注氮防滅火技術在黃白茨煤礦的實踐與應用

徐中瑤

（國家能源集團烏海能源有限責任公司黃白茨煤礦，內蒙古烏海016000）

煤礦火災事故是制約煤礦安全生產的主要礦井災害之一，例如2013 年2 月28 日19 時43 分，河北省冀中能源張礦集團懷來艾家溝礦業有限公司井下發生一起重大火災事故，造成13 人死亡，直接經濟損失1425.08萬元[1]。在所有煤礦火災事故中內因火災高達90%左右，外因火災占10%左右[2]。因此我們必須加大煤礦火災事故的防控力度，力爭做到防患于未然。采空區自然發火是煤礦內因火災的主要表現形式，造成采空區自燃發火主要原因是采空區內遺留的大量的煤炭，這些遺留的煤炭有自燃發火傾向時在進入采空區的氧氣與之發生氧化反應產生大量的熱量，當這些熱量有散不出去時就會使得遺留的煤炭升溫，當溫度達到其燃點的時候就會發生自燃[3]。通常防治采空區自燃的方法有均壓防滅火法、采空區注漿法、采空區注氮法、采空區注液態CO2法等方法[4]。采區注氮防滅火技術是一種比較常用的防滅火方法，該方法作為一種比較成熟的防滅火技術在國內外得到了廣泛地應用[5]。注氮防滅火的實質是通過向采空區注入大量的惰性氣體，來惰化火區[6]。通過大量惰性氣體氮氣的注入達到延長遺留煤炭的自燃發火周期，抑制遺留煤炭的燃燒、窒息火源，達到滅火的目的[7]。近幾年我國開采淺埋藏煤層的同煤集團四臺礦、大斗溝礦、同忻煤礦，新疆的韋湖梁礦、寧煤集團白芨溝礦和羊場灣礦、阜新孫家灣礦、汾西煤業的新陽礦、內蒙的東辰礦和俄羅斯的奧礦均采用注氮防滅火技術取得了成功[8]。這一技術只應用于加速封閉火區內火源的熄滅，以后又應用于抑制非封閉采空區里煤炭的自熱或自燃，同時保證工作面正常生產[9]。

1 礦井及工作面概況

1.1 礦井概況

國家能源集團烏海能源有限責任公司黃白茨煤礦位于烏達礦區中部，南鄰五虎山井田，西、北與蘇海圖井田相鄰，東部以烏達逆掩斷層為界，井田南北長3.94km，東西寬1.606km，面積為6.33km2。井田內共有9#、10#、12#、13上2#、13#、15#、16#和17#共8 個可采煤層，其中9#、10#、12#、15#煤層為主采煤層。可采煤層總厚度16.68m，礦井核定生產能力為200×104t/a；該礦通風方式為中央分列式，主要通風機的工作方式為抽出式。礦井由主井、副井、行人斜井、10#風井四個井筒進風，11#回風井排風。2012年黃白茨煤礦的礦井絕對瓦斯涌出量為50.81m3/min，相對瓦斯涌出量為17.45m3/t屬于高瓦斯礦井，因此必須在礦井通風合理的基礎上加強礦井的瓦斯綜合抽放才能確保礦井的安全生產。煤層自燃傾向等級均為Ⅱ類，均屬自燃煤層，煤塵均有爆炸危險性。礦井采掘機械化程度100%。目前12#煤層布置1 個綜采工作面、1 個掘進工作面、10#煤層布置1個綜采工作面、2個掘進工作面。

1.2 工作面概況

021005 工作面位于922 采區南翼區域內，距地表垂深約195～206m，西部為已回采完畢的021003 工作面，東部為021007 回風巷，南部為五虎山井田邊界，北部為922 軌道下山等巷道。021005 工作面煤層厚度2.3m，煤層傾角3°～13°，平均傾角為7°，工作面切眼長度為216m，工作面走向長度為1150m。該工作面采用綜合機械化放頂煤采煤工藝，走向長壁式采煤法，全部垮落法控制頂板。

2 問題的提出

2.1 問題的提出

2019 年10 月份以來黃白茨煤礦021005 工作面回采過程中出現了CO氣體，該工作面上隅角CO氣體濃度為16ppm 左右。經過對工作面和地表的調查，對礦井的自然發火狀況分析如下：工作面采空區浮煤已經開始低溫氧化。

2.2 原因分析

造成021005工作面采空區浮煤低溫氧化的原因如下：

（1）黃白茨煤礦所采的長焰煤為易自然發火煤層，其最短發火期為40～50d，當采空區浮煤長期氧化時，易產生CO氣體。

（2）工作面的采空區內留有一定數量的遺煤，而且遺煤呈立體分布，位置較高，不管是灑阻化劑，還是黃泥灌漿，均順底板流走，不易包裹這些遺煤，這些遺煤長期氧化，易自然發火。

（3）礦井為近距離特厚煤層開采，采空區的上部有9#煤層采空區，兩層采空區層間距僅3.5m左右，在開采10#煤層的021005 工作面時，形成了地表→9#煤層90201 采空區→10#煤層021005 采空區→021005 工作面回風流的漏風。這個漏風通道在021005工作面的強大負壓作用下長期漏風，使采空區浮煤易自然發火。

解決的方法與對策：

（1）針對黃白茨煤礦所采的長焰煤為易自然發火煤層，其最短發火期為40～50d，該礦采取了向采空區注氮來惰化采空區，減緩遺煤氧化的過程。

（2）針對工作面的采空區內留有的遺煤，而且遺煤呈立體分布，位置較高，不管是灑阻化劑，還是黃泥灌漿，均順底板流走，不易包裹這些遺煤，這些遺煤長期氧化，易自然發火的實際情況該礦采取了加快工作面回采速度，同時在工作面上、下隅角打砂袋的方法減少向采空區的漏風量。

（3）針對礦井為近距離特厚煤層開采，采空區的上部有9#煤層采空區，兩層采空區僅3.5m 垂高的實際情況該礦采取了均壓通風防滅火的方法來進行治理收到了良好的治理效果。

3 注氮防滅火技術的實踐與應用

3.1 注氮防滅火技術的工作原理

（1）注氮防滅火原理。向采空區注入氮氣以防滅火的工作原理是消除燃燒的三個元素中的氧氣元素，即實現一種可燃物與氧氣的屏蔽和隔離。當氧濃度低于10%～12%時，所有火焰燃燒將被熄滅；而當氧濃度低于2%時，低溫干餾燃燒將被熄滅。利用惰性氣體惰化防止火災和氣體爆炸的過程稱為惰化。惰化后的火區由于供氧量不充分而無法爆炸和燃燒。氮氣防滅火技術是指將氮氣送入滅火區域，使該區域的空氣惰化，使氧氣濃度低于煤自燃的臨界氧氣濃度，從而防止煤被氧化，從而窒息現有火區的防滅火技術[10]。

（2）氮氣防滅火的特點。

①通過管道運輸，運輸方便，節約用水。

②氮比空氣輕，可以充滿封閉區域的所有空間，這對于防治和撲滅工作面上部和巷道頂棚區域的火災特別有利。

③滅火過程中不損壞井巷設備，使災后恢復工作簡單。

④氮氣本身無毒，使用安全。

⑤使用方便，投入防滅火速度快，采空區有發火征兆時，只需開啟閥門，便可迅速向采空區注入氮氣。

⑥滅火速度快，能迅速降低封閉區的氧含量使火區窒熄。

⑦目標注氮時，能迅速降低巷道冒頂區的一氧化碳含量，保證滅火人員的安全。

⑧能提高火區內氣體壓力，減小火區漏風。

3.2 注氮防滅火技術的應用

黃白茨煤礦的氮氣防滅火系統由制氮機、輸氮管路和采空區鉆孔套管組成。在地面采用了兩臺DT1000型中空膜分離型制氮機同時向運行，向井下源源不斷地供給純度為98.5%的氮氣。021005 工作面采用“U”型通風方式，將注氮管從該工作面上隅角輸送到采空區，從而達到抑制遺煤自燃的目的。

（1）制氮機。在地面設置兩臺DT1000型中空膜分離型制氮機制氮機。制氮機的參數為：氮氣產量1200×2Nm3/h；氮氣純度≥98%；出口壓力0.5～0.7MPa；起動時間40min；裝機容量2×360kW。

兩臺制氮機同時運轉，可以滿足礦井治理CO超限需要。

（2）輸氮管路。輸氮管直徑按公式（1）計算[11]：

式中：Q——最大輸氮流量，40m3/min；

D——注氮管路最小直徑，mm;

V——管道內氮氣允許流速，當氮氣壓力為0.3～0.6MPa時，為25m/s。

將以上數據代入式（1），算出D=183mm。

故礦井的輸氮管路選取為Φ210mm的無鏠鋼管1趟。

（3）確定采空區合理防火注氮流量。根據理論計算和礦井工作面防滅火與注氮的實際研究，確定了采空區防滅火合理的注氮量。確定了防滅火注氮流量的計算與工作面的產量、風量、采空區的體積、氣體排放量等因素有關。

根據氧氣含量計算防滅火氮氣注入流量[12]：

式中：Q0——采空區氧化帶內漏風量，工作面風量為1200m3/min，取Q0為12m3/min；

C1——采空區內氧化帶平均氧含量，取15%；

C2——采空區氧化帶防火惰化指標，取7%；

Cn——注氮防火時氮氣純度，取98%；

k——輸氮管路損失系數，為1.1～1.2，取1.1；

n——工作面推進度系數，40～90m/月為1，大于90m/月取0.9，取1；

r——煤層自然發火期，1～3 個月為1.2，3～6 個月為1，6個月以上為0.8，取1；

e——防滅火用途，防火取1，抑制高濃度CO 取為1.8。

采空區治理高濃度的CO 超限所需注氮流量取為2300m3/h。

（4）注氮防滅火工藝。由于地表存在漏風，采空區浮煤較多，工作面采空區漏風也比較嚴重，使采空區隋化欠帳較多，因此需保持采空區大流量注氮，礦井1號、2號制氮機全部注入井下采空區。

由于工作面風量較大，因此，采空區采用埋管注氮的方法，具體情況是：沿工作面進風口埋入一根?108mm的鋼管。隨著工作面的前進，鋼管被埋在采空區的進風口一側，當埋管進入采空區35m時開始注氮，埋管步距為35m，埋管進入采空區90m時斷掉此埋管，替換為另一個用于氮氣注入的注氮管，這樣在采空區的氧化區域中總會埋有兩條管道。盡管此方法浪費了大量管道，但它可以將氮氣注入采空區的深部。適用于大風量，采空區冷卻帶寬大或采空區涌水量大的工作面或者該工作面具有較大的風量。因此，采空區的埋管注氮是注氮防滅火技術的首選方案。為了防止采空區中的水涌入埋管，將埋入管的出口端做成45°彎頭，氮的出口端比采空區底板高0.5m，如圖1 所示。當埋管正在注入氮氣時，必須確保在采空區中總有35～90m范圍內的2個注氮管，以確保將氮氣注入采空區氧化區域。因此，當第一個埋入管進入采空區35m時，第二個氮氣注入管應立即埋入。

圖1 021005工作面采空區埋管注氮示意圖

4 注氮防滅火效果分析

自從2019年10月份黃白茨煤礦90204綜放工作面上隅角出現CO以來礦方積極采取注氮防滅火措施，收到了良好的防滅火效果。2019 年10 月31 日該礦實行注氮防滅火后，累計向該工作面采空區注氮113.4×104m3，有效地抑制了采空區CO 向上隅角和回風順槽涌出，工作面上隅角CO 氣體濃度從16ppm 左右降到0ppm，保證了工作面的安全生產。

5 結論

由黃白茨煤礦021005綜放工作面實施注氮防滅火措施收到良好的使用效果可知，注氮防滅火技術是一項成本低廉、制作方便、工人勞動強度低、效果明顯、安全可靠的防滅火技術，在煤礦現場得到了廣泛地推廣和應用，但是必須值得注意的是必須結合煤礦現場實際情況采取注氮防滅火技術，并且該技術與其他防滅火技術有機結合使用效果會更好。