鉆孔注氮防滅火技術(shù)在煤礦中的實踐探究

張鵬飛

摘 要：為了保證煤礦生產(chǎn)的安全，有必要全面防范與控制采空區(qū)煤體自燃的現(xiàn)象。本文充分結(jié)合平煤十二礦項目中斜井-立井混合開拓的煤礦井田，介紹了注氮防滅火技術(shù)的基本原理。通過注氮設(shè)備、技術(shù)指標(biāo)與鉆孔設(shè)計的分析，說明了在煤礦生產(chǎn)與實踐過程中注氮防滅火技術(shù)的工藝要求。文章指出氮氣的穩(wěn)定性給防滅火技術(shù)提供了強(qiáng)大的支持，將氮氣用于煤礦防滅火可以到達(dá)良好的防爆炸、窒熄以及降溫冷卻的效果，是煤礦井田安全生產(chǎn)的重要保障。文章對于推行氮防滅火技術(shù)以及指導(dǎo)煤礦技術(shù)操作具有一定的積極作用。

關(guān)鍵詞：注氮；防滅火技術(shù)；煤礦井田；基本原理；技術(shù)指標(biāo)；鉆孔設(shè)計；工藝要求；效果

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.015

0 引言

礦井中最為常見的災(zāi)害之一當(dāng)屬火災(zāi)，礦井火災(zāi)將直接威脅相關(guān)工程項目的安全生產(chǎn)，是造成資源破壞、經(jīng)濟(jì)損失以及人員傷亡的重要因素之一。目前，在礦井生產(chǎn)中發(fā)生的火災(zāi)大部分是因礦井自身原因引起的，特別是采空區(qū)遺煤以及松散煤柱自燃已經(jīng)成為了發(fā)生礦井火災(zāi)的主要原因之一。對于這類現(xiàn)象，如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行及時治理，不僅會造成煤炭資源的大量浪費，還會嚴(yán)重阻礙我國煤礦的安全、高效生產(chǎn)。盡管對于煤礦火災(zāi)的預(yù)防已經(jīng)積累一定的經(jīng)驗，也存在一定的處理辦法，但是對于易自燃煤層還達(dá)不到理想的防治效果。因此，有必要引入防滅火技術(shù)以避免煤層自燃。本文將對鉆孔注氮防滅火技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用作具體的介紹。

1 礦井及工作面概況

平煤十二礦主要涉及到斜井-立井混合開拓的煤礦井田，主采北三采區(qū)12#、16#煤層。該煤礦井田屬于瓦斯礦井，共有4個井筒，其每分鐘瓦斯絕對涌出量為5.49立方米。12#、16#煤層都屬于II類自燃煤層，其自然發(fā)火期最短分別為59天、63天。

2 注氮防滅火技術(shù)的實踐

2.1 注氮防滅火技術(shù)的機(jī)理

在一般環(huán)境中，氮氣性質(zhì)通常相對穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，其基本上不會和任何化學(xué)元素發(fā)生反應(yīng)。氮氣密度與空氣接近，可以比較勻稱在采空區(qū)擴(kuò)散，其不具有燃燒性，也不能助燃。氮氣不容易產(chǎn)生分層現(xiàn)象，極少因為焦煤巖石的吸附作用而產(chǎn)生虧損。因此，在煤礦的生產(chǎn)開發(fā)過程中經(jīng)常將氮氣用于防滅火具中，其滅火機(jī)理主要有以下三點：

（1）氮氣具有良好的防爆防炸性。在溫度較低的環(huán)境中，氮氣不會與任何可燃性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在高溫環(huán)境中，氮氣的組成成分也不會受到影響。所以，在采空區(qū)注入氮氣可以有效沖淡其他氣體，使可燃性氣體的濃度和氧氣的單位含量迅速下降，隨著采空區(qū)的惰化，可燃性氣體將逐漸失去可爆性，這樣便達(dá)到了防爆炸的目的。

（2）氮氣能夠?qū)崿F(xiàn)有效窒熄。為了使相鄰采空區(qū)遺煤帶以及復(fù)合采空區(qū)氧化帶發(fā)生惰化，可以通過鉆孔對相鄰采空區(qū)遺煤帶進(jìn)行氮氣的預(yù)防性注入，讓火區(qū)含氧量越來越少，最后因為氧氣的不足而逐漸熄滅。隨著氮氣的注入，防火區(qū)域的防火效果會愈加明顯，采空區(qū)氧化帶的范圍也會逐步縮小，這樣便可以有效抑制綜放工作面復(fù)合采空區(qū)氧化帶發(fā)生自然發(fā)火的現(xiàn)象。

（3）氮氣能夠達(dá)到很好的降溫冷卻效果。高溫氣體或是常溫氣體一旦遇上低溫的氮氣，其大量的熱量將會被氮氣吸收。因此，氮氣較好的冷卻作用可以使環(huán)境溫度逐漸下降。一般來講，氮氣溫度越低，所產(chǎn)生的交換熱就越多。所以，溫度越低的氮氣其冷卻效果更加顯著。

在科學(xué)技術(shù)不斷突破的社會背景中，注氮防滅火技術(shù)也在大步前進(jìn)。無論是注氮技術(shù)還是注氮工藝或是注氮設(shè)備，其都隨著經(jīng)驗的積累和高新科技的融入而愈加科學(xué)、高效。諸如變壓吸附制氮裝置、深冷空分制氮裝置以及膜分離制氮裝置等都已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各大工程項目中。

2.2 注氮防滅火技術(shù)的工藝

采取最新的空纖維膜分離注氮技術(shù)，利用地面 DM 移動式膜分離制氮機(jī)，該設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)包括：

（1）額定工作壓力為2.3x107Pa，2臺注氮設(shè)備，每小時1000立方米的注氮能力。

（2）6個封孔器，長度為124米，安裝桿長度為36米。

（3）4臺真空啟動器，電纜長度為300米、直徑為0.05米，電源1440伏。

（4）氮氣純度應(yīng)高于97%，含氧量不得超過3%。

氮氣防滅火工藝的關(guān)鍵取決于注氮的位置和所鉆孔的相關(guān)參數(shù)，鉆孔設(shè)計是否科學(xué)，工藝是否到位直接關(guān)系著防滅火的工期和質(zhì)量。按照有關(guān)的施工技術(shù)，本次共需鉆4個孔徑為0.094米的孔，共分為3組進(jìn)行。其中，第1、2個孔為第一組，其鉆孔位置位于集中運輸大巷4#點前52.8米，孔深分別為78米、77米。第二組（第3個孔）鉆孔位置集中運輸大巷4#點前27.7米，孔深為77米。第三組（第4個孔）鉆孔位置集中運輸大巷3#點前46.2米，孔深為80米。

2.3 注氮效果評價

盡管采取了第一時間封閉火區(qū)的措施，并在運輸順槽和回風(fēng)順槽處都設(shè)置了調(diào)壓通風(fēng)設(shè)施，但注氮防滅火技術(shù)的應(yīng)用依然使得氧氣濃度變化明顯。隨著氮氣的不斷注入，封閉火區(qū)內(nèi)的氧氣濃度不斷減少，最終氧含量由原來18.123%下降至2.372%。與此同時，封閉火區(qū)內(nèi)原有的濃度為0.00478%的一氧化碳也在4d時間內(nèi)降至0，這為火區(qū)啟封打下了良好的基礎(chǔ)，并且對礦井的安全提供了強(qiáng)大的支持。另外，通過重新打孔對溫度進(jìn)行了全面監(jiān)測。隨著氮氣的注入采空區(qū)溫度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，由此可見氮氣降溫冷卻效果明顯，對于采空區(qū)煤炭的自燃起到了很好的抑制作用。

3 結(jié)語

文章針對采空區(qū)自燃現(xiàn)象，介紹了鉆孔注氮防滅火技術(shù)在煤礦井田中的實踐情況與使用價值。文章指出氮氣具有良好的防爆防炸性，可以有效實現(xiàn)窒熄，并且能夠達(dá)到很好的降溫冷卻效果在煤礦防滅火中應(yīng)用廣泛。在具體的煤礦生產(chǎn)過程中，應(yīng)結(jié)合施工現(xiàn)場，按照有關(guān)技術(shù)指標(biāo)和工藝要求，科學(xué)合理的進(jìn)行鉆孔，只有這樣才可能最大限度發(fā)揮鉆孔注氮防滅火技術(shù)的功能，為工程項目的安全提供支持與保障。

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