23103综放工作面注氮防灭火专项设计.doc

山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿 23103综放工作面注氮防灭火专项设计 〔2011〕通设 号 编制单位斜沟煤矿通风科 编制时间2011年10月25日 23103综放工作面注氮防灭火专项设计 审批 矿总工程师 生 产 副总 地 测 副总 矿 调 度 安 监 处 生产技术科 通 风 科 机电供应科 综 采 队 编 制 23103综放工作面注氮防灭火专项设计 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煤自燃倾向性等级为Ⅱ类，工作面防灭火工作十分重要。参照煤炭科学研究总院沈阳研究院2010年5月编制的斜沟煤矿主采煤层自然发火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。为了防止输氮管路和采空区泄漏氮气造成人员伤害、保证注氮防灭火效果，特编制如下专项设计。 一、工作面概况 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、西部均为实煤区，上部为8煤的18107、18109采空区，平均层间距为46.29m。 2、工作面有关参数 走向长度2420.9m，煤层厚度为5.95-16.68m，平均13.8m。 平均采高机采3.6m，放煤高度10.2m。 瓦斯等级低瓦斯，容重1.44t/m3。 煤层硬度f2～5，煤质牌号气煤。 自燃倾向性Ⅱ类自然，煤层倾角（度）6.8～10.7，平均8.9。 工作面倾斜长 214.34m。 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。 因23103工作面采空区遗煤较多、范围广、空间大，所采13煤自燃倾向性等级为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。根据煤炭科学研究总院沈阳研究院2010年5月编制的斜沟煤矿主采煤层自然发火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 QN60KQ0 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，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； 可计算得供氮能力 m3/h 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 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，m3／h； D0基准管径，150mm； Di实际输氮管径，mm； Li相同直径管路的长度，km； λ0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 表1 不同管径阻力系数值 管径Di，mm 50 60 70 80 100 150 阻力系数λi 0.034 0.033 0.032 0.031 0.029 0.026 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，根据下式计算在此压力下的注氮主管的最长输氮距离为 计算得最长输氮距离管径为50mm时，L0.180km；管径为70mm时，L1.028km；管径为80mm时，L2.068km；管径为100mm时，L6.747km。所以选择管径100mm输氮管路完全能够满足工作面注氮防灭火的要求。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）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16.67 m3／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1000m3/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-1000/6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 1000m3/h （3）氮气纯度 ≥97（可调） （4）氮气输出压力≥0.6MPa（可调） （5）电 压 660V/1140V （6）电控系统电压127V （7）装机功率370kW （8）外形尺寸380017002150mm4（制氮装置） 380013802000mm2（空压机） （9）总 重 量12.05t 2、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23103材料巷外段的制氮机安设硐室中，管路从23103材料巷敷设至工作面端头埋入采空区。制氮装置列车从里往外依次为MOGF32/8-185G型空压机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。 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150 m3/min和按AQ1056-2008计算得机电硐室配风量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 （1）氮气释放口的位置 图1 注氮管路系统布置示意图 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。参考煤炭科学研究总院沈阳研究院2010年5月编制的斜沟煤矿主采煤层自然发火综合防治方案设计，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。 在具体实施过程中，应根据对采空区“三带”的动态变化规律及采空区气体分布规律的实时观测分析做出合理确定和调整。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。工作面注氮口位置如图1所示。 （2）注氮方法 采用预先铺设管路注氮方式，连续注氮方法。 三、劳动组织 23103工作面注氮防灭火工程作业人员每班由5人组成，司机1人，负责开泵；组长1人，负责机组开停与巡查管路；专职电工1人，负责机组及其电器设备的维护；另2人配合司机启动机组，并负责巡查管路。 五、管理制度 1、各生产队组、科室应充分发挥其协作配合作用，不得私自拆移、破坏矿井注氮设施。矿井注氮防灭火系统、设施的拆移必须由通风科安排综采队注氮 组进行作业。 2、矿井注氮灭火材料、设备、资金应列入矿财务、供应和生产计划中，并保证及时、足量供给。 3、矿通风、安监部门负责监督检查本设计方案的贯彻实施。 4、使用注氮防灭火系统前，必须建立完善的束管监测系统，并由综采队负责及时延接束管监测管路，保证其连续正常工作。 5、注氮期间，23103工作面必须设置专职瓦检人员，加强采空区的氮气泄漏情况与工作面的氧气浓度检查。 6、每班的氮气注入量不得随意调整；需要调整时由通风科根据推进度、配风量等因素进行计算、经矿总工程师同意后进行调整。 7、注氮作业时，由综采队对工作面上、下隅角采取打设风幛措施进行封堵，减少向采空区漏风。 8、在管路上安设观察孔，定期测定注氮管路中的氧气浓度，发现氧气浓度大于3时，应及时停止注氮，查明原因，进行处理。首次注氮时（含以后每次重新开启制氮设备），应将管路中的空气排空，待注氮管路中的氧气浓度低于3时，方可开始注氮。 9、注氮作业期间，由通风科组织对23103工作面进行适度的均压调节，减少采空区的氮气泄漏。 10、注氮期间，通风科派专人检查注氮灭火区及工作面的气体、气温、煤温、出水温度、钻孔气体等情况，并进行每周采气样化验。分析注氮防灭火效果，包括注氮前、后的采空区的三带变化情况、注氮量、注氮扩散半径、注氮口移动步距等，定期提出分析报告。 11、注氮作业过程中，工作面的氧气不得低于20，否则立即停止作业，撤出人员，同时降低注氮流量或停止注氮。 12、制氮设备的管理人员和注氮操作人员必须经过培训，考试合格，并取得上岗证后，方可上岗。综采队注氮组必须建立操作规程、工种岗位责任制、机电设备维护检修制度。 13、注氮管路连接好后，由空压机加载空气进行管路耐压试验，检查泄漏，耐压压力必须达到0.8MPa。 14、注氮设备安装完好后，由通风科干部跟班进行首轮注氮试验，试验宽度不小于15m的氧化带宽度。试验期间，查找注氮设备及注氮方法当中存在的问题，提出改进、完善意见，进一步完善修改注氮专项设计。 15、首次注氮试验，通风科干部在进风隅角注氮连接口监控排出空气直到输出氮气的过程，检查输氮管路阀门及注氮支管阀门的密封情况；采空区注氮支管阀门除正常注氮期间，其余时间应处于长闭状态。密切观察工作面风流中的氧气浓度和各项气体，气体浓度异常时，必须及时撤人并调小注氮流量，确保安全生产。 16、进风隅角注氮连接口必须设置三通调节阀门，并保证连接牢固可靠。检测氧气浓度小于3时，方可切换至注氮接口。当检测释放口附近巷道风流的氧气浓度低于18时，必须先关闭输氮出口，并有专人观察输氮管路密封情况。 17、正常注氮期间，通风科干部与瓦检人员必须沿工作面上隅角、回风流不断巡回检查，密切观察各项气体的动态涌出情况并每半小时记录一次涌出数值。通风科技术组收集首轮注氮期间的各项数据，并绘制变化曲线。 18、首轮注氮期间，每天束管采集采空区气样进行化验、分析。 19、正常注氮期间，瓦检人员密切观察工作面上隅角氧气浓度情况及各项气体的涌出情况，气体超限时，严禁人员进入，并标明范围，悬挂警标。 20、回采期间一旦工作面因遇地质构造推进速度缓慢停滞不前或监测到自然发火标志气体且呈现快速增长趋势时，则应加大采空区注氮量，同时配合采取均压、堵漏措施，并加强火区监测。 21、机电供应科负责编制注氮装置供电设计和注氮管路吊挂设计（管路刷漆）；生产技术科负责编制注氮硐室设计。 22、综采队跟班队长、当班工长、安全员、瓦检员及其他流动作业人员、管理人员必须携带便携式测氧仪器。 六、操作规定 1、注氮设备的安装维护由综采队负责，矿调度必须在注氮装置硐室及注氮口各安设一部专用电话，保持通信畅通。 2、注氮泵站司机、注氮工必须携带测氧仪。注氮司机在注氮设备的下风侧测量风流中氧气浓度，当浓度低于20时，必须停止注氮设备运转，查找泄露源并及时汇报通风调度，进行处理。 3、建立注氮防灭火记录台帐，每班由注氮组当班组长负责填写注氮防灭火记录表。 4、接班后，全面检查维护注氮泵站及注氮管路系统，确保设备完好。及时冲洗、清理设备上的浮煤。 5、一切正常后，开启空压机 （1）按启动按钮； （2）拨动载荷开关至加载状态； （3）观察是否异常。 6、当净化空气压力表指示值0.6MPa时 （1）按制氮机启动按钮，设备进入自动运行阶段； （2）开启流量计下游球阀，调节流量值到所需数值； （3）当氮气浓度97时，将产气阀切换到送气管路。 7、注意事项 （1）每10～20分钟开启各排污球阀，排出水分（非常重要）； （2）随时观察空压机和制氮机的运转情况。 8、关机操作 （1）拨动载荷开关至卸载状态； （2）按制氮机停止按钮，设备处于停止状态； （3）手动排净吸附塔内的压缩空气； （4）关闭各设备电源和水源。 9、注氮结束后，电话汇报当班组长，两端同时关闭阀门，方可停机。 10、当班组长必须对注氮效果进行检查，严防漏注，发现漏注必须及时进行补注。 11、每天工作结束后，必须关闭开关，切断电源。填写注氮防灭火记录表，并进行签字。 12、通风科、综采队的跟班队干下井必须对该面的注氮效果进行检查，发现问题及时处理。 13、制氮装置使用严格执行煤矿安全规程、煤矿用氮气防灭火技术规范（MT/T701-1997）及使用说明书要求。 14、注氮工程结束后，矿总工程师要组织有关人员对注氮前、后的灭火效果进行分析、评价。 15、注氮防灭火记录表附后。 七、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、注氮组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、注氮组组长要认真作好制氮装置的运行记录，每小时记录一次制氮压缩机的压力和温度，每两小时记录一次制氮机出口氮气压力，流量和浓度。 5、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。 6、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。 7、人员吸入氮气处理措施 氮气为无色无臭气体，化学性质不活泼，不燃，微溶于水、乙醇。空气中氮气含量过高，使人员吸入氧气分压下降，会引起缺氧窒息。氮气泄露，人员吸入氮气浓度不太高时，最初感觉胸闷、气短、疲软无力；继而有烦躁不安、极度兴奋、乱跑、叫喊、神情恍惚、步态不稳，可进入昏睡或昏迷状态。吸入高浓度，患者可迅速昏迷、因呼吸和心跳停止而死亡。 现场急救措施为吸入氮气后，迅速脱离现场至空气新鲜处；保持呼吸道通畅，感觉呼吸困难者立即使用压缩氧自救器；如呼吸心跳停止，立即进行人工呼吸和胸外心脏按压术。初步的急救措施实施后，立即升井就医。 8、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，由跟班队长、安全员、瓦检员带领人员迅速沿以下路线撤出工作地点→23103材料巷→23103辅运联络巷。 注 氮 记 录 表 地 点 年 月 日 观测日期 开始时间 时 分 结束时间 时 分 注氮量 m3 空气使用量 m3 时间 O2 N2压力 N2纯度 N2流量 空压机压力 空压机温度 排污时间 当班班长签字 交接班班长签字 说明每小时记录一次。