煤礦氮氣防滅火技術應用

摘 要：煤礦井下火災是威脅煤礦安全生產的災害之一，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

煤礦井下火災產生的原因主要有兩類，一類是煤層自燃發火，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（或發火區）注入惰性氣體—氮氣，降低氧氣濃度，阻止采空區煤炭氧化自燃，同時提高采空區壓力，使其成正壓狀態防止新鮮風流漏入采空區、降低采空區溫度，以達到采空區內防滅火的目的。

采用氮氣防滅火具有很多優點，但必須遵循以下幾點要求才能達到良好的防滅火效果：（1）產氮量充足，穩定可靠的氮氣源；（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

某礦井生產規模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-管路輸氮效率，取95%；η2-采空區注氮效率，取85%；C1-空氣中氧濃度，取20.8%；C2-采空區防火惰化指標，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，取1.2，則：

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

3 制氮設備

結合目前國內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，其中地面固定式制氮系統成本低、管理方便，設備工作環境好、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，氣體產品產量、氮氣純度可調，使用靈活方便等優點。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氣成本較低，且設備結構簡單，維護保養技術難度低，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如下：產氮量1500Nm3/h，氮氣純度97%，輸出壓力0.6MPa，機組總功率約530kW，電壓10kV。

4 輸氮管路

根據《煤礦安全規程》第二百三十八條規定，“在采用氮氣防滅火時，必須遵守下列規定：（三）至少有1套專用的氮氣輸送管路系統及其附屬安全設施?！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《煤礦井下氮氣防滅火技術規范》：“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”。經校核管路末端壓力滿足要求。輸氮管路采用法蘭聯接，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，當第二條注氮管口埋入采空區氧化帶與冷卻帶的交界部位時即向采空區注氮，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，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一定的深度。根據對火情的預測情況可采取的注氮方法有連續和間斷注氮。注氮地點應選擇在進風側或靠近火源，工作面采空區注氮管口應處于采空區氧化帶內。綜合以上工藝和方法，選擇在采空區進行拖管連續注氮。

6 束管監測

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

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、可靠的注氮系統并加強對火情的提前預測是遏制煤礦井下煤層自燃發火，確保煤礦安全生產的有力措施。

參考文獻

[1]煤礦安全規程[S].

[2]MT/T701-1997.煤礦用氮氣防滅火技術規范[S].

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

作者簡介：秦博（1982-），男，陜西眉縣人，工程師，中國礦業大學機械工程及自動化專業畢業，現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。