礦用膜分離制氮裝置的安全應用研究

婁樹宏

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈撫示范區 110172；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 沈撫示范區 110172）

0 引言

當前在煤礦井下綜放開采有自然傾向的厚及特厚煤層時，主要采用礦用膜分離制氮裝置注入氮氣為主的綜合防滅火措施，保障煤礦井下的安全開采[1-2]。礦用膜分離制氮裝置在煤礦井下應用過程中存在氧中毒、著火、觸電、噪聲、帶壓操作等安全問題，影響到井下工作人員人身安全和煤礦的開采效率。因此，對礦用膜分離制氮裝置的安全應用問題進行分析，并提出針對性的安全措施，保證礦用膜分離制氮裝置的安全穩定運行，是非常有實踐意義的。

1 工程概況

山西某煤礦井田位于山西省蒲縣太林鄉，井田面積10.0636 km2，設計開采2～11 號煤層。礦井原設計生產能力90 萬t/a，2020 年核定生產能力150 萬t/a。截至2019 年末，礦井剩余儲量5600.2 萬t，資源儲量3895.4 萬t，礦井剩余服務年限為19.9 年。礦井開拓方式為斜井開拓[3]。目前開采11 號煤層，采煤方法采用走向長壁式采煤法，全部垮落法管理頂板，采用一次采全高綜合機械化采煤工藝。

該煤礦11 號煤層厚度為13～22 m，平均厚度為17 m，自然傾向性為自燃至容易自燃。11 號煤層綜放工作面火災防治的難點主要有：第一，11 號煤層平均厚度達17 m，局部達22 m，工作面推進速度慢；第二，11 號煤層為自燃至容易自燃等級，某些巷道已出現自燃現象；第三，采空區集聚瓦斯易壓出，遇火源容易發生爆炸；第四，注氮設備存在嚴重的安全問題，無法按設計方案實施注氮氣為主的綜合防滅火措施[4]。本文主要是針對該煤礦的礦用膜分離制氮裝置安全應用問題進行分析研究。

2 礦用膜分離制氮裝置

2.1 結構分析

山西某煤礦11 號煤層工作面主要采用的煤礦集團沈陽研究院有限公司的DM-1200/10（L）型礦用移動式膜分離制氮裝置。該膜分離制氮裝置主要由礦用隔爆空壓機組，壓縮空氣預處理和膜分離段（制氮機）構成。礦用隔爆空壓機組由啟動柜、油冷卻器、油氣桶、電機、空壓機主機、排污口、冷卻水入口、冷卻水出口等部件組成；壓縮空氣預處理段和膜分離段主要由防爆控制箱，顯示儀表，活性炭除油器，流量傳感器，溫度傳感器，壓力傳感器，流量調節閥，自動排水閥，流量計，后部冷卻器，電加熱器，AH、AO、AA、AX 精密過濾器，氣動閥，放空閥，防爆電磁閥，手動排污閥，氮氣取樣口，氧氣取樣口，冷卻水入口，冷卻水出口，氮氣出口，空氣進口和膜組件等組成。膜分離制氮裝置結構如圖1 所示。

圖1 膜分離制氮裝置結構

2.2 工作原理

膜分離法制氮是20 世紀80 年代國外迅速發展的一種新型制氮技術，最近幾年才在國內得到推廣。DM-1200/10（L）型膜分離制氮裝置采用了中空纖維膜分離制氮技術，是礦用隔爆兼本安型電氣設備，可在煤礦井下具有瓦斯煤塵爆炸氣體環境中使用，主要用于煤礦防滅火。

工作原理為：空氣經空壓機壓縮后進入除油過濾器和冷干機，壓縮空氣經過除油和去濕作用后進入膜分離裝置，膜分離裝置可對壓縮空氣進行過濾、加熱、分離、冷卻，產出的合格氮氣進入氮氣緩沖罐中，不合格的氮氣排至舷外，同時膜分離裝置中剩余的富氧氣體也由富氧排放風機排至舷外，氮氣緩沖罐用于氮氣臨時貯存和分配，氮氣增壓機將氮氣增壓至一定壓力后供給井下[5]。

3 膜分離制氮裝置在應用過程中的安全問題及措施分析

3.1 氧中毒安全問題及措施分析

當制氮裝置制備的N2濃度達到額定值后，N2通過輸送管道輸至井下防滅火工作區，此時由于N2的充填作用，工作區的O2則會被直接排出，進而O2進入到制氮裝置周圍區域，導致其O2濃度就會逐漸升高。O2是一種非常好的助燃劑，當φ（O2）增至25%時要激起活潑的燃燒反應；當φ（O2）增至27%時，個別火星可發展為活潑火焰，當O2濃度達到一定濃度還會出現“氧中毒”現象。因此，必須重視和防范制氮裝置周圍區域的煙火及“氧中毒”現象[6]。

主要措施：在該煤礦制氮裝置周圍嚴禁煙火；對膜分離制氮裝置安裝區域進行通風，保持空氣的正常流通；沾染油脂的工裝工人當工裝被氧氣飽和后應該立即到室外通風稀釋，防止工裝被氧氣飽和遇明火厲迅速燃燒。

3.2 著火安全問題及措施分析

該煤礦膜分離制氮裝置周圍區域O2濃度較高，存在嚴重的火災安全隱患，易形成油類著火、電氣設備著火等安全事故，造成重大的人身傷害和財產損失。

主要措施：發生著火事故后，第一時間關停膜分離制氮裝置，可有效降低該區域O2濃度；針對不同的著火類型制定相應的防滅火方案；木料著火采用水撲滅，油類著火采用沙子或泡沫滅火器撲滅；電氣設備著火的防滅火方案，第一切斷設備電源，第二采用沙子或CCl4滅火器進行滅火；如工人工裝因氧氣飽和著火，則可以采用絕緣布料把身體裹住，在地上進行往返滾動滅火的方式。

3.3 觸電安全問題及措施分析

該煤礦DM-1200/10（L）型膜分離制氮裝置及相應電器設備使用時，主要輸入性電壓為1140 V、660 V、220 V，具有較高的安全危險性，容易對工作人員造成電擊、電傷等觸電安全問題。

針對觸電安全問題發生的主要原因制定了安全使用電氣設備的措施，主要有：對制氮裝置及相應電器設備進行檢修時必須先關閉電源，再進行后續操作；工作人員在進行檢修作業時必須配帶高壓驗電筆、絕緣手套、絕緣膠鞋；做好電線外部絕緣層破損問題的檢查和維護；定期和不定期對電氣設備接地裝置是否脫開進行檢查；推、拉電氣開關動作要敏捷，做好臉部防護措施；采用手背接觸電動機外殼的方式對溫度進行檢查，以往發生電吸住事故；在電氣開關前應放置1 塊10 mm 厚的橡皮絕緣板；設置并保持安全的電氣距離。

3.4 噪聲安全問題及措施分析

DM-1200/10（L）型膜分離制氮裝置工作過程中產生的噪聲在85～95 dB 之間，從該煤礦統計數據可知，噪聲對人體造成了較為嚴重的聽覺損害，主要表現為引發耳鳴、耳痛、聽力損傷等問題；長期噪聲會引發頭暈、頭痛、記憶力減退、注意力不集中等癥狀；噪聲還會引起植物神經系統功能紊亂的癥狀。

降低噪聲主要措施有在氣體吸、排放口裝上消音器裝置；采用玻璃棉、泡沫塑料等吸音材料對輸氣管道進行包裹；制氮裝置車間工作人員發放并佩帶隔音耳塞。

3.5 帶壓操作安全問題及措施分析

DM-1200/10（L）型膜分離制氮裝置連接管路主要由鋼管焊接、管接頭及閥門組成，裝置運行壓力≥0.8 MPa。裝置啟動前都必須對設備的連接管路進行安裝檢查，防止設備帶壓作業時發生泄漏安全事故，如發生泄漏事故，安全隱患嚴重。

主要安全措施：如發生泄漏事故，切忌在帶壓情況下擰緊螺栓等操作；應該對設備進行停機斷電，將氣體全部排出壓力為零時再進行檢修；焊點發生泄漏時還需要做好周邊區域O2濃度的監測，當φ（O2）高于23%時，焊接維修作業場所應該進行通風。

4 應用效果分析

山西某煤礦井下DM-1200/10（L）型膜分離制氮裝置從2021 年5 月起按以上安全應用措施方案進行實施，取得了較好的效果。在近一年的時間內，該煤礦膜分離制氮裝置在應用過程存在的氧中毒、著火、觸電、噪聲、帶壓操作等安全問題大幅度減少，對比之前安全問題減少了90%以上。膜分離制氮裝置運行穩定，崗位工作人員的安全性大大增強，為該煤礦井下11 號煤礦工作面實施注氮氣為主的綜合防滅火措施奠定了基礎。對于DM-1200/10（L）型膜分離制氮裝置安全應用問題的分析研究是成功的，為該煤礦創造了較好的安全經濟效益。