联合注氮防灭火技术在黄白茨煤矿的应用.pdf
第 42 卷第 1 期能 源 与 环 保 Vol. 42 No. 1 2020 年1 月 China Energy and Environmental ProtectionJan. 2020 收稿日期 2019 - 10 - 04; 责任编辑 陈朋磊 DOI 10. 19389 / j. cnki. 1003 - 0506. 2020. 01. 013 作者简介 王 刚( 1975-) , 男, 辽宁朝阳人, 副研究员, 硕士, 2009 年毕业于辽宁工程技术大学, 现从事通风防灭火研究工作。 引用格式 王刚. 联合注氮防灭火技术在黄白茨煤矿的应用[ J] . 能源与环保, 2020, 42( 1) 60- 62, 66. Wang Gang. Application of fire control technology by using combined nitrogen injection in Huangbaici Coal M ine[ J] . China Energy and Envi- ronmental Protection, 2020, 42( 1) 60- 62, 66. 联合注氮防灭火技术在黄白茨煤矿的应用 王 刚1, 2 ( 1. 煤科集团沈阳研究院有限公司, 辽宁 抚顺 113122; 2. 煤矿安全技术国家重点实验室, 辽宁 抚顺 113122) 摘要 高瓦斯近距离煤层群自然发火防治问题一直是煤矿火灾防治方面的一项难题。工作面自然发 火一般采取单一的灭火方式。针对煤矿自然发火, 提出联合注氮的理念进行灭火, 分析了氮气与液氮 的灭火机理, 并在黄白茨煤矿021005 工作面进行了实施。对工作面注液氮、 注氮气进行防灭火, 随后 获得的气体监测数据证明, 防火效果较为理想, 为高瓦斯煤矿近距离煤层群防灭火治理方面积累了宝 贵经验。 关键词 高瓦斯煤矿; 近距离煤层群; 氮气; 液氮; 防灭火 中图分类号 TD752. 2 文献标志码 A 文章编号 1003 - 0506( 2020) 01 - 0060 - 03 Application of fire control technology by using combined nitrogen injection in Huangbaici Coal Mine Wang Gang1, 2 ( 1. Shenyang Research Institute, CCTEG, Fushun 113122, China; 2. China State Key Laboratory ofCoal M ine Saf ety Technology, Fushun 113122, China) Abstract Gas close distance coal seam group of spontaneous combustion prevention and control of coal mine fire prevention and control is the key aspect of a problem. In view of the working face general adopt the mode of single fire extinguishing spontaneous combustion. For coal spontaneous combustion, this paper put forward the concept of a combination of nitrogen injection for fire extinguishing, nitrogen and liquid nitrogen fire extinguishing mechanism were analyzed, and the methods of nitrogen and liquid nitrogen fire extinguishing were put into practice. The gas monitoring data has proved that the ideal results have been achieved, and has accumulated valuable experience for fire control of coal mine with close- distance coal seams. Keywords coal mine with high gas content; close distance coal seam group; nitrogen; liquid nitrogen; fire prevention 0 引言 氮气防灭火技术在我国开始于 20 世纪 80 年代 初, 经过 30 余年的实验研究和实地应用已经形成了 较为完善的技术体系, 现阶段还广泛地应用在防止 群煤、 采空区自燃, 井下火区的扑灭等方面。液氮与 氮气相比, 体积小( 0 ℃时两者体积比为 1 / 647) , 尤 其便于井下的贮运。液氮防灭火就是从地面或井下 向已封闭的火区灌注氮气加速火区的熄灭; 液氮防 灭火就是从地面或井下向已封闭的火区灌注氮气加 速火区的熄灭[ 1]。 国内外学者一般都采用注氮气或液态氮单一方 式来预防和控制采煤工作面自然发火, 本文在黄白 茨煤矿 021005 工作面架间出现阴燃的情况下采取 地面注液氮和井下注氮气的联合方式取得了成功, 为煤矿防灭火治理积累了宝贵经验。 1 氮气与液氮灭火机理 氮气通常状况下是一种无色无味的气体, 且通 常无毒, 占大气总量的 78. 12%( 体积分数) , 是空气 的主要成分。在标准大气压下, 冷却至 -195. 6 ℃ 时, 变成无色液体即液氮, 冷却至 - 218. 8 ℃时, 液 态氮变成雪状的固体。氮气的化学性质很稳定, 常 温下很难与其他物质发生反应。注液氮技术就是在 06 万方数据 2020 年第 1 期王 刚 联合注氮防灭火技术在黄白茨煤矿的应用 第 42 卷 工作面初采、 回采、 收尾期间将液氮注入到工作面后 方一定距离的采空区内, 从而快速降低采空区温度 和惰化采空区内气体。其防灭火机理为 ①降温作 用; ②惰化作用; ③隔离作用[ 2- 5]。 2 021005 工作面概况 021005 工作面位于黄白茨煤矿南盘区 922 轨 道下山南翼, 距地表垂深 195 ~ 206 m。021005 工作 面上部为九层煤采空区, 下部为十二层实体煤, 东为 021007 进风巷, 南为五虎山井田边界, 西为 021003 采空区, 北为 922 轨道下山。021005 工作面于 2017 年 11 月上旬形成, 工作面走向长 1 242 m、 倾向长 216 m, 共安设 146 部支架, 采用走向长壁式全部垮 落法综合机械化开采。2018 年 1 月 20 日 12 时 12 分, 矿安全监测监控员向调度员汇报 021005 工作面 回风巷一氧化碳传感器超限报警, 最大值为 25 10 - 6, 同时井下瓦检员向生产指挥中心汇报 021005 工作面一氧化碳传感器报警, 一氧化碳是从 021005 工作面 76 号支架掩护梁侧护板处涌出, 未发现明火 和烟雾, 也未发现温度升高现象。为防止工作面着 火, 矿方决定封闭工作面。021005 工作面与上覆工 作面关系平面如图 1 所示。 02.004切8 02.004BuB 02.004u8 02.0048 图 1 021005 工作面与上覆工作面关系平面 Fig. 1 Plan of relation between working face 021005 and overlying working face 3 注氮技术在 021005 工作面的应用 通过对采空区注入大量的高浓度的氮气, 惰化 采空区氧气浓度, 加速采空区进入窒息带, 同时大量 氮气的注入提高了采空区静压, 降低了采空区漏风 量, 也可抑制上部火区有毒有害气体的侵入[ 6- 8]。 3. 1 注气态氮能力的选择 按工作面采空区漏风量选择 根据 煤矿用氮 气防灭火技术规范 ( M T/ T 701-1997) 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) 可按式( 1) 计算[ 9- 12] QN= 60KQ0 C1- C2 CN+ C2- 1 ( 1) 式中, Q0为采空区氧化带内漏风量; C1 为采空区氧 化带内平均氧浓度; C2为采空区惰化防火指标, 其 值为煤自燃临界氧浓度, 此值一般为 7% ~ 10%; CN 为注入氮气的浓度( 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%。 煤矿用氮气防 灭火技术规范 ( M T/ T 701-1997) 第 7. 2 条的关于 氮气纯度的规定 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%) ; K为备用系数, 取 1. 2。 计算得供氮量 QN为 735 m3/ h。 021005 工作面注氮布置如图 2 所示。 开切8 02.0048 02.004u8 r采B7 Z255 2;39 10 m 10 m 图 2 021005 工作面注氮布置 Fig. 2 Diagram of nitrogen injection arrangement on working face 021005 3. 2 注氮后数据分析 束管分析人员每周采集 021005 工作面 76 号架 顶、 110 号架顶、 上隅角气样进行气相色谱分析, 监 测数据见表 1-表 3。从表中数据可以看出, 架间、 上隅角均未出现 CO 等自然发火标志性气体, 工作 面高温区域得到了有效治理。 3. 3 注液氮方式选择 液氮防灭火主要可以分为地表钻孔输液氮和井 下巷道直注液氮 2 种。地表钻孔输液氮主要通过利 用快速接头软管将液氮罐车中的液氮经地表钻孔输 送至井下液氮硐室, 由减压阀减压后通过不锈钢液 氮管路及煤柱钻孔注入工作面采空区。这种方式可 以长时间大量提供液氮, 可以用于矿井常规防火。 井下巷道直注液氮主要是将小型液氮罐运送至发火 区域附近, 然后通过管路将液氮注入所需区域。这 16 万方数据 2020 年第 1 期 能 源 与 环 保第 42 卷 种方法更为方便快捷, 无需铺设大面积的管路, 可以用于井下发火应急处置。 表 1 021005 工作面 76 号架掩护梁处气体监测数据 Tab. 1 Gas monitoring data at No. 76 shield beam on working face 021005 取样日期 O2/ %N2/ % CO/ 10- 6 CO2/ %CH4/ %C2H6/ %C2H4/ %C2H2/ % 5 月 2 日 4. 735 481. 758 2012. 953 30. 553 1000 6 月 10 日3. 773 7 81. 864 1012. 383 71. 978 5000 7 月 1 日 2. 240 581. 068 6010. 018 03. 802 60. 016 400 8 月 5 日 2. 170 380. 670 809. 547 93. 795 20. 014 300 9 月 10 日3. 637 8 80. 414 3012. 087 93. 516 40. 014 100 10 月 22 日4. 704 1 79. 625 6010. 885 73. 934 30. 019 200 11 月 5 日 3. 555 979. 915 704. 221 12. 729 10. 020 400 12 月 3 日 1. 651 778. 979 5010. 904 75. 935 70. 024 100 表 2 021005 工作面 110 号架顶梁处气体监测数据 Tab. 2 Gas monitoring data at No. 110 shield beam on working face 021005 取样日期 O2/ %N2/ % CO/ 10- 6 CO2/ %CH4/ %C2H6/ %C2H4/ %C2H2/ % 5 月 2 日 4. 763 781. 584 3013. 065 60. 586 4000 6 月 10 日4. 165 4 81. 571 2012. 029 22. 234 2000 7 月 1 日 3. 639 680. 305 509. 149 24. 401 30. 020 000 8 月 5 日 3. 673 280. 256 708. 698 24. 238 60. 019 800 9 月 10 日3. 804 6 79. 840 2011. 238 14. 766 20. 019 700 10 月 22 日3. 567 8 79. 116 7011. 473 25. 275 10. 023 200 11 月 5 日 3. 907 079. 229 804. 069 23. 364 30. 024 200 12 月 3 日 1. 376 179. 525 4011. 303 65. 160 10. 021 900 表 3 021005 工作面上隅角气体监测数据 Tab. 3 Corner gas monitoring data on working face 021005 取样日期 O2/ %N2/ % CO/ 10- 6 CO2/ %CH4/ %C2H6/ %C2H4/ %C2H2/ % 5 月 2 日 4. 889 281. 620 7012. 910 60. 579 5000 6 月 10 日3. 986 7 81. 874 4013. 425 70. 713 2000 7 月 1 日 3. 213 980. 886 309. 518 12. 770 50. 008 300 8 月 5 日 3. 458 781. 328 708. 978 22. 889 10. 003 900 9 月 10 日3. 804 6 79. 840 2011. 238 14. 766 20. 019 700 10 月 15 日3. 770 6 79. 623 308. 936 24. 740 0000 11 月 5 日 3. 629 480. 790 304. 106 81. 780 80. 010 100 12 月 3 日 1. 519 080. 802 2011. 612 63. 152 20. 009 100 3. 4 注液氮量计算 021005 工作面及上覆九层煤空巷封闭空间计 算 ( 1) V=V021005+V九层= 82 798 m3。 ( 2) 021005 工作面内有效空间计算 V021005= V021005回顺+V021005运顺+V021007进风+V工作面及采空区+V横川= 40 218 m3。 ( 3) 九层煤空巷有效空间计算 V九层= V020909运顺+ V020911回顺+ V020911回配+ V横川= 42 580 m3。 ( 4) 注液氮量计算 T=V/ 600 K; T= 180 t。 式中, T为工作面注液氮量; V 为 021005 工作面及 上覆九层煤空巷有效空间; K为采空区充填系数。 1 t 液氮气化后按 600 m3的氮气计算, 因此以 总体积除以 600 m3得出需要 180 t 液氮充填满 021005 工作面及上覆九层煤采空区有效空间。 3. 5 注液氮效果分析 021005 工作面通过地面往井下铺设注氮管路, 注氮后使工作面及采空区氧气浓度达到 5%以下, 使工作面采空区散热带变短、 氧化带变长, 氧化带加 速进入窒息带, 保证了工作面安全开采。 4 结论 ( 1) 021005 工作面通过地面和井下联合向工作 面注入液氮和氮气, 防止了工作面上部有害气体通 过裂隙侵入工作面, 同时也防止了本煤层采空区自 然发火发生。( 下转第 66 页) 26 万方数据 2020 年第 1 期 能 源 与 环 保第 42 卷 [ J] . 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