煤礦液氮防滅火、降溫一體化技術(shù)裝備與應(yīng)用研究＊

馬靈軍 李玉民 周光華 董 偉 史波波

（1.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750011；2.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；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

近年來(lái)，隨著煤炭高強(qiáng)度、集約化開(kāi)采的推廣應(yīng)用，淺部資源日益減少乃至枯竭，我國(guó)煤炭資源開(kāi)采已相繼進(jìn)入了深部開(kāi)采階段。深部煤巖體的力學(xué)行為表征更趨復(fù)雜，煤巖破碎程度更高，破碎范圍大，為自然發(fā)火提供了供氧、蓄熱條件，煤炭自然發(fā)火更加頻繁。隨著采深增加，地溫增高，煤層原始溫度也越高，相應(yīng)自然發(fā)火期縮短。隨著圍巖層溫度的增高，改變了自燃的蓄熱條件，煤體與環(huán)境風(fēng)流溫差進(jìn)一步加大，增大了漏風(fēng)供氧動(dòng)力熱風(fēng)壓，導(dǎo)致煤體自身的耗氧速度和氧化放熱強(qiáng)度增加，最終導(dǎo)致煤體自燃危險(xiǎn)性增大。所以，將礦井防滅火與降溫工作協(xié)同處理，開(kāi)展災(zāi)害防治的技術(shù)與裝備的研究，對(duì)我國(guó)煤礦的安全生產(chǎn)具有重要的示范作用及推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 液氮防滅火、降溫的可行性

液氮具有降溫、抑爆、窒息、安全可靠、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此，液氮作為一種高效的防滅火劑具有可行性，已在我國(guó)煤礦防滅火工作中試驗(yàn)并加以利用。如神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作，應(yīng)用液氮進(jìn)行礦井防滅火工作。

在礦井降溫方面，液氮作為一種冷媒，汽化過(guò)程中需要從外界吸收大量的熱量，即本身釋放出大量冷能。每汽化1Nm3的液氮，空氣可以從中獲得約327kJ的冷能。液氮與其他制冷劑的物性參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 常壓下飽和液氮物性與其他制冷劑的比較

2 防滅火、降溫一體化裝備的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

2.1.1 礦井降溫

礦井降溫采用空浴式的液氮換熱裝置，液氮通過(guò)換熱裝置的管道及星型翅片與礦井中的空氣進(jìn)行熱交換，即液氮通過(guò)該裝置從空氣中吸收熱量，向空氣中釋放冷能。礦用空冷式液氮降溫裝置通常需要安裝于礦井的進(jìn)風(fēng)巷口，或者在需要局部降溫的區(qū)域安裝局部通風(fēng)機(jī)，能夠把冷能帶入工作面，從而達(dá)到給礦井工作面降溫、消除熱害的目的。其流程為：地面液氮儲(chǔ)罐→地表液氮鉆孔→井下液氮硐室→液氮輸送管路→空冷汽化器→降低作業(yè)環(huán)境溫度。

2.1.2 礦井防滅火

在礦井防滅火方面，經(jīng)換熱氣化后的低溫氮?dú)庖徊糠滞ㄍ煽諈^(qū)，另一部分通往礦井的總回風(fēng)巷。為確保安全，在工作面回風(fēng)隅角設(shè)有氧氣濃度檢測(cè)儀，當(dāng)氧含量低于18%時(shí)，關(guān)閉采空區(qū)氮?dú)馇袛嚅y，打開(kāi)進(jìn)入回風(fēng)巷氮?dú)獾那袛嚅y，將多余氮?dú)庖牖仫L(fēng)巷系統(tǒng)，之后經(jīng)回風(fēng)巷排入大氣。經(jīng)與礦井內(nèi)空氣換冷后的氮?dú)獬隹跍囟缺ＷC在0℃以上。其流程為：地面液氮儲(chǔ)罐→地表液氮鉆孔→井下液氮硐室→液氮輸送管路→ （空冷汽化器→低溫氮?dú)狻┕ぷ髅娌煽諈^(qū)防火。

煤礦液氮防滅火降溫系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

2.2 液氮用量的設(shè)計(jì)原則

（1）冷量設(shè)計(jì)用量按照式 （1）的計(jì)算方法得到液氮的灌注量：

式 中：q降溫＊——降 溫 所 需 液 氮 的 灌 注 量，Nm3／h；

Q——礦井所需要的冷量，kJ／h；

cp——空氣的定壓比熱容，kJ／kg℃；

ρ——空氣的密度，kg／m3；

V——礦井的通風(fēng)量，m3／h；

Δt——設(shè)計(jì)的降溫溫度，℃；

H——液氮溫度汽化為某一氮?dú)鉁囟鹊撵手担琸J／kg；

MN2——氮?dú)獾姆肿淤|(zhì)量；

ξ——液氮冷量損耗系數(shù)。

（2）滅火劑設(shè)計(jì)用量按照式 （2）的計(jì)算方法得到液氮的灌注量：

式中：q防滅火＊——防滅火所需液氮的灌注量，Nm3／h；

Q0——采空區(qū)氧化帶漏風(fēng)量，m3／h；

C1——采空區(qū)氧化帶平均氧含量，%；

C2——采空區(qū)氧化帶惰化指標(biāo)，%；

CN2——注入氮?dú)獾臐舛龋?。

（3）最終的液氮用量按照式 （3）得到：

式中：q＊——液氮汽化量，Nm3／h。

圖1 煤礦液氮防滅火降溫系統(tǒng)工藝流程圖

3 羊場(chǎng)灣煤礦的工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 礦井概況

神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)羊場(chǎng)灣煤礦位于寧夏回族自治區(qū)，是一座設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1500萬(wàn)t／a的大型煤礦。其中I、II級(jí)熱害區(qū)大面積存在，平均地溫梯度3～4.5℃／100m，所轄一號(hào)井12采區(qū)下部屬于II級(jí)熱害區(qū)域，采煤工作面開(kāi)采初期氣溫一般為31～34℃，夏季工作面回風(fēng)巷道內(nèi)溫度達(dá)到34℃，相對(duì)濕度達(dá)95%以上，尤其是越深的開(kāi)采工作面，高溫?zé)岷?wèn)題越發(fā)嚴(yán)重。加之所采2＃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23d，著火點(diǎn)為305℃，在地溫及煤自燃災(zāi)害的雙重威脅下，礦井的防滅火難題突出。

120205 工作面位于羊場(chǎng)灣井田一號(hào)井中部，液氮降溫系統(tǒng)運(yùn)行前，120205 綜采工作面配風(fēng)量1346m3／min，工作面距離停采線160m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)風(fēng)流溫度21℃，工作面上口溫度22℃，工作面回風(fēng)流溫度26℃。

3.2 施工參數(shù)的確定

根 據(jù) 式 （3） 計(jì) 算 需 要 液 氮 汽 化 量10400Nm3／h。空冷式液氮汽化器的技術(shù)參數(shù)：汽化流量1300Nm3／h，設(shè)計(jì)溫度-196℃，進(jìn)口溫度-196℃，出口溫度0℃，設(shè)計(jì)壓力2.0 MPa，工作壓力1.6 MPa。為此，需要8 臺(tái)空冷式汽化器。經(jīng)過(guò)熱交換的低溫空氣用2臺(tái)2×45kW 的局部通風(fēng)機(jī)送至120205工作面進(jìn)行降溫。液氮汽化后的氮?dú)獠糠盅毓苈份斔椭凉ぷ髅娌煽諈^(qū)防滅火，剩余的部分通過(guò)管路排至地面。

2012年11月1日-25日，通過(guò)液氮降溫系統(tǒng)連續(xù)注液氮1260t，降溫系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠、降溫效果明顯。液氮降溫系統(tǒng)運(yùn)行期間，在120205工作面共布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置分別為工作面進(jìn)風(fēng)巷、工作面、回風(fēng)巷。以11月1日為例，液氮降溫系統(tǒng)運(yùn)行期間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)溫度計(jì)實(shí)測(cè)，120205 進(jìn)風(fēng)巷溫度可由21℃降至11℃，降溫達(dá)到一定程度后，溫度穩(wěn)定在13℃左右，回風(fēng)流溫度可由26℃降至22℃，工作面平均降溫6℃左右。通過(guò)對(duì)11月13日-21日期間，未灌注液氮的試驗(yàn)對(duì)比可以看出，進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷以及工作面的溫度又重新恢復(fù)至原溫度，說(shuō)明液氮的降溫效果非常明顯，如圖2所示。以11 月1 日-2 日為例，工作面濕度由93%降至83%，降溫后工作環(huán)境得到了明顯改善，如圖3所示。

地表鉆孔輸液氮降溫及防滅火技術(shù)先后在120205工作面實(shí)施后，取得了成功實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)和良好的降溫效果。綜采工作面進(jìn)風(fēng)流溫度可降低9℃，綜采工作面溫度可降低6℃左右；經(jīng)空冷器氣化后的氮?dú)鉁囟鹊陀?℃，氮?dú)鉂舛瘸^(guò)99.99%，與機(jī)械制氮相比具有溫度低、濃度高的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行期間工作面上隅角CO 濃度始終保持在0.00002%以下，采空區(qū) “三帶”范圍明顯縮短，工作面降溫及防滅火效果顯著。

圖2 120205工作面溫度變化曲線

圖3 120205工作面 （11月1日-2日）濕度變化曲線

4 結(jié)論

煤礦工作面采空區(qū)采用液氮防滅火系統(tǒng)，不僅豐富了大采高工作面的防滅火技術(shù)手段，而且為易自燃煤層防治積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)；由于采用副產(chǎn)品液氮進(jìn)行防滅火具有原料充足、價(jià)格便宜、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)能減排方面社會(huì)效益顯著，應(yīng)用前景十分廣闊，值得在條件類似的礦井中推廣應(yīng)用，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

羊場(chǎng)灣煤礦地表鉆孔輸液氮降溫系統(tǒng)電能消耗為零，地表鉆孔注液氮降溫及防滅火工業(yè)性試驗(yàn)項(xiàng)目的成功實(shí)施，提供了一種全新型的集礦井降溫和防滅火為一體的綜合降溫方式，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)千萬(wàn)噸現(xiàn)代化礦井熱害治理空白，為神寧集團(tuán)及國(guó)內(nèi)類似的礦井熱害治理積累了成功經(jīng)驗(yàn)。

［1］ 周福寶 .瓦斯與煤自燃共存研究 （I）：致災(zāi)機(jī)理［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2012 （5）

［2］ 周福寶，夏同強(qiáng)，史波波.瓦斯與煤自燃共存研究（II）：防治新技術(shù) ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2013 （3）

［3］ 董偉，王學(xué)兵，史波波等.開(kāi)區(qū)注液氮防滅火技術(shù)在羊場(chǎng)灣煤礦的研究與應(yīng)用 ［J］.煤炭工程，2011（12）

［4］ 王學(xué)兵，康新榮，徐耀輝.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 ［J］.中國(guó)煤炭，2013 （3）

［5］ 于貴生，王剛，梁運(yùn)濤.液氮技術(shù)在我國(guó)礦井防滅火領(lǐng)域中的應(yīng)用 ［J］.煤礦安全，2012 （10）

［6］ 原芝泉，萬(wàn)鹿貴.液氮防滅火系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2013 （3）

［7］ 原芝泉，萬(wàn)鹿貴 .液氮降溫系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2014 （1）