慈林山煤矿注氮方案及安全技术措施

慈林山煤矿注氮方案及安全技术措施一、氮气防灭火设计方案（一）、概况：现我矿开采的15#煤层属于自燃中厚煤层，矿井采煤工作面采空区采用以注浆为主注氮为辅的防灭火系统。考虑矿井处于停产状态，注浆所需的粉煤灰材料附近赵庄电厂还没有建设投产，根据我矿防灭火设计及矿井实际生产情况，故矿井停产期间采用马户场地ZD-1100型注氮设备作为矿井防灭火工作的主要系统，能满足井下每小时注氮936m3的要求。（二）、氮气防灭火工艺1、我矿氮气防灭火的氮气源由风井工业场地制氮车间经已铺设好的4寸注氮管路将纯度97%以上氮气注入到工作面采空区达到防灭火的目的。2、此项措施作为采煤工作面采空区防治煤层自燃发火的主要措施之一，矿井在工作面推进速度慢和停产情况下，采空区自燃发火隐患就越大，则必须采取向采空区实施注氮。3、具体方案为：在15101回采工作面运输顺槽埋设直径为4寸钢管，工作面采空区处埋设3寸高压胶管，工作面高压胶管每隔30米设置一个三通，注氮严格按照操作规程执行，一旦需要注氮则将预埋高压胶管与主管接通，对采空区实施注氮。埋管期间综采队要注意保护好注氮管，严禁注氮管被撞开、压扁，影响埋管质量。（三）注氮气可靠性计算：1、注氮设备主要技术指标DT-1100型氮气产量1100m3/h出口压力0.8Mpa氮气纯度≧97%2、输氮系统马户风井制氮车间→回风斜井→15煤回风巷→15101运输巷，均采用4寸无缝钢管。注氮管路能否满足输氮气要求通过下式计算：P1﹣P2＝0.0056（Qmax/1000）*L………………①式中：P1-管道始端的绝对压力MpaP2-管道末端的绝对压力MpaQmax-最大输氮量m3/hL-管路当量长度KmL计算式为：L=o)i/(×5)/(DiDo×Li……………………………②式中：Do-----基准管径（Do=100mm）阻力损失系数：o=0.026Li………………相同直径管路长度kmDi………………实际输氮管路内径mmi………………实际输氮管路直径的阻力损失系数Di=99mmi=0.0296将以上数据代入②计算：L=（100/95）5×(0.0296/0.026)×1.10=1.597km假设管路末端绝对压力0.2Mpa将以上数据代入①计算得：P1=0.0056（200/1000）2×1.597＋P2P1=0.21Mpa根据以上计算，从地面制氮机到15101采空区的输氮管路长度为2750米的情况下，管路初段压力只需0.53Mpa，便可将1100m3/h的氮气输送到15101采空区内，末端的绝对压力还有0.2Mpa，因此制氮机氮气出口压力0.8Mpa完全满足要求。3、注氮地点安全通风量在输氮管路的沿途或工作面，假设1100m3/h的氮气量全部泄漏到巷道里或工作面，是否漏氮气的地区缺氧，其安全通风量大可按下式计算：Q≧Qn(Cn＋C2－100)/(C1－C2)m3/min式中：Q-----安全通风量Qn------氮气最大泄漏量18.33m3/minC1------工作面或进风巷的氧气含量20.8%C2------注氮时采掘工作面安全氧气含量＞18.5%计算得：Q＝18.33×（99.95＋18.5－100）/（20.8－18.5）＝147m3/min根据计算工作面或巷道风量只要是大于147m3/min便是安全的，同时可算出18.33m3/min的氮气量全部泄漏到巷道内或工作面中，则氧气含量只降到20.44%也是安全的。井下日注氮量计算：（1）火区空间体积计算：Vk＝LI[h(1－a)＋m]式中Vk-----火区空间体积m3L----------火区走向长度m取15mI-----------火区倾斜长度m取72ma----------取冒落体碎裂系数取1.3h----------顶板冒落高度取煤层厚的3倍m---------采高取3.5m所以Vk＝LI[h(1－a)＋m]＝15×72×[3×60×＋3.5]=3780m3根据防火空间的大小及燃烧程度，注氮量应按防火空间的0.75-2.5倍计算，我矿暂定注氮量为防火空间体积的1.5倍。Q=kVk=1.5×3780=5670m3采空区注氮量为注氮机工作5小时时间。二、供氮能计算与选取从理论上讲注氮流量越大，防灭火的效果就越好，由于每个矿井的煤层地质条件、开拓开采条件及其它影响因素各不相同，因此确定防灭火注氮流量就成为一个重要问题。设计时既要充分考虑制氮能力能满足防灭火所需注氮流量要求，又要考虑经济合理性。工作面防火注氮量的大小，主要取决于采空区的几何形状、氧化带空间大小、岩石冒落程度、漏风量大小及采空区内气体成份的变化等诸多因素。根据《煤矿用注氮防灭火技术规范》（MTT701-1997）的规定，采用下式计算，其实质是将采空区氧化带内的原始氧气含量降到防火惰化指标以下。1602210CCCCkQQNN式中：QN——注氮流量，m3/h；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、采空区的冒落等诸多因素的影响而在很大的范围内变化，因此采空区氧化带的漏风量的变化范围也较大，一般按工作面风量的1/60～1/100选取。该矿15#煤工作面设计风量为1200m3/min，在正常生产期间工作面上下端头均挂设风幛，可有效减少向采空区的漏风，因此，采空区氧化带内的漏风量暂取6m3/min，并根据实测数据进行调整；C1——采空区氧化带内平均氧气浓度，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，因为氧化带的范围不同而平均氧浓度值也不同，一般取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，其范围一般为7%～10%，取7%；CN——注入氮气的浓度，根据《煤矿安全规程》第238条的规定：采用氮气防灭火时，注入的氮气浓度不小于97%，因此取97%；K——备用系数，一般1.2～1.5，现取1.3。经计算得：QN=936m3/h。三、注氮防灭火工艺和方法1、注氮方式注氮方式分为开放式注氮和封闭式注氮。开放式注氮，即是在需要注氮的区域未封闭的情况下，进行的一种注氮方式。一般在不影响工作面正常工作的情况下，利用大量的氮气使得采空区内氧化带的氧含量降低到能使浮煤发生自燃的浓度以下，从而达到防灭火的目的。开放式注氮适用于推进中的工作面采空区早期自燃的防灭火工作。封闭式注氮，为控制火情或防止瓦斯爆炸，将发生火灾或积聚瓦斯的区域先封闭后进行注氮。当封闭的火区内漏风严重或者存在有大量高浓度瓦斯时，可采取封闭式注氮来降低氧含量并抑制瓦斯爆炸。我矿注氮系统在15#煤层正常回采期间采用开放式注氮方式，工作面回采完毕或火区封闭后采取封闭式注氮方式。2、注氮防灭火方法连续性注氮——工作面开采初期和停采撤架期间，或因地质原因，或因机电设备原因造成工作面推进缓慢，宜采用连续性注氮。间断性注氮——工作面正常回采期间，可采用间断性注氮。我矿在15#煤层正常回采期间注氮方式采用间断性注氮；在15#煤层开采初期、停采撤架期间、推进速度缓慢或出现自燃隐患时改用连续性注氮。3、注氮防灭火工艺防灭火注氮地点选择在15#煤层工作面进风侧，注氮释放管口应处于采空区氧化带内。由于我矿15#煤层自燃危险性较大，为保证及时、简便处理15#煤层在工作面回采期间发生的自燃隐患，设计采取垮步埋管注氮工艺，即沿工作面运输巷巷道左帮底部埋设一趟注氮管路，其中第一个氮气释放口设在开切眼，其它释放口间距以30m（注氮管口的移动步距暂时选定为30m，可通过实际注氮效果考察进行修正）。当第一个释放口埋入采空区30m后开始注氮，同时埋入第二趟注氮管路。当第二趟注氮管口埋入采空区30m后向采空区注氮，同时停止第一趟管路注氮，并又重新埋设注氮管路，如此循环，直至工作面采完为止。如果发现注氮压力异常或管路堵死，必须立即倒换管路。氮气释放口应高于底板，注氮口距底板巷道高度应在300mm以上，90°弯拐向采空区，与工作面保持平行；一般情况下，为防止注氮管口被砸或堵塞，尽量用石块或木垛等加以保护，氮气释放口处管路可打1m花眼，并用铁丝网包裹。注氮管埋设及释放口位置四、防止向注氮区域内漏风和氮气泄漏的措施采空区漏风状态决定了氮气在采空区内的滞留时间，同时也决定着间歇性注氮的注氮周期。采空区漏风强度越小，两次注氮的间隔时间就越长，注氮效果好而且经济。同时氮气具有气体共同的性质扩散性。根据气体扩散原理，浓度差是扩散的推动力。而注入到采空区内氮气要达到防灭火的目的，根据《煤矿安全规程》规定，其浓度应不低于97%，因此，不可避免地将出现采空区氮气向工作面和两巷扩散采空区注氮释放口注氮管道30m10m20m10m的现象。这样，由于氮气泄漏导致采空区氮气浓度降低，从而对采空区防火不利；另一方面，泄漏到工作面及两巷的氮气将污染工作面环境，造成人员的窒息或者瓦斯事故的发生。所以，必须做好防止向注氮区域内漏风和采空区氮气泄漏的安全措施。1、工作面上下端头堵漏为保证向注氮区域内漏风和氮气泄露，首先，在15#煤层工作面进回风隅角吊挂挡风帘，并拆卸锚网索零部件使回风隅角顶煤充分冒落，减少漏风。同时在工作面回采期间在工作面上下顺槽采取积极的堵漏措施。即每隔30m在上下端头各搭建一个挡风墙，在挡风墙外部设置挡风帘，挡风墙和挡风帘的施工方式如图所示。即：首先沿底板铺设风帘布，而后在风帘布的一端垒设黄泥（沙）袋子墙，墙体宽度1～2m，之后将风帘紧贴袋子墙吊起，把风帘布的另一端利用铁丝挂设在巷道顶板的锚网上，这种方式施工的袋子墙具有很好的堵漏效果。同时还要加强管理，每班规定专人对挡风墙的质量和挡风帘的悬挂位置进行视察，如出现挡风墙上部不接顶等漏风现象立即组织人员堵漏。1－进风巷；2—回风巷；3—工作面；4，5，6，7—封堵墙；8—综采支架；9—采空区充填材料在工作面上、下隅角封堵示意图30m169234578袋子墙和挡风帘施工方式示意图（沿工作面走向垂直剖面）五、注氮操作办法1、注氮前必须认真检查各项准备工作，注氮埋管期间通风科要与综采队密切配合，确保氮气管路及其附属安全装置完好检查各阀门开闭情况是否符合要求及制氮装置的完好性。2、各项工作准备就绪后，制氮机组操作人员应通知调度室。3、调度室同意后，通知采面注氮人员打开注氮阀门，同时通知制氮司机按规定时间及质量要求开机制氮、送氮。后尾梁位置顺槽方向采空区方向风帘布铁丝风帘布袋子墙风帘布袋子墙4、制氮机严格按操作规程进行操作，制氮过程中制氮司机必须坚守岗位，随时注意观察氮气的压力、浓度和机组各处的阀门，保证机组的正常运行及氮气质量。六、注氮安全措施及注意事项氮气虽无毒无害，但是井下狭窄的巷道或工作面内大量泄漏会降低空气中的氧气浓度，使人窒息死亡。因此，必须做好注氮期间的预防和处理措施：1、为确保安全，注氮前通风队巡查管路人员必须巡查管路完好情况，确认完好后汇报调度室。由调度室通知综采工作面跟班队干和工作面瓦斯员后，方可进行注氮。2、注氮前必须认真检查管路、注氮位置和各阀门开关状态是否符合要求。3、为防止注氮管路开关被随意打开和关闭应在阀门上挂上“注氮危险，勿动”文字警告牌，并对所有开关加锁。4、定期对氮气出口的安全阀门进行可靠性检测。5、工作面采空区注氮时，应在进风顺槽挂上“工作面正在注氮”的文字警告牌，并通知三班作业人员，一旦氧气浓度降到18.5%时，立即通知制氮司机停止注氮，及时寻找原因和撤离人员。6、同时测定好工作面、回风流及采面上隅角一氧化碳、二氧化碳、瓦斯以及温度情况。一旦发现异常立即汇报调度室、通风科。7、注氮期间，通风科安排专人携带测氧仪器全面检查输氮管路的严密性，每次注氮后，必须有两人一起沿管路铺设巷道仔细进行管路与阀门的检漏工作，在注氮期间，每人巡视一遍管路，一经发现氮气泄漏时，应立即组织人员及时排除故障，漏气严重时，应立即停止注氮并关闭最近阀门，防止氮气大量泄漏。同时调度室通知停止注氮，处理时严禁人员口鼻正对漏气点。8、在注氮过程中，如发生主扇停风，造成工作面停风，瓦斯、安全员或工作面跟班