某煤矿采煤工作面防灭火注氮设计

采煤工作面注氮防灭火设计根据《煤矿安全规程》第二百三十二条规定：“开采容易和自燃煤层时，必须对采空区、突出和冒落孔洞等孔隙采取预防性灌浆或全部充填、喷洒阻化剂、注阻化泥浆、注凝胶、注惰性气体、均压等措施，编制相应的防灭火设计，防止自然发火。”2010年煤炭科学研究总院抚顺分院对我矿19#煤层煤炭自燃倾向鉴定，属于Ⅰ类容易自燃煤层，煤层自然发火期为12个月。XX煤矿21902采面，按2012年采掘接续计划回采时间为2012年4月—9月，可采期为6个月，同时地质资料提供自燃发火期为6—12个月；通过近四年的实际观测我矿各采面的自燃发火期均在12个月以上，但为保证21902采面的安全生产，特编制21902采面注氮防灭火设计，21902采面采空区一旦有发火迹象时，采取注氮防灭火措施,内容如下：一、注氮防灭火方案1、注氮防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、常压条件下氮气很难与其它物质发生化学反应，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，即时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，或者使采空区中因氧含量不足而使遗煤不能氧化自燃。（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。2、氮气来源选取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。煤矿井下移动式制氮机主要有变压吸附法和薄膜分离法。本设计采用DT型煤矿用移动式碳分子筛制氮装置（变压吸附法）。3、供氮能力、输氮管路的计算与选取（1）供氮能力计算注氮量是最重要的注氮参数，直接决定着注氮效果。注氮量太小因达不到惰化采空区气体的目的而起不到防火的作用，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：制氮设备或装置的供氮能力应按矿井注氮工作面防火需要选取，供氮能力（1个工作面注氮量）可按下式计算：式中：QN——供氮能力，m3/h；K——备用系数，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，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，因为氧化带的范围不同而平均氧浓度值也不同，因此选10%；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：采用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%；CN——注入氮气的氮气浓度，%；根据《煤矿安全规程》中的规定：采用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“向采空区注入氮气的纯度要视其能将采空区的氧浓度降低到煤自燃临界氧浓度而定。而向火区注入氮气浓度应不低于97%。”因此取97%；防火注氮量在324m3/h；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600m3/hDT-600/6型煤矿用移动式碳分子筛制氮装置一套。（2）输氮管路的选取根据《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。输氮管路的直径应满足最大输氮流量和压力的要求。供氮压力可按下式进行计算：主要大巷管路选直径100mm无缝钢管1537米，21902采煤工作面下顺选直径100mm无缝钢管1358米。式中：P2——管路末端的绝对压力，MPa（此值不应低于0.2MPa）；Qmax——最大输氮流量，600m3/h；D0——基准管径，150mm；Di——实际输氮管径，mmLi——相同直径管路的长度，km0——基准管径的阻力损失系数，0.026；λi——实际输氮管径的阻力损失系数，对于不同的钢管直径，则有如表1的关系：在实践中，输氮管路选择l00mm管径的钢管，注氮硐室至21902工作面最远注氮距离达2895m，制氮装置所能提供的压力P1按0.3Mpa计算，根据下式计算在此压力下的注氮管的最长输氮距离为：计算得最长输氮距离：管径为100mm时，L=14.837km。选择管径100mm输氮管路完全能够满足工作面注氮防灭火的要求。（3）输氮管路的铺设要求①管路的铺设应尽量减少拐弯，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输氮管路的分岔处应设置三通截止阀及压力表。③输氮管路应进行防锈处理。④定期对输氮管路进行试压检漏。（4）注氮地点的安全通风量根据《煤矿用氮气防灭火技术规范》(MT／T701-1997)第11.2条的规定，注氮地点及与其相连巷道的安全通风量按下式计算：式中：Q0——工作场所的安全风量，m3/min；QN——最大氮气泄漏量，m3/min，取16.67m3/min；CN——泄露氮气中的氮气浓度，%，取97%；C1——工作面或巷道中原始氧气浓度，取20.8%；C2——工作场所的安全氧浓度指标，取18.5%；在输氮管路沿途或工作面，假设所输送600m3/h的氮气全部泄漏，能否造成泄漏区域缺氧。按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797m³/min(大于129.01m3/min)，通风人员应随时监测21902上下顺的风量，保证风量处于安全风量以上。二、注氮防灭火工艺和方法1、制氮设备根据注氮能力和注氮压力的计算，选用DT-600/6型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：分体轮轨移动式（2）氮气产量：600m3/h（3）氮气纯度：≥97%（4）氮气压力：0~0.6MPa（5）电压：660V/1140V2、注氮系统与制氮设备的安装要求移动制氮机安设地点位于11904上顺注氮硐室，制氮装置列车从里往外依次为：空压机、空气缓冲罐车、吸附塔车、储氮罐车。制氮机安设硐室应满足以下要求：（1）制氮装置中的电气设备，必须取得《防爆检验合格证》。（2）制氮硐室设在进风巷道中，供风量取安全通风量150m3/min和按AQ1056-2008计算得机电硐室配风量330m3/min两者大值，取330m3/min。（3）制氮装置必须有独立的供电电源和馈电开关，硐室应设专用电话。（4）安装制氮装置的硐室平、直而且支护良好；巷道顶及两帮均用水泥砂浆喷涂加固，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）制氮装置硐室内必须挂有完善的管理牌板。（6）制氮装置硐室内必须按规定配齐消防材料。3、注氮防灭火方式及注氮管路的铺设（1）氮气释放口的位置图1注氮管路布置示意图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。本设计把氮气释放口的位置定为21902下尾巷内，下顺注氮管每隔20m处设一处阀门，工作面每推到阀门前，将注氮管阀门打开，随着工作面的推移，把打开阀门的注氮管路填埋到采空区内，以此类推。（2）注氮方法采用预先铺设管路注氮方式，连续注氮方法。（3）注氮管路铺设要求管路安装路线：注氮硐室→19层材料下山→19层专用回风巷→21902下顺（管路长度2895m）附图2安装管路要求：21902下顺铺设管路为4寸无缝钢管，每隔20米处设置一个阀门。其他地点铺设管路为4寸无缝钢管。三、安全技术措施（一）注氮设备操作安全注意事项1、注氮司机不得擅自离岗，不得任意开停制氮机。2、注氮人员要经常注意制氮机运行状态，要经常检查制氮机各部位接头、管路的密封情况，加强维护。发现异常及时处理；当发生故障又无法处理时，应先停机，并通知注氮管路监测人员关闭各注氮支管阀门，故障排除后，应通知注氮管路监测人员，打开原规定的注氮支管阀门，待得到阀门开启确切消息后，才允许启动制氮装置。3、注氮工要经常检查注氮主管与支管的运行状态，随时记录各注氮支管孔板流量计的注氮量与注氮压力，发现有泄漏及时检修处理。当注氮主管或支管发生崩管时，要及时通知制氮机站，关闭制氮机，停止输氮。4、制氮机长期停用时，应分别将吸附塔、氮气储罐、空气储罐的压力排泄，因分子筛怕油、水、粉尘的污染，应定期排泄水分和油分。5、注氮机组司机必须密切注意注氮机的压力表及氮气浓度的变化情况，如压力和浓度发生突然变大、变小，要及时停机，并关闭机组阀门，停止往外输出氮气。（二）注氮安全注意事项1、为确保安全，注氮前派专人巡检注氮管路，确认管路完好后汇报调度室，由调度室通知注氮负责人和采面专职瓦检员后方可进行注氮。2、注氮前必须认真检查管路、注氮位置和各阀门开关状况是否符合要求。3、注氮初期使管路内“憋气”，通风区指定专人迅速巡视注氮管路系统，检查有无漏气，发现漏气立即处理；确认注氮系统无问题后，先排空管路中氧气，当氧气低于3%时方可向采空区内注氮。4、定期对氮气出口的安全阀进行可靠性检测。5、为了防止氮气涌出造成人员窒息，在采面安排专职瓦斯检查员携带多功能气体测量仪随时进行检测CH4、CO、O2等气体浓度。检查地点包括架间、上隅角、21902采面回风流，当检查发现CO浓度超过0.0024%或氧气浓度小于18.5%时，必须立即撤离受威胁地点并汇报调度室根据现场情况采取措施、进行处理。6、巡检管路人员要保证注氮管路三通阀门关闭，不被人打开，以免发生氮气泄露造成人员伤害。7、为保证采空区氮气不泄露或少泄露，在下隅角和上隅角分别吊挂一组挡风帘。8、21902采面下顺内工作人员一旦有呼吸急促等缺氧征兆时，要立即外撤到新鲜风流中。9、利用地面束管监测系统监控分析21902采面上隅角、采空区等处的气体成分，监测采空区内氧气浓度是否控制在7%，以便验证注氮效果。10、注氮结束后继续检测工作面及回风流的各种气体浓度。11、所有参与注氮及相关的人员必须由各有关部队组织学习并严格按措施执行。12、避灾路线当采空区发生自然发火或注氮管路发生泄漏无法现场处理时，立即汇报矿调度，由安全员、瓦检员带领人员迅速沿以下路线撤出：工作地点→21902运输顺槽→二采区皮带运输巷→-560入风巷→19层材料下山→-325车场→副井井筒→地面。