注氮防灭火实施方案

井下移动式防灭火注氮系统实施方案
一、实施背景
综采放顶煤开采方法是当今我公司15#煤层的主要采煤方法。

与分层开采相比较，不但可以大幅度提高采煤工作面的单产，而且还能降低吨煤掘进率和工作面的搬家次数，降低吨煤成本实现高产高效。

但从防治采空区自然发火的角度来看，由于综采放顶煤工序较多，推进速度相对较慢，回采率较低，采空区丢煤较多，漏风空间较大等，这些因素都明显增加了采空区自然发火的危险。

而综采放顶煤开采所形成的采空区空间体积较大，使得注粉煤灰浆、喷洒阻化剂等防灭火措施难以取得预期的效果。

二、目的和任务
注氮防灭火技术是防治综放工作面采空区自然发火的有效方法之一。

由于氮气比空气轻，所以当氮气注入采空区后，不但可以向上浮动而且可以向四周扩散并充满整个采空区，降低采空区的氧气浓度，从而达到抑制采空区自然发火的目的。

三、实施方案依据
采用注氮防灭火技术防治综放工作面采空区自然发火，首先要掌握采空区的“三带”分布状况，它对于选择合理的注氮防灭火工艺是至关重要的。

因此要求我们在实施注氮防灭火工作之前，首先要观测分析出综采放顶煤工作面开采区域的采空区“三带”分布规律，从而相应地做出注氮防灭火工艺设计，使氮气注入到采空区最容易自然发火的区域，并且形成合理的氮气惰化带，达到抑制采空区自然发火的目的。

3.1采空“三带”分布规律
3.1.1、采空区“三带”概述
对于非充填采空区的回采工作面来说，随着工作面向前推移，切顶线之后附近的采空区顶板逐渐开始垮落，在这一范围内形成比较松散的冒落区，因而漏风比较严重。

这一区域内的浮煤在氧气的作用下开始发生氧化反应，并释放出微量的热量。

但由于该区域漏风量较大，氧化所产生热量的绝大部分被风流带走，因此无法积聚，从而不能发生自然发火。

这一区域就是通常所说的“散热带”。

随着工作面的继续推移，这些松散的冒落区也逐渐被压实，其间的漏风通道减小，漏风量亦随之减小。

此时的漏风，一方面携带着足够的氧气供给浮煤，保证浮煤氧化的继续进行，另一方面适量的微风已不能过多地带走氧化所生成的热量。

这样氧化热可以不断积聚，反过来又为浮煤的氧化提供了能量，加速浮煤的氧化，使煤的氧化反应不断地加速，最终发展到加速氧化和激烈氧化阶段，直到出现明火燃烧现象。

这一区域就是“氧化带”。

“氧化带”再往里延伸，冒落区已基本压实，漏风也基本消失。

漏风流经“氧化带”时，其中所含的氧气已大大消耗，再加之只有很少一部分漏风能抵达这一压实区域。

因此，这一区域内的遗煤由于漏风供氧不足而处于窒息状态。

为此这一区域被称为“窒息带”。

如下图所示。

3.1.2、采空区“三带”划分
“散热带”与“氧化带”之间的主要区别主要是看漏风量的大小能否形成聚热条件，如果漏风量过大，破坏了聚热条件，则处于“散热带”范围。

如果漏风量适中，具备了聚热条件，则处于“氧化带”范围。

因此“散热带”与“氧化带”之间的界线应以漏风量作为主要指标来划分。

在实践中我们通常选取O2浓度>18%作为“散热带”的划分范围。

“氧化带”与“窒息带”之间的主要区别是看浮煤周围的氧气浓度能够否满足采空区浮煤氧化的需要，这就有一个临界氧浓度的概念(即能够使浮煤氧化自燃的最低氧浓度值)。

如果浮煤周围的氧气浓度高于临界氧浓度，浮煤的氧化就能够持续进行，此时则处于“氧化带”范围。

反之，如果浮煤周围的O2浓度低于临界O2浓度，浮煤的氧化就会因缺氧而停止，此时则处于“窒息带”范围。

因此，确定“氧化带”与“窒息带”的划分范围应以临界氧浓度为主要指标进行划分为宜。

在实践中我们通常选取18%≥O2浓度≥10%作为“氧化带”的划分范围。

以O2浓度<10%作为“窒息带”的划分范围。

3.1.3、采空区“氧化带”自燃危险分析
众所周知，采空区浮煤氧化自燃，必须同时具备以下4个条件：①煤层具有自燃倾向性；②具有连续不断的供氧条件；③具有持续的蓄热环境；④氧化时间超过自然发火期。

而采空区“氧化带”则存在自然发火的危险性。

采空区“氧化带”是指具有一定量的浮煤、氧气浓度大于临界氧浓度的区域。

我们也可以这样理解“氧化带”的含义：“氧化带”区域具有浮煤氧化自燃的条件，但并不一定会自然发火。

因为煤的自燃还需要经历一个缓慢氧化蓄热和氧化加速发展的过程，也就是说还需要一定的时间，这就是通常所说的自然发火期。

当工作面以推进速度V向前推进时，工作面后部采空区中某一点也以相同的速度远离工作面，这个固定点要在一定的时间(т)内依次经过采空区“散热带”和“氧化带”进入“窒息带”。

如果开采煤层的最短自然发火期为тmin，则当т>тmin时，则时间超过了自然发火期，采空区中这个固定点仍位于“氧化带”内，因此采空区自然发火的危险性较大；当т<тmin时，则在自然发火期内工作面后部采空区中这个固定点已经进入“窒息带”，所以采空区自然发火危险性较小。

因此加快综放面的推进度，使工作面后部采空区原“氧化带”在自然发火期内进入新形成的“窒息带”内，同样也是防治综放面采空区自然发火的有效方法。

3.1.4根据其他矿经验，采空区自燃火灾往往发生在顶板或冒落区内较高的位置，而采用注浆、喷洒阻化剂等常规防灭火手段，防灭火材料往往不能到达发火的区域，起不
到有效的防灭火作用。

而向采空区内注入氮气恰恰能够有效地充填到这一区域，起到惰化防灭火的作用。

3.1.5注氮防灭火惰化指标
采空区惰化氧浓度指标不大于煤自然临界氧浓度。

惰化灭火氧浓度指标不大于3%。

惰化抑制瓦斯爆炸氧浓度指标小于12%
四、综采放顶煤工作面采空区注氮防灭火设备及工艺
4.1注氮系统
4.1.1制氮设备
我国煤矿防灭火目前所选用的制氮设备有：地面固定式深冷制氮气设备；矿用地面固定式、地面移动式和井下移动式变压吸附制氮设备，以及矿用地面固定式、地面移动式和井下移动式膜分离制氮设备。

按空分原理可将其分为深冷式、变压吸附式和膜分离式。

近几年来，尤以变压吸附和膜分离制氮设备在煤矿现场应用得最多。

变压吸附制氮设备具有流程简单，控制点仅为2-3个，大大提高了设备的安全运行系数；配套设备少，体积小；耗气量小，能耗低；采用了专利新型流程，氮气回收率高，制氮成本低等特点。

4.1.2注氮系统
地面固定式地面移动式制氮设备生产的氮气，经井上下输氮管路送达采空区内或火区内。

该系统的优点是制氮设备的产氮能力大，灭火速度快。

缺点是需专门铺设一趟输氮管路。

井下移动式制氮设备安置于距需要防火或灭火区域的就近处，通过输氮管路将氮气送达防灭火区内。

该系统的优点是不需铺设专用输氮管路。

缺点是制氮设备的产氮能力较小。

4.1.3注氮方法及注氮方式
根据我公司实际情况，拟选用井下移动式制氮设备。

注氮方法采用埋管式注氮方法。

工作面的进风侧沿采空区埋设一趟注氮管路。

当埋入一定深度后开始注氮，同时又埋入第二趟注氮管路（注氮管口的移动步距通过考察确定）。

当第二趟注氮管口埋入采空区氧化带与冷却带的交界部位时向采空区注氮，同时停止第一趟管路的注氮，并又重新埋设注氮管路，如此循环，直至工作面采完为止。

注氮方式可分为连续式和间歇式两种。

采用哪一种方式，主要取决于氮气在采空区内的滞留时间和惰化效果。

一般注氮灭火宜采用连续式注氮方式，注氮防火宜采用间歇式注氮方式。

间歇式注氮方式即在采空区“氧化带”区域注入氮气，考察氮气在该区域内的滞留时间和情化效果，当该区域O2浓度降低至自然发火临界O2浓度之下时停止注氮；随着氮气的泄漏，采空区内的O2浓度会逐渐回升，当O2浓度回升至自然发火临界O2浓度之上时，重新开始新一轮的注氮。

当注氮口推移至“氧化带”以外而进入“窒息带”时，停止注氮。

五、实施方案的初步设计
5.1作用原理
注氮防灭火的实质是向采空区氧化带内或火区内注入一定流量的氮气,使其氧含量降到10%或3%以下,达到防灭火的目的。

其作用有消除瓦斯爆炸危险;防止煤的自然发热和自燃;降低燃烧强度;防止密闭漏风。

5.2 技术参数的确定
5.2.1采空区的防灭火耗氮量的计算
采空区防灭火耗氮量按采空区氧化带氧含量计算，并按作业场所氧浓度核算。

5.2.1.1按采空区氧化带氧含量计算。

按采空区氧化带内氧含量及惰化指标计算注氮强度，其方法较合理，符合注氮防火的实际情况：
q=60×Q漏（C1-C2-C3）/C3
式中：
q——采面采空区注氮强度，m3/min；
Q漏——采空区氧化带漏风量，m3/min；
C1——采空区氧化带内初始氧含量；
C2——采空区氧化带内二氧化碳、甲烷等气体含量；
C3——采空区氧化带惰化指标规定的氧含量，可取10%；
5.2.1.2按作业场所氧含量计算允许最大注氮量：
Q≤60×Q×（C1-C2）/C2
式中：
q——按采面回风巷允许氧浓度19%计算的采空区允许最大注氮量，m3/h；
Q——工作面风量m3/min；
C1——采面初始氧浓度，可取20%；
C2——采掘作业场所允许氧含量为19%；
实际计算时，应按采空区注氮量全部泄漏到工作面和回风巷计算出允许最大注氮强度。

间歇式日注氮量可按下边公式计算：
Qn=b×L×H×K2×K2
式中:
Qn——间歇式注氮时日注氮量，m3；b——工作面日推进度，m；
L——工作面长度，m；H——采、放煤高度，m；
K1——采空区气体置换系数，取2～3；
K2——采空区冒落矸石松散系数，取0.8～0.9；
K3——工作面推进速度校正系数，按下边公式计算。

K3=Lmax-Lmin/ Lmax
式中
Lmax——采空区窒息带与氧化带边界距工作面的距离。

m；
Lmin——采空区氧化带与散热带边界距工作面的距离，m。

5.3井下制氮机住置的选择及管路铺设
制氮机位置选择在工作面运输车场附近。

注氮管路由制氮机位置一直沿运输巷铺设到综采放顶煤工作面。

注氮管路使用2寸静压水管。

注氮口的位置及间距依据“氧化带”
的位置及宽度、工作面的推进度以及每次开启的注氮量及氮气扩散半径等确定，目的使注入的氮气尽可能覆盖整个采空区“氧化带”，有效抑制综放工作面采空区“氧化带”浮煤的氧化自燃。

以其他有实践经验的矿井的注氮防灭火实践为例，注氮口氮气的扩散半径取15～20m，根据对采空区“三带”的观测结果，为使氮气注入区域覆盖整个采空区“氧化带”范围，考虑到氮气的泄漏，氮气释放口间距取30m，氮气释放口距工作面的最小距离为30m，最大距离为60m。

氮气释放口及注氮支管的布置如图所示。

注氮管路铺设及注氮释放口轮换方式示意图
注氮支管路沿工作面入风巷道铺至综放面并采用多管路进行铺设，每个释放口单接一根支管进行注氮，便于单独控制。

随着工作面的推移，当前面的注氮口先进入到采空区内30m位置时，打开注氮支管的阀门开始注氮；同时从主管路上另接一路支管，并设置释放口埋入采空区。

当后续注
氮口进入到采空区30m位置时，继续打开此注氮支管的阀门开始注氮。

当前面的注氮口推移至距工作面60m以后，应关闭此注氮支管的阀门停止注氮。

按此注氮口交替的方法循环往复进行注氮。

六、井下移动式注氮设备选型及造价：
根据公司井下实际，拟选用JXZD型井下移动式氮气防灭火系统设备技术指标：◆氮气流量：100-800 Nm3/h ◆氮气纯度：97～98% ◆氮气压力：0.05-1.0MPa
准备使用一套，备用一套。

总造价260万元左右。

一套注氮系统包括：空气压缩机2台，井下移动式制氮机1台
变压吸附组件1套，氮气缓冲罐1套，氮气净化装置一套。

科。