综采工作面注氮防灭火设计

综采工作面注氮灭火设计
我矿23103工作面即将开始回采，工作面通风系统为材料巷进风，措施巷、皮带巷回风。

因采用综放工艺回采，其采空区遗煤较多、范
围广、空间大，加之所采13#煤自燃倾向等级为Ⅱ类，工作面防灭火工作十分重要。

参照煤炭科学研究全部的院沈阳研究院2010年5月编制
的《谢沟煤矿主要煤层自燃综合防治方案设计》及集团公司其他矿井
防灭火经验，采用注氮防灭火措施的有效覆盖率较高、适应性较好，
能有效的保证工作面回采期间防灭火安全。

为了防止氮气输送管道和
采空区的氮气泄漏造成人员伤害、保证注氮防灭火效果，特编制如下
专项设计。

一、工作面概述
1、采煤工作面位置：
工作面位于21采区北翼，南邻21采区三条上山，北部、东部、
西部是一个坚固的煤矿区，上部为8#煤的18107、18109采空区，平均层间距为46.29m。

2、工作面相关参数
走向长度：2420.9m，煤层厚度为5.95-16.68m，平均13.8m。

平均开采高度：机采3.6m，放煤高度10.2m。

气体等级：低瓦斯，容重：1.44t/m3。

煤层硬度：f=2～5，煤质牌号：气煤。

自燃倾向：Ⅱ类自然，煤层倾角（度）：6.8°～10.7°，平均
8.9°。

工作面倾斜长度： 214.34m。

一、注氮灭火方案
1、注氮灭火措施的适应性和有效性分析
氮气是一种无色、无味、无嗅、无毒的气体。

由于氮气分子结构
稳定，其化学性质相对稳定，在常温、氮在大气压下很难与其他物质
反应，所以它是一种良好的惰性气体，随着空气中氮气含量的增加，
氧气含量必然降低。

当氧气含量低到5～10％时，可抑制煤炭的氧化自燃；氧气含量降至3％以下时，可以完全抑制煤炭等可燃物的阴燃与复燃。

用氮气防灭火和阻止瓦斯爆炸的过程称为惰化，惰化后的火区因
氧气不足而不能燃烧和爆炸。

氮气的防灭火作用，即是使采空区等有
关区域惰化。

具体地说，氮气的防灭火作用和特点是：1）氮气可以充满任何形
状的空间并将氧气排挤出去，从而使火区中因氧含量不足而将火源熄灭，或因采空区含氧量不足，使残煤无法氧化自燃；2）在有瓦斯和火
存在的气体爆炸危险区内，注入氮气能使可燃性气体失去爆炸性；3）
向采空区或火区中大量注入氮气后，可以增加采空区相对压力，致使
新鲜空气难以漏入； 4）氮气防灭火必须与均压和其它堵漏风措施配
合应用。

否则，如果注入氮气的采空区或火区漏风严重，氮气必然随
漏风流失，难以起到防灭火作用。

基于上述氮气的性质及煤的氧化机理，向采空区及遗煤带注入氮气，使其渗入到采空区冒落区、裂隙带及遗煤带，降低这些区域的氧
含量，形成氮气惰化带，从而达到抑制采空区自燃和安全开采的目的。

因23103工作面采空区遗煤较多、范围广、空间大，所采13#煤自燃倾向等级为Ⅱ类，采用预先铺设管路、连续注氮方式，同时应采取
均压通风措施、堵漏措施、工作面及采空区氧气监测措施。

2、氮源选择的技术经济分析
目前，工业制取氮气均以空气作为原料气，这种原料气的供给是
无限量的。

煤矿移动式氮气发生器主要有变压吸附法和膜分离法。

根
据煤炭科学研究全部的院沈阳研究院2010年5月编制的《谢沟煤矿主
要煤层自燃综合防治方案设计》及集团公司其他矿井注氮防灭火系统
使用情况，本设计采用DT煤矿用移动式碳分子筛制氮装置（变压吸附法）。

3、氮气供应能力、氮气输送管道的计算与选择
（1）氮气供应能力的计算
注氮量是最重要的注氮参数，直接决定着注氮效果。

注氮量太小，无法达到惰化采空区气体的目的，不能起到防火作用，注氮量太大造
成经济上的浪费。

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、漏风量大小以及气体组分等。

由于煤矿条件千差万别，目前注氮量只能按待注地点的几何体积、工作面的产量、吨煤注
氮量、瓦斯量、氧化带内的氧含量进行计算。

根据《煤矿用氮气防灭火技术规范》（MT/T701-1997）第7.1条
的规定：制氮设备或装置的氮气供应能力应根据矿井注氮工作面的防
火需要进行选择，氮气供应能力（1个工作面注氮量）可按下式计算：
哪里：QN--氮气供应能力，m3/h；
K--储备系数，取1.2；
Q0--采空区氧化带内漏风量，m3/min；采空区氧化带的范围受工
作面的通风状况、采空区冒落等因素变化较大，因此采空区氧化带的
漏风量的变化范围也较大，此范围内的漏风量一般按工作面风量的
1/60～1/100选取；采取堵漏风措施后，采空区氧化带内的漏风量取为
6m3/min；
C1--采空区氧化带内平均氧浓度，%；目前国内应用较普遍的是将
采空区氧浓度在10～18%之间的区域视为氧化带，由于氧化区范围不同，平均氧浓度值也不同，一般可选为15%；
C2--采空区惰化防火指标，其值为煤自燃临界氧浓度，%；煤的自
燃临界氧浓度值随煤种、煤质、赋存条件等因素的不同而变化，其具
体数值应根据实验室试验而取得，此值的范围一般为7%～10%。

根据
《煤矿安全规程》中的规定：氮气防火注入的氮气浓度不得低于97%，注入后采空区内氧气浓度不得大于7%，所以此值取7%；
N--注入氮气的氮气浓度，%；根据《煤矿安全规程》中的规定：
氮气防火注入的氮气浓度不得低于97%，注入后采空区内氧气浓度不得大于7%。

同时根据《煤矿用氮气防灭火技术规范》（MT/T701-1977）
第7.2条的关于氮纯度的规定“注入采空区的氮气纯度取决于其将采
空区中的氧浓度降低到煤自燃临界氧浓度的能力。

而向火区注入氮气
浓度应不低于97%。

”因此取97%；
根据以往国内外注氮灭火经验，防火注氮量一般为5m3/min左右；灭火注氮量，原则上最初的注氮强度要大，然后逐渐降低注氮强度。

若采用开放式注氮方式，则灭火注氮量需求更大。

因此选择制氮能力
为1000m3/h DT-1000/6一套煤矿用移动式碳分子筛制氮装置。

（2）氮气输送管道的选择
根据《煤矿用氮气防灭火技术规范》(MT／T701-1997)第7.4.1条
和7.4.2条的规定：从井下供氮时，除应采用钢管外，在满足输氮压
力的情况下，可选用耐压橡胶软管，但进入采空区或火区的管路必须
采用钢管。

氮气输送管道的直径应满足最大氮气输送流量和压力的要求。

供氮压力可按下式进行计算：
哪里：
P2--管线末端的绝对压力，MPa（此值不应低于0.2MPa）；
Qmax--最大氮气传输流量，m3／h；
D0--参考管径，150mm；
Di--实际氮气输送管直径，mm；
Li--相同直径的管道长度，km；
λ0--参考管径的阻力损失系数，0.026；
λi--实际氮气输送管直径的阻力损失系数，对于不同的钢管直径，则有如表1的关系：
在实践中，输氮管路一般均选择50～l00mm管径的钢管，因23103工作面最远注氮距离达2700m，制氮装置所能提供的压力P1按0.6Mpa
计算，由下式可知，在此压力下注氮主管最长输氮距离为：
计算得最长输氮距离：管径为50mm时，L=0.180km；管径为70mm 时，L=1.028km；管径为80mm时，L=2.068km；管径为100mm时，
L=6.747km。

所以选择管径100mm氮气输送管道完全能满足工作面注氮
和灭火的要求。

采空区埋设管路选用Φ100mm的无缝钢管。

转弯处、
进风隅角埋管处管路连接采用耐压橡胶软管。

采空区埋设输氮管路采
用螺纹管接头连接，并需有独立的专用阀门。

（3）氮气输送管道敷设要求
① 管道铺设应尽量减少弯曲，要求平、直、稳，接头不漏气。

每
节钢管的支点不少于两点，不允许在管路上堆放他物。

低洼处可设置
放水阀。

② 氮气输送管道分岔处设置三通截止阀和压力表。

③ 氮气输送管道应进行防锈处理。

④ 定期对输氮管道进行试压和检漏。

（4）注氮现场安全通风
根据《煤矿用氮气防灭火技术规范》(MT／T701-1997)第11.2条
的规定，注氮现场及其连接巷道的安全通风量根据以下公式计算：
哪里：
Q0--工作场所的安全风量，m3／min；
QN--最大氮气泄漏，m3／min，取16.67 m3／min；
CN--泄漏氮气中的氮气浓度，%，取97%；
C1--工作面或巷道中的原始氧浓度，取20.8%；
C2--工作场所安全氧浓度指数，取18.5%；
在输氮管路沿途或工作面，假设所输送1000m3/h的氮气全部泄漏，能否造成泄漏区域缺氧。

根据工作场所安全氧浓度指标18.5%的要求，经计算，此时巷道的安全风量应为129.01m3/min(取150 m3/min)，通
风人员应随时监测23103材料巷、皮带巷、措施巷风量，保证风量处
于安全风量以上。

二、注氮灭火工艺和方法
1、制氮设备
根据注氮能力和注氮压力的计算，选用DT-1000/6煤矿用移动式
碳分子筛制氮装置，有关性能指标参数如下：
（1）结构类型：分体式轮轨移动式
（2）氮气生产： 1000m3/h
（3）氮气纯度：≥97%（可调）
（4）氮气输出压力：≥0.6MPa（可调）
（5）电的压： 660V/1140V
（6）电的控系统电的压： 127V
（7）装机功率： 370kW
（8）外形尺寸：3800×1700×2150mm×4（制氮装置）
3800×1380×2000mm×2（空气压缩机）
（9）全部的重量： 12.05t
2、注氮系统和制氮设备的安装要求
移动制氮机安设地点位于23103材料巷外段的制氮机安设硐室中，管路从23103材料巷道铺设至工作面末端，并埋在采空区内。

制氮装
置列车从里往外依次为：MOGF32/8-185G型空气压缩机2台（一用一备）、空气缓冲罐车1台、吸附塔车2台、储氮罐车1台。

氮气发生器的安装室应满足以下要求：
（1）制氮装置中的电的气设备，必须取得《防爆检验合格证》。

（2）制氮室设置在进气通道内，供风量取安全通风量150 m3/min 和按AQ1056-2008计算得机电的硐室配风量330 m3/min两者大值，取330m3/min。

（3）制氮装置必须有独立的供电的电的源和馈电的开关，硐室应
设专用电的话。

（4）安装制氮装置的硐室平、直而且支护良好；巷道顶板及两侧
喷水泥砂浆加固，水泥砂浆厚度不小于2～3cm，底板用水泥砂浆抹平
并留有专用水沟。

（5）制氮装置室内必须悬挂完善的管理牌。

（6）制氮装置的腔室必须按要求配备消防材料。

3、注氮灭火方法
（1）氮气释放口的位置
防灭火注氮地点选择在工作面进风侧，注氮释放管口应处于采空
区氧化带内。

参考煤炭科学研究全部的院沈阳研究院2010年5月编制
的《谢沟煤矿主要煤层自燃综合防治方案设计》，本设计把氮气释放
口的位置暂定为距工作面50m（48m）。

沿材料巷向采空区埋设一条注
氮管路，随工作面推进50m后开始注氮，同时埋入第二条注氮支管，
当推过第二条注氮支管50m后，同时停止第一条管路的注氮，再重新
埋设注氮管路，以此类推。