肖雪峰

(開灤林南倉礦業(yè)分公司,河北唐山 064106)

注氮技術在采空區(qū)防滅火中的應用

肖雪峰

(開灤林南倉礦業(yè)分公司,河北唐山 064106)

采空區(qū)防滅火是煤礦井下防災的一項重要課題。林南倉礦曾在輕放工作面收尾期間出現(xiàn)過多次采空區(qū)自然發(fā)火,且自燃發(fā)展迅速,對礦井安全威脅較大。采取了注氮防滅火技術,有效地防治了采空區(qū)自然發(fā)火。介紹了注氮防滅火原理、設備選擇、管路位置確定、注氮量確定及注氮時的注意事項。

注氮;防滅火;采空區(qū);自然發(fā)火

Application of Nitrogen Injection in Gob Fire Prevention and Extinguishment

隨著礦井生產(chǎn)能力的提高,綜采設備噸位的不斷增加,工作面搬家倒面時間越來越長,特別是放頂煤工作面臨近收尾時采空區(qū)遺煤多,且工作面通風路線短、風阻小、漏風量大,因此,收尾期間采空區(qū)防火問題顯得尤為突出。具體體現(xiàn)在：著火點的準確位置不易判斷,采用注漿、注三相泡沫、注CO2等傳統(tǒng)滅火措施效果不明顯。如不能采取有效措施,很容易形成自然發(fā)火事故。林南倉礦綜放工作面在收尾期間,采用注氮技術防治采空區(qū)自然發(fā)火取得了良好的效果。

1 礦井概況

林南倉礦設計生產(chǎn)能力為 1.2Mt/a,主采煤層有 11煤層,12煤層,各煤層自然發(fā)火等級均為Ⅱ級,自然發(fā)火期僅為 2個多月。礦井自 1985年投產(chǎn)至今,工作面收尾期間曾經(jīng)發(fā)生過 8次采空區(qū)自然發(fā)火事故。

1227輕放工作面位于 -400m水平,開采 12槽煤層西二小采區(qū),工作面走向長 285 m,傾斜長75m,煤層傾角平均 16°,煤層厚度 4.8m,采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤采煤法。

該工作面于 2007年 7月開采,2007年 12月中旬因檢修停采,局部區(qū)域發(fā)現(xiàn) CO氣體,工作面具備收尾條件后,采空區(qū)仍然出現(xiàn)自然發(fā)火征兆,2007年 12月 24日工作面中上部 CO氣體濃度達 48×10-6,由于元旦放假,工作面停采,2008年 1月 2日 CO氣體濃度高達 350×10-6,乙烯濃度最高達 630×10-6。

為確保回撤安全,自 1月 3日開始對采空區(qū)采取注氮措施。

2 采空區(qū)注氮防滅火技術方案

2.1 注氮防滅火原理

氮氣注入采空區(qū)起到如下幾點作用：

(1)氮氣為惰性氣體,采空區(qū)內注入大量高濃度的氮氣后,氧氣濃度相對減小,氮氣置換氧氣而進入到煤體裂隙表面,這樣煤體表面對氧氣的吸附量降低,抑制遺煤的氧化放熱速度。

(2)采空區(qū)注入氮氣后,降低了漏入采空區(qū)的風量,減少了空氣中的氧氣與煤炭直接接觸的機會,在采空區(qū)內部形成一個氮氣隔離區(qū)域,起到了隔絕空氣的作用,采空區(qū)氮氣隔離區(qū)域如圖 1。

圖1 氮氣隔離區(qū)域

(3)注入采空區(qū)的氮氣溫度一般為 14～15℃,氮氣在流經(jīng)煤體時,吸收了煤炭氧化產(chǎn)生的熱量,可以減緩煤升溫的速度,使煤的氧化因聚熱條件的破壞而延緩或終止。

2.2 制氮設備的選擇

煤礦氮氣主要是通過分離大氣中的氧氣來制取,制備方法有深冷空分、變壓吸附和膜分離 3種。深冷空分制取的氮氣純度最高,通?？蛇_到99.95%以上,但制氮效率較低,能耗大,設備投資大且運行成本較高;變壓吸附的主要缺點是碳分子篩在氣流的沖擊下,極易粉化和飽和,分離系數(shù)低,使用周期短,運轉及維護費用高;膜分離制氮的主要特點是體積小,維護方便,運轉費用較低,氮氣純度能達 97%左右,綜合考慮確定采用膜分離制氮法。

2.3 注氮管路位置的確定

根據(jù)采動裂隙 “O”形圈理論,綜合 12煤自然發(fā)火期以及回采工作面推進速度等情況分析,判定 1227工作面采空區(qū)遺煤氧化區(qū)域為：走向方向距離停采線 15～50m,傾斜方向在工作面面端頭以上 25～40m,據(jù)此,氮氣釋放口設置在采空區(qū)進風側自燃區(qū)與易自燃區(qū)的臨界處,如圖 2所示。

圖2 注氮管路布置

2.4 注氮流量確定

對于回撤工作面來說,工作面不再出煤,瓦斯涌出量逐漸減少,按照采空區(qū)自燃區(qū)域內氧含量計算注氮量較科學,其實質是將采空區(qū)自燃區(qū)內的原始氧含量降到防火惰化指標以下,計算公式如下：

式中,QN為注氮流量,m3/min;QV為采空區(qū)自燃區(qū)的漏風量,m3/min,取 30m3/min;C1為采空區(qū)自燃區(qū)內原始氧含量,取平均值 18%;C2為注氮防火惰化指標,取 7%;CN為注入氮氣中的氮氣純度,實際為 98%。

根據(jù)公式計算得注氮流量 QN為 3.2 m3/min,為確保注氮效果,注氮流量穩(wěn)定在 8.33 m3/min。

2.5 注氮時的注意事項

(1)為保證氮氣不泄漏或少泄漏,在采空區(qū)上、下隅角用風筒布設置擋風簾,用以擋風。

(2)在注氮管路入口處事先安設閥門和氣體檢測孔,注氮初期,先將注氮入口的截門關閉,檢查系統(tǒng)管路有無漏氣,發(fā)現(xiàn)漏氣立即處理。清除注氮管內積水等雜物,當管路內氧氣濃度低于 3%時,向采空區(qū)內注氮。

(3)注氮期間,窩風區(qū)域 (如采面上隅角等處)氧氣濃度可能較低,禁止人員逗留。

3 注氮效果

3個測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)如表 1所示,隨著氮氣的注入,工作面 3個觀測點的 O2,CO,CO2,CH4,C2H4濃度均迅速降低。如圖 3、圖 4所示,測點 1注氮 3d后,氧氣濃度降低了近 2/3,CO濃度降低了近 9/10;注氮 6d后,CO濃度已降為 0。

表1 注氮效果束管監(jiān)測分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖3 1號測點 CO2、CO、C2H4濃度監(jiān)測曲線

圖4 1號測點 O2,N2濃度監(jiān)測曲線

圖 5所示為 3個測點的 CO氣體變化曲線,注氮 48h后,1號及 2號測點 CO濃度降低速度較快,其中 1號測點 CO濃度降低了近 2/3,注氮 6d后,整個工作面已消除 CO氣體,采空區(qū)遺煤的氧化速度得到了明顯的抑制,保證了 1227工作面的安全回撤。

圖5 CO濃度變化曲線

4 結論

林南倉礦 1227輕放工作面注氮防滅火技術的實踐,得到以下結論：

(1)注氮防滅火技術可以有效防止綜放面采空區(qū)遺煤的自燃,注氮 5d后可大幅降低 CO氣體濃度。

(2)準確判斷采空區(qū)氧化分布和采空區(qū)氧化高溫點的范圍,是采空區(qū)注氮防滅火的關鍵。

(3)注氮防滅火技術成本低、工藝簡單,是防治煤礦井下采空區(qū)自然發(fā)火難題的有效手段,具有非常廣闊的發(fā)展前景。

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1006-6225(2010)01-0097-02

2009-10-24

肖雪峰 (1974-),男,河北易縣人,工程師,開灤林南倉礦業(yè)分公司生產(chǎn)副總。

王興庫]