王勇

摘要：刘园子煤矿51509工作面采空区出现自燃发火预兆并影响安全推采，提出了采空区持续注氮的防灭火措施，并得到了实际运用，工作面推采过程中各地点CO浓度均明显下降，防灭火效果显著。

关键词：采空区发火注氮防灭火刘园子煤矿

1 工作面概况

刘园子煤矿51509工作面位于5号煤层51采区，该工作面左侧为51507回采工作面，目前暂未施工，工作面右侧为51511综放工作面采空区，工作面的北面为煤5-1煤层露头，南面为51采区三条上山。工作面走向长度1073m，倾斜长度130.5m，煤厚6.85m～6.92m，平均厚度6.89m，煤层倾角6°～10°，平均8°，可采储量26.67万吨，回采率80%，工作面采用U型通风方式，工作面风压差小于150Pa，瓦斯绝对涌出量1.80m3/min，5号煤层属于I类容易自燃煤层，煤尘爆炸指数为32.5%，最短自燃发火期为46天。

2 51509工作面采空区发火致因分析

51509工作面采空区发火因素主要有以下两个方面：第一，所采5号煤层为容易自燃煤层，工作面采用放顶煤采煤法，回采过程中采空区留有大量遗煤，遗留煤体呈破碎状态并发生缓慢氧化，在自燃发火期内若不能将其推入采空区窒息带内，极有可能引发采空区自燃發火；工作面上、下端头回采过程中顶板及煤壁垮落埋入采空区，垮落后呈破碎状态的煤堆积，使得采空区自燃发火的隐患增大。第二，工作面回撤期间，由于工作面长时间停留，使得采空区氧化带浮煤有了较长的氧化、蓄热时间，同时采空区散热条件差，极易引发采空区自燃。

3 氮气防灭火机理及经济分析

氮气是一种惰性气体，本身无毒、不助燃，也不能供人呼吸，其分子结构稳定，常温、常压下很难与其它物质反应，随着空气中氮气浓度的增加，氧气含量相应减少，当氧气的体积分数降至5%～10%可抑制煤炭的氧化，当氧气的体积分数下降到3%以下时，可以完全抑制煤炭的阴燃，氮气防灭火的主要思路就是将氮气送入制定的处理区域、使该区域的空气惰化，使氧气浓度小于煤炭自燃临届氧气浓度，从而防止煤炭氧化自燃，或者已经形成的火区因缺氧而逐渐熄灭。

氮气防灭火机理主要表现如下：

（1）降低氧气浓度。当采空区内注入高浓度氮气后，氮气占据了大部分空间，氧气浓度相对减少，氮气部分替代氧气而进入煤体裂隙中，这样抑制了氧气与煤的接触，减缓了遗煤的氧化放热速度。

（2）提高采空区内气体静压。将氮气注入采空区后，提高了采空区内气体静压值，减少流入采空区的漏风量，也就减少了空气中氧气与煤炭直接接触的机会，同样延缓了煤炭氧化自燃的速度。

（3）氮气吸热。氮气在采空区流动时，会吸收煤炭氧化产生的热量，减缓煤炭氧化升温的速度，持续的氮气流动会把煤炭氧化产生的热量不断的吸收，对抑制煤炭自燃十分有利。

（4）缩小瓦斯爆炸界限。采空区注入氮气后，氮气很快与瓦斯等可燃性气体混合，瓦斯的爆炸上限值会减少，下限值会升高，也即瓦斯爆炸界限被缩小了，就不易出现瓦斯爆炸事故。

氮气来源的经济分析：

氮气的制取主要是以空气为原料，空气中氮气的供给是无限量的，且原料气无成本，制取氮气的方法是采用碳分子筛，利用氮氧分子对分子筛的气体扩散速度不同的原理来分离氮气，优点是过程简单，制氮时间短。

4 注氮防灭火方案

4.1 供氮能力及输氮管路的选取

4.1.1 供氮能力计算。注氮量是最重要的注氮参数，直接影响着工作面采空区注氮防灭火的效果。注氮量太小因达不到惰化采空区气体的目的而起不到防灭火的作用，注氮量太大造成经济上的浪费，同时也会对工作面及回风顺槽施工人员的安全造成影响。注氮量主要取决于被注地点的几何体积、氧化空间大小、裂隙情况、漏风量的大小等，由于矿井条件千差万别，目前只能按照被注地点的几何体积、工作面的产量、吨煤注氮量、瓦斯量、氧化带内的氧气含量进行计算。

根据51509工作面的实际情况，采用工作面的产量、吨煤注氮量、瓦斯量、氧化带内氧浓度进行计算、比较选取最大值。

A.按产量计算防灭火注氮量

按产量计算的实质就是在单位时间内注氮充满采煤所形成的空间，使氧气浓度降到防火惰化指标以下，可按下面的经验公式计算：

Qn=[A/（rtη1η2×24）]·（C1/C2-1）

式中：

Qn—注氮量，m3/h；

A—年產量，取1800000t；

t—年工作日，取276d；

r—煤的容重，1.23t/m3；

η1—管路输氮效率，取90%；

η2—采空区注氮效率，取60%；

C1—空气中的氧浓度，取20.8%；

C2—采空区防火惰化指标，取7%。

则Qn=[1800000/（1.23×276×0.9×0.6×24）]·（0.208/0.07-1）=806.54 m3/h。

B.按瓦斯含量计算防火注氮量

Qn=60QcC/（1-C）

式中：

Qc—工作面通风量，取1000m3/min；

C—工作面回风流中的瓦斯浓度，取1%。

则Qn=60×1000×0.01/（1-0.01）=606.06m3/h。

C.按采空区氧化带浓度计算防火注氮量

Qn= Qv（C1-C2）/（Cn+C2-1.0）

式中：

Qv—采空区氧化带漏风量，取300m3/min；

C1—采空区氧化带内平均原始氧浓度，取14%；

C2—注氮防火惰化指标，取7%；

Cn—注入氮气的浓度，取97%。

Qn=300（0.14-0.07）/（0.97+0.07-1.0）=525 m3/h。

通过以上三种计算、比较，确定51509工作面注氮量为806.54m3/h，因此选用 2套DT-1000/6型制氮装置，一备一用，每套制氮装置可产氮气量1000Nm3/h。

4.1.2 输氮管路的选择。注氮主管路采用φ159mm的钢管，51509工作面输氮管路的长度为1050m，工作面输氮敷管路使用φ80mm的聚氯乙烯管双路敷设至工作面采空区，采空区埋设输氮管路采用法兰连接，并配备独立专用阀门。

4.1.3 供氮压力。根据《煤矿用氮气防灭火技术规范》（MT/T701-1977）第7.3、7.4条规定：地面、井下制氮设备的供氮压力，其管路末端的绝对压力不得低于0.2MPa，输氮管路的直径应满足最大输氮流量和压力的要求，其供氮管路的压力可按如下公式计算：

P1=[0.0056（QMAX/1000）2∑（D0/Di）5（λ0/λi）Li+P2]1/2

P1—供氮压力，MPa；

P2—管路末端绝对压力，取0.2 MPa；

QMAX—最大输氮流量，取810 m3/h；

D0—基准管径，150mm；

Di—实际输氮管径，70mm；

Li—相同直径管路长度，主管1.2km，分管1km；

λ0—基準管径的阻力系数，0.026；

λi—实际输氮管径阻力系数，0.032；

经计算得供氮压力P1力为0.58MPa

DT-1000/6型制氮装置的供氮压力为0.6～0.8MPa，满足供氮要求。

4.1.4供氮管路的敷设要求。供氮管路的敷设应尽量减少拐弯，要求平、直、稳，接头不漏气，每节钢管的吊点不少于2个，不允许在管路上堆放杂物，低洼处可设置放水阀门；输氮管路的分岔处应设置三通闸阀及压力表；输氮管路应进行防锈处理；定期对输氮管路进行试压检漏。

4.2 注氮防灭火方式

4.2.1 氮气释放口位置。防灭火注氮地点选在工作面进风巷，注氮释放管口应处于采空区氧化带内，根据矿井生产实际，将第一路注氮释放管口位置定于距工作面支架后尾梁15m处，随工作面推进5m后买入第二条注氮管路，当工作面推过第一条注氮管路35m时，即推过第二条注氮管路15m时，停止第一条管路注氮，开启第二条管路注氮，以此类推，直至工作面回采结束。

4.2.2 工作面回采期间，采空区注氮采用连续注氮方式进行防灭火。注氮防灭火班每班2人，地面1名制氮機司机负责制氮机的开停，井下1名管路巡检工，负责对井下注氮管路全面巡检。

5 注氮效果

51509工作面从2016年8月25日严格按照作业规程进行注氮施工，期间每天由防灭火人员每班对工作面上隅角、架间气体抽样经地面色谱仪分析得出不同时期不同地点CO浓度，至2016年9月11日防灭火效果显著。

6 结语

采空区注氮防灭火作为一种有效的防灭火手段，在实际应用过程中应加强工作面上、下隅角的封堵，严格按照设计注氮量和注氮方式施工，同时做好工作面O2气浓度监测，防止出现工作面缺氧，刘园子煤矿51509工作面通过在生产实践中不断总结，摸索出了适合刘园子煤矿采空区注氮防灭火施工工艺。