù)埋觀(guān)測(cè)管或傳感器，觀(guān)測(cè)采空區(qū)氧氣及其他氣體濃度分布，并據(jù)此推算出漏風(fēng)強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)羊場(chǎng)灣煤礦現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)分析及計(jì)算，可以得到采空區(qū)浮煤厚度分布、氧氣濃度和漏風(fēng)強(qiáng)度分布，然后將采空區(qū)內(nèi)下限氧氣濃度、上限漏風(fēng)強(qiáng)度繪制成等值線(xiàn)，并將其繪制在同一張平面圖上，即得到采空區(qū)自燃 “三帶”。采空區(qū)自燃 “三帶”劃分如表1所示。根據(jù)大采高工作面采空區(qū) “三帶”劃分，將液氮鉆孔 （1＃～3＃）設(shè)計(jì)在采空區(qū)氧化帶距工作面50 m之后，鉆孔間距30 m，隨著工作面推進(jìn)依次通過(guò)120205風(fēng)巷向120204工作面采空區(qū)進(jìn)行施工。鉆孔角度14°，鉆孔終孔距底板1.0 m、孔深40 m，鉆孔具體布置如圖2所示。

圖2 120204工作面液氮鉆孔布置圖

2.4 地表鉆孔灌注液氮最大允許注氮量

開(kāi)放式灌注液氮防滅火工藝要根據(jù)采空區(qū)注氮量全部泄漏到工作面計(jì)算出最大允許注氮強(qiáng)度：

式中：Qmax——按采面回風(fēng)道允許氧濃度18%計(jì)算的采空區(qū)允許最大注氮強(qiáng)度，m3／h；

Q——工作面風(fēng)量，m3／min；

C1——采面初始氧濃度，可取21%；C2——工作面允許氧含量，可取18%。

羊場(chǎng)灣煤礦設(shè)計(jì)風(fēng)量1513 m3／min，停采回收期間，工作面風(fēng)量按照設(shè)計(jì)風(fēng)量的一半左右進(jìn)行分配，具體計(jì)算如下：

120204工作面回收期間機(jī)巷封閉后，工作面形成局部通風(fēng)系統(tǒng)，其配風(fēng)量按照 《煤礦安全規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，并選取如下計(jì)算的最大值：

（1）按人數(shù)計(jì)算：

式中：N——工作的人數(shù)，按最多30人取值。

經(jīng)計(jì)算，Q=120 m3／min。

（2）按瓦斯涌出量進(jìn)行計(jì)算：

式中：q——采煤工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中平均絕對(duì)瓦斯涌出量，取0.91 m3／min；

k——采煤工作面瓦斯涌出不均勻系數(shù)，根據(jù)羊場(chǎng)灣煤礦一號(hào)井2011年度礦井瓦斯及自然發(fā)火等級(jí)鑒定，取1.13。

經(jīng)計(jì)算，Q=103 m3／min。

（3）按最低風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算：

式中：v——煤礦安全規(guī)程規(guī)定采區(qū)進(jìn)回風(fēng)巷的最低允許風(fēng)速，取0.25 m／s；

s——羊場(chǎng)灣工作面平均斷面積，取30.1 m2。

經(jīng)計(jì)算，Q=451.5 m3／min。

因此，120204機(jī)巷封閉后，120204工作面回收期間 （機(jī)巷封閉后）設(shè)計(jì)風(fēng)量取452 m3／min；同理計(jì)算得出，120204工作面支架回收前 （風(fēng)巷封閉前）設(shè)計(jì)風(fēng)量取為770 m3／min。

120204工作面支架回收前 （風(fēng)巷封閉前）最大充許注氮量Qmax=7700 m3／h；120204工作面回收期間 （機(jī)巷封閉后）最大充許注氮量Qmax=4520 m3／h。

由于1 t液氮汽化可以形成約800 m3氮?dú)猓ㄟ^(guò)計(jì)算120204工作面支架回收前最大注液氮量不得超過(guò)9 t／h，120204工作面回收期間最大注液氮量不得超過(guò)5 t／h。

3 實(shí)施效果

為確保120204工作面安全回收，工作面距停采線(xiàn)120 m開(kāi)始，根據(jù)工作面氣體濃度變化和實(shí)際需要，階段性實(shí)施地表鉆孔防滅火技術(shù)，累計(jì)向120204采空區(qū)注液氮228 t。注液氮期間通過(guò)人工采樣、人工檢測(cè)等手段分析，證明實(shí)施地表鉆孔輸液氮防滅火技術(shù)后，工作面支架行人側(cè)及支架尾梁后方溫度可由32℃左右降至28℃左右，工作面注液氮前后溫度變化曲線(xiàn)如圖3所示。

在工作面采取注液氮措施前，100＃支架CO濃度接近0.000024%，上隅角CO濃度甚至高達(dá)0.00008%，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。注液氮期間，CO濃度逐步降低，100＃支架CO濃度始終小于0.000008%，上隅角CO濃度始終低于0.000015%，回風(fēng)流CO濃度始終低于0.000005%，液氮防滅火的效果顯著，有效地抑制了煤的自燃。120204工作面CO濃度變化曲線(xiàn)如圖4所示。

4 結(jié)論

（1）羊場(chǎng)灣煤礦120204工作面實(shí)施地表鉆孔輸液氮防滅火技術(shù)后，工作面回收期間回風(fēng)流CO濃度始終低于0.000005%，防滅火效果顯著，應(yīng)用前景廣闊。

（2）地表鉆孔輸液氮防滅火技術(shù)在保證液氮防滅火效果的同時(shí)，省略了液氮槽車(chē)運(yùn)輸環(huán)節(jié)，有利于礦井安全生產(chǎn)。

（3）地表鉆孔輸液氮防滅火技術(shù)與其他防滅火手段相比，具有工藝簡(jiǎn)單、效果明顯、安全可靠、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是煤礦井下理想的防滅火手段，同時(shí)在節(jié)能減排方面社會(huì)效益顯著。

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Application of fire prevention and extinguishment by liquid nitrogen during recovery of working face with great mining height in Yangchangwan Coal Mine

Wang Xuebing，Kang Xinrong，Xu Yaohui
（Yangchangwan Coal Mine，Shenhua Ningxia Coal Mining Group Co.，Ltd.，Lingwu，Ningxia 751409，China）

Based on the recovery of 120204 fully mechanized working face with great mining height in Yangchangwan Coal Mine，the technical principle，process，layout of underground boreholes for liquid nitrogen injection and the maximum allowable nitrogen injected volume were described.The temperatures and the CO concentrations at working face before and after liquid nitrogen injection were compared.The results showed that the safe recovery of working face was guaranteed.

drilling，liquid nitrogen，fire prevention and extinguishment，ground，Yangchangwan Coal Mine

TD753.2

A

王學(xué)兵 （1971-），男，寧夏平羅人，采煤工程師，1995年畢業(yè)于寧夏煤炭工業(yè)大學(xué)采礦專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任神華寧煤集團(tuán)有限責(zé)任公司羊場(chǎng)灣煤礦通風(fēng)副總工程師，主要從事煤礦 “一通三防”技術(shù)管理工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）