煤礦氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)應(yīng)用

摘 要：煤礦井下火災(zāi)是威脅煤礦安全生產(chǎn)的災(zāi)害之一，而煤層自燃是引起井下火災(zāi)的主要原因。文章通過(guò)對(duì)氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用介紹，得出結(jié)論：氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)是煤礦防滅火的合理、有效方法。

關(guān)鍵詞：煤礦；氮?dú)猓环罍缁穑恢频獧C(jī)

1 概述

煤礦井下火災(zāi)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(zāi)。其中煤層自燃發(fā)火是主要原因，所以應(yīng)重點(diǎn)防范。目前煤礦井下常用的防滅火技術(shù)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(shù)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?dú)猓档脱鯕鉂舛龋柚共煽諈^(qū)煤炭氧化自燃，同時(shí)提高采空區(qū)壓力，使其成正壓狀態(tài)防止新鮮風(fēng)流漏入采空區(qū)、降低采空區(qū)溫度，以達(dá)到采空區(qū)內(nèi)防滅火的目的。

采用氮?dú)夥罍缁鹁哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，但必須遵循以下幾點(diǎn)要求才能達(dá)到良好的防滅火效果：（1）產(chǎn)氮量充足，穩(wěn)定可靠的氮?dú)庠矗唬?）氮?dú)鉂舛炔恍∮?7%；（3）至少應(yīng)安裝一套專用的氮?dú)廨斔凸苈芳捌涓綄侔踩O(shè)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(diǎn)。（6）注氮時(shí)要有完善的氣體成分、空氣溫度監(jiān)測(cè)手段，并設(shè)專人進(jìn)行定期觀測(cè)。下面作者就結(jié)合以上六點(diǎn)要求，以某礦井下氮?dú)夥罍缁馂槔龑?duì)煤礦氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)回采工作面，開(kāi)采煤層屬于易自燃煤層。目前計(jì)算注氮量的方法主要有兩種，分別是按產(chǎn)量計(jì)算、按噸煤注氮量計(jì)算，通過(guò)以上方法分別計(jì)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(jì)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)剩?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(biāo)，取7%。

2.2 按噸煤注氮量計(jì)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(jì)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(gè)工作面產(chǎn)量為4.00Mt/a時(shí)，QN=1.2×2348m3/h=2818m3/h。

3 制氮設(shè)備

結(jié)合目前國(guó)內(nèi)礦井使用的制氮設(shè)備情況，按布置形式分類可分為地面固定式、地面移動(dòng)式和井下移動(dòng)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(shè)備工作環(huán)境好、使用壽命長(zhǎng)，總投資省，使用最為廣泛。目前煤礦制氮設(shè)備國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的主要有變壓吸附制氮機(jī)和膜分離制氮機(jī)兩種。變壓吸附制氮機(jī)利用氧氮吸附能力的不同，采用加壓吸附，降壓解吸，達(dá)到分離，制取氮?dú)猓荒し蛛x制氮機(jī)是根據(jù)不同氣體分子在膜中的溶解擴(kuò)散性能的差異來(lái)完成空氣分離。兩種制氮設(shè)備都具有工藝流程簡(jiǎn)單，設(shè)備少，在常溫較高壓力下操作，不會(huì)造成碳?xì)浠衔锏木植烤奂瑲怏w產(chǎn)品產(chǎn)量、氮?dú)饧兌瓤烧{(diào)，使用靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。但膜分離制氮機(jī)關(guān)鍵部件需要進(jìn)口，設(shè)備投資高，而變壓吸附制氮機(jī)產(chǎn)氣成本較低，且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)難度低，費(fèi)用也低。基于設(shè)備運(yùn)行安全可靠的原則，結(jié)合投資、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用等因素，推薦采用地面固定式變壓吸附制氮設(shè)備。

根據(jù)計(jì)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(shè)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(shù)，具有人性化的人機(jī)界面，智能化全自動(dòng)控制，按鍵即可產(chǎn)出高純氮?dú)猓瑹o(wú)需專人看管，安裝簡(jiǎn)便，不需特殊設(shè)備基礎(chǔ)，平整地面即可安裝，可靠安全性高，運(yùn)行成本和維護(hù)費(fèi)用低。每套制氮設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如下：產(chǎn)氮量1500Nm3/h，氮?dú)饧兌?7%，輸出壓力0.6MPa，機(jī)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?dú)夥罍缁饡r(shí)，必須遵守下列規(guī)定：（三）至少有1套專用的氮?dú)廨斔凸苈废到y(tǒng)及其附屬安全設(shè)施。”設(shè)置1套專用的氮?dú)廨斔凸苈罚獨(dú)饨?jīng)由制氮站至進(jìn)風(fēng)立井井筒敷設(shè)的主管（？準(zhǔn)273×7）、帶式運(yùn)輸機(jī)大巷的干管（？準(zhǔn)194×6）以及回采工作面膠帶運(yùn)輸巷的支管（？準(zhǔn)133×4）送至回采工作面。

根據(jù)《煤礦井下氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)規(guī)范》：“地面、井下制氮設(shè)備的供氮壓力，其管路末端的絕對(duì)壓力應(yīng)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(yīng)做氣密性試驗(yàn)，防止氮?dú)庑孤对斐删氯藛T窒息。為便于控制井下的氮?dú)廨斔停诠苈返姆帧⒅c(diǎn)處和末端均裝設(shè)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(jìn)風(fēng)側(cè)沿采空區(qū)埋設(shè)一趟注氮管路，當(dāng)埋入一定深度后開(kāi)始注氮，同時(shí)又埋入第二條管路，當(dāng)?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(shí)即向采空區(qū)注氮，同時(shí)停止第一條管路的注氮，并又重新埋設(shè)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(jìn)風(fēng)側(cè)沿采空區(qū)埋設(shè)一定長(zhǎng)度的厚壁鋼管作為注氮管路，管路利用回柱絞車(chē)牽引等方式隨著工作面的推進(jìn)移動(dòng)，使其始終埋入采空區(qū)一定的深度。根據(jù)對(duì)火情的預(yù)測(cè)情況可采取的注氮方法有連續(xù)和間斷注氮。注氮地點(diǎn)應(yīng)選擇在進(jìn)風(fēng)側(cè)或靠近火源，工作面采空區(qū)注氮管口應(yīng)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(jìn)行拖管連續(xù)注氮。

6 束管監(jiān)測(cè)

建立了合理的注氮系統(tǒng)同時(shí)還應(yīng)設(shè)置火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由工控機(jī)、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(jī)等設(shè)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(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)自燃發(fā)火情況的早期預(yù)測(cè)，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(jié)束語(yǔ)

氮?dú)夥罍缁鹗敲旱V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(qiáng)對(duì)火情的提前預(yù)測(cè)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(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：秦博（1982-），男，陜西眉縣人，工程師，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)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(jī)械設(shè)計(jì)工作。