氮气防灭火技术在采空区自燃治理中的应用
发布日期：2017/08/28 来源：中国气协 本站有 人浏览
氮气防灭火技术在采空区自燃治理中的应用
梁志明
（内蒙古同煤鄂尔多斯矿业投资有限公司）
《现代矿业》2015年11期
（内蒙古同煤鄂尔多斯矿业投资有限公司）
《现代矿业》2015年11期
摘要：结合我国某矿实际,系统介绍了氮气防灭火技术。分析了氮气防灭火原理,根据该矿采空区实际,合理确定了氮气防灭火系统以及火区注氮有关参数,现场使用证明,防灭火效果显著,节约了注氮成本,经济效益较为明显。
1 火区概况
（1）煤层特征。煤层顶底板主要为粉砂岩,煤质为特低灰、特低硫等。煤层瓦斯含量为0.01~0.05 m L/g,属于低瓦斯矿井,但随着开采的进行,瓦斯含量不断增加。该煤层着火点为294℃,具有自燃性。
(2)采空区特点。由于工作面初采期间回采率低,采空区含有较多的浮煤;工作面推进一段距离后，采空区侧并未压实，存在漏风现象。
(3)采空区粒度及空隙率分布。煤体粒度和空隙率主要受矿压、地质构造等因素的影响，经测量，采空区粒度及空隙率详见表1。
1 火区概况
（1）煤层特征。煤层顶底板主要为粉砂岩,煤质为特低灰、特低硫等。煤层瓦斯含量为0.01~0.05 m L/g,属于低瓦斯矿井,但随着开采的进行,瓦斯含量不断增加。该煤层着火点为294℃,具有自燃性。
(2)采空区特点。由于工作面初采期间回采率低,采空区含有较多的浮煤;工作面推进一段距离后，采空区侧并未压实，存在漏风现象。
(3)采空区粒度及空隙率分布。煤体粒度和空隙率主要受矿压、地质构造等因素的影响，经测量，采空区粒度及空隙率详见表1。
表1 采空区粒度及孔隙率
2氮气防灭火原理
2.1氮气特性
煤的燃烧属于氧化过程，是在氧气充足的环境下进行的，若空气中的氧气达不到煤燃烧所需要的浓度，则煤不会出现燃烧现象。因此，可通过向空区中注人惰性气体，降低空气中氧气浓度，可实现防灭火的目的。
煤矿防灭火最常用的惰性气体为氮气，氮气具有以下几种特点:①无色无味，无毒无腐蚀；②不易自燃；③稳定性好(尤其是在震动、热和电火花作用下)；④氮气制作简单，经济成本低；⑤基本上不会对环境造成污染。
2.2采空区三带划分
根据煤的自燃情况，采空区可划分为三带(图1):①不自燃带;②自燃带;③窒熄带。这三带的宽度主要由以下因素决定:①冒落岩石的压实程度;②工作面长度;③工作面两端的风压差;④工作面的推进速度。若工作面的浮煤进入窒息带时间较长，且超过煤的自燃发火期，则极易出现自燃现象。将氮气通过一定的方式送到该区域，以排出该区域的气体，使其处于一种低氧或无氧环境。
2.1氮气特性
煤的燃烧属于氧化过程，是在氧气充足的环境下进行的，若空气中的氧气达不到煤燃烧所需要的浓度，则煤不会出现燃烧现象。因此，可通过向空区中注人惰性气体，降低空气中氧气浓度，可实现防灭火的目的。
煤矿防灭火最常用的惰性气体为氮气，氮气具有以下几种特点:①无色无味，无毒无腐蚀；②不易自燃；③稳定性好(尤其是在震动、热和电火花作用下)；④氮气制作简单，经济成本低；⑤基本上不会对环境造成污染。
2.2采空区三带划分
根据煤的自燃情况，采空区可划分为三带(图1):①不自燃带;②自燃带;③窒熄带。这三带的宽度主要由以下因素决定:①冒落岩石的压实程度;②工作面长度;③工作面两端的风压差;④工作面的推进速度。若工作面的浮煤进入窒息带时间较长，且超过煤的自燃发火期，则极易出现自燃现象。将氮气通过一定的方式送到该区域，以排出该区域的气体，使其处于一种低氧或无氧环境。
图1 采空区三带分布
2.3氮气的防灭火作用
(1)消除瓦斯爆炸的危险。瓦斯爆炸的3个充分条件:①瓦斯浓度为5%-16%；②混合气体中氧的浓度在12%以上；③有足够能量的火源。通过向采空区注入适量氮气，不但能降低该区域内的瓦斯浓度，使其低于5%，还能使区域内的氧气浓度低于12%，既能防止区域内的浮煤自燃，也有效避免了瓦斯爆炸。
(2)减少漏风。采空区发火的一个重要原因就是漏风，向采空区注氮气后，采空区与工作面的压力差会变小甚至为零，从而可很好地控制漏风。
(3)降温。由于氮气的温度大大低于自燃区域的温度，随着氮气在该区域的逐步扩散，区域的温度会出现明显的降低。
（4）防止煤氧化和自燃。
通过向采空区注入适量的氮气，降低了该区域的氧气浓度，使得煤无法达到自燃条件，无法发生自燃。
（5）降低燃烧强度。向已自燃区域注入适量的氮气，可使得氧气浓度迅速下降，火区煤的燃烧强度会迅速降低，直至熄灭。
3 氮气防灭火系统
本矿井氮气防灭火系统的组成部分主要有：制氮设备、输氮管路、注氮设施。
3.1制氮设备
该矿井采用两套碳分子筛变压吸附制氮设备，一套正常工作，另一套(工作面发火时使用)备用。制氮设备性能参数见表2。
(1)消除瓦斯爆炸的危险。瓦斯爆炸的3个充分条件:①瓦斯浓度为5%-16%；②混合气体中氧的浓度在12%以上；③有足够能量的火源。通过向采空区注入适量氮气，不但能降低该区域内的瓦斯浓度，使其低于5%，还能使区域内的氧气浓度低于12%，既能防止区域内的浮煤自燃，也有效避免了瓦斯爆炸。
(2)减少漏风。采空区发火的一个重要原因就是漏风，向采空区注氮气后，采空区与工作面的压力差会变小甚至为零，从而可很好地控制漏风。
(3)降温。由于氮气的温度大大低于自燃区域的温度，随着氮气在该区域的逐步扩散，区域的温度会出现明显的降低。
（4）防止煤氧化和自燃。
通过向采空区注入适量的氮气，降低了该区域的氧气浓度，使得煤无法达到自燃条件，无法发生自燃。
（5）降低燃烧强度。向已自燃区域注入适量的氮气，可使得氧气浓度迅速下降，火区煤的燃烧强度会迅速降低，直至熄灭。
3 氮气防灭火系统
本矿井氮气防灭火系统的组成部分主要有：制氮设备、输氮管路、注氮设施。
3.1制氮设备
该矿井采用两套碳分子筛变压吸附制氮设备，一套正常工作，另一套(工作面发火时使用)备用。制氮设备性能参数见表2。
表2 制氮设备的性能参数
| 氮气产量 M3/h | 氮气纯度 % | 氮气压力 Mpa | 机组功率 KW | 冷却水量 m3/h |
| 1000 | 98 | 0.6 | 370 | 38 |
3.2输氮管路及设施
输氮管路系统的确定需要综合考虑各种因素，如矿井开拓系统、采场相关情况等。此外，管路系统的布置还应考虑到行人安全、后续安全维护、管路材料及其成本等。
输氮管材有普通钢管和无缝钢管，其直径根据管道阻力和制氮装置出口氮气压力确定。
制氮站到井口地面段采用地下埋设方式，井下主管路段采用托架架设方式，工作面顺槽段采用沿地敷设方式。
井下运输槽段输氮管路埋设从开切眼开始，在煤柱侧埋入采空区，前端处应接堵头花管，确保花管以斜向上的角度指向采空区，此外，为防止注氟口堵塞，应采取木垛保护。工作面每推进30 m，埋设一个注氮释放口及支管，若工作面推进到90 m时，则采取移动式埋管方式。
4火区注氮有关参数
4.1注氮条件
(1)防火注氮条件。自燃区距工作面的最短距离：
输氮管路系统的确定需要综合考虑各种因素，如矿井开拓系统、采场相关情况等。此外，管路系统的布置还应考虑到行人安全、后续安全维护、管路材料及其成本等。
输氮管材有普通钢管和无缝钢管，其直径根据管道阻力和制氮装置出口氮气压力确定。
制氮站到井口地面段采用地下埋设方式，井下主管路段采用托架架设方式，工作面顺槽段采用沿地敷设方式。
井下运输槽段输氮管路埋设从开切眼开始，在煤柱侧埋入采空区，前端处应接堵头花管，确保花管以斜向上的角度指向采空区，此外，为防止注氟口堵塞，应采取木垛保护。工作面每推进30 m，埋设一个注氮释放口及支管，若工作面推进到90 m时，则采取移动式埋管方式。
4火区注氮有关参数
4.1注氮条件
(1)防火注氮条件。自燃区距工作面的最短距离：
式中，V1为工作面日推进速度，m/d； t1为煤层最短自然发火期，d。
结合对采空区三带的观测结果，确定自燃带距工作面最长距离(Lmax)及工作面自燃区宽度(ΔL):
结合对采空区三带的观测结果，确定自燃带距工作面最长距离(Lmax)及工作面自燃区宽度(ΔL):
ΔL=Lmin-Lmax （2）
若ΔL>0，则需要采取注氮措施；若ΔL≯0，则不需要采取注氮措施。
(2)灭火注氮条件。当工作面或采空区达到下列任一条件时，即开始注氮：CO含量不断增加，且超过50x 10-6;温度过高，且超过40℃ 。
4.2氮气释放口位置
可结合工作面采空区自燃带距工作面最小距离确定。
4.3氮气防灭火注氮方式
本矿由于发火次数较少，因而采取单纯灭火注氮方式，
即当矿井发生火灾时，首先封堵火灾区域而后注氮灭火。与其他注氮方式相比，单纯灭火注氮方式可大大减少注氮成本。
4.4采空区注氮量
注氮量的确定主要考虑以下因素:①工作面进风流中的氧气浓度在19%以上；②采空区氧化带氧气浓度在10%以内；②采空区或工作面上隅角CO的含量较大，则应加大注氮量。采空区注氮量参照式（3）确定：
(2)灭火注氮条件。当工作面或采空区达到下列任一条件时，即开始注氮：CO含量不断增加，且超过50x 10-6;温度过高，且超过40℃ 。
4.2氮气释放口位置
可结合工作面采空区自燃带距工作面最小距离确定。
4.3氮气防灭火注氮方式
本矿由于发火次数较少，因而采取单纯灭火注氮方式，
即当矿井发生火灾时，首先封堵火灾区域而后注氮灭火。与其他注氮方式相比，单纯灭火注氮方式可大大减少注氮成本。
4.4采空区注氮量
注氮量的确定主要考虑以下因素:①工作面进风流中的氧气浓度在19%以上；②采空区氧化带氧气浓度在10%以内；②采空区或工作面上隅角CO的含量较大，则应加大注氮量。采空区注氮量参照式（3）确定：
式中Qn为氮气流量，m3/h；A为煤矿年产量，取5Mt/a；ϒ为煤密度，取1.31t/m3;t为年工作日，取300d；η1为管路输氮效率，取0.9；η2为注氮防火率，取0.65；C1为采空区平均含氧量，取20.9%；C2为采空区防火惰化指数，取7%。
将该矿参数代入式（3），计算得采空区注氮量Qn=1800m3/h。
5效果分析
经检测分析，注氮后火区温度己基本接近常温，有毒有害气体大大减少，满足相关的基本要求。火区面积逐步减小，对井下各生产工作安全没有任何影响，火区氮气治理效果较为显著。
6结语
结合煤矿采空区火区实际，确定了氮气防灭火方式，有效地解决了采空区的自燃问题，确保了矿井生产工作的安全顺利进行。但由于采场、采空区、影响煤自燃的因素较为复杂，所以，注氮防灭火措施在一定程度上处理火区的效果是有限的，因此，也可在此基础上，综合采取注胶等其他措施，可实现更好的防灭火效果。
将该矿参数代入式（3），计算得采空区注氮量Qn=1800m3/h。
5效果分析
经检测分析，注氮后火区温度己基本接近常温，有毒有害气体大大减少，满足相关的基本要求。火区面积逐步减小，对井下各生产工作安全没有任何影响，火区氮气治理效果较为显著。
6结语
结合煤矿采空区火区实际，确定了氮气防灭火方式，有效地解决了采空区的自燃问题，确保了矿井生产工作的安全顺利进行。但由于采场、采空区、影响煤自燃的因素较为复杂，所以，注氮防灭火措施在一定程度上处理火区的效果是有限的，因此，也可在此基础上，综合采取注胶等其他措施，可实现更好的防灭火效果。
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