国家能源集团神东煤炭集团乌兰木伦煤矿通风队 内蒙古鄂尔多斯 017205
摘要：为了有效控制和扑灭井下采空区火灾，以注氮为主的防灭火是井下预防火灾和减少火灾事故损失的一种非常有价值和实用的技术。乌兰木伦煤矿针对综采工作面采空区自然条件，通过合理选择注氮方法和工艺，制定操作规范和注氮技术要求，现场实施后有效抑制了综采工作面采空区煤炭自燃发火现象，对于开采自燃煤层煤矿火灾防治具有积极的推广价值。
关键词：采空区；注氮防火；技术
引言
随着矿井生产能力的提高，综采设备的不断更新增加，工作面搬家倒面时间越来越长，特别是综采工作面临近末采时采空区遗煤多，且工作面通风路线短、风阻小、漏风量大，因此，末采期间采空区防火问题显得尤为突出。乌兰木伦煤矿31408、31409综采工作面采空区防灭火治理采用了注氮技术，有效实现了综合防灭火任务，在应对井下采空区煤炭自然火灾隐患方面起到了关键作用。从煤矿在采空区防灭火应用注氮技术的实践中可以看到，综采工作面采空区注入氮气后，该区内O2含量急剧下降，CO含量明显减少；持续注入氮气一个月，该区内O2、CO、含量几乎为零，防灭火效果很好。
一、氮气在采空区内的作用
1、采空区内注入大量高浓度的氮气后，氧气浓度相对减小，氮气置换氧气而进入到煤体裂隙表面，这样煤体表面对氧气的吸附量降低，在很大程度上抑制或减缓了遗煤的氧化放热速度。
2、采空区内空气是紊流、过渡流和层流的多孔介质。非线性渗流场，易于蓄热积温，形成遗煤氧化自燃。采空区注入氮气后，降低了漏入采空区的风量，减少了空气中的氧气与煤炭直接接触的机会，在采空区内部形成一个氮气隔离区域，起到了隔绝空气的作用。
3、注入氮气温度一般为14-150C，氮气在流经煤体时，吸收了煤炭氧化产生的热量，可以减缓煤升温的速度和降低周围介质的温度，使煤的氧化因聚热条件的破坏而延缓或终止。
4、采空区内的可燃、可爆性气体与氮气混合后，随着惰性气体浓度的增加，爆炸范围逐渐缩小，氮气每增加1%时，爆炸下限提高0.017%，上限下降0.54%。当惰性气体与可燃性气体的混合物比例达到一定值时，混合物的爆炸上限与下限重合，此时混合物失去爆炸能力。这是注氮防止可燃、可爆性气体燃烧与爆炸作用的另一个方面，氮气是一种较为理想的防火材料。
二、案例分析注氮技术在煤矿采空区防灭火中的应用
氮气通常状况下是一种无色、无味、无毒的气体，一般氮气比空气密度小，不自燃，也不参与燃烧。注氮防灭火技术是利用氮气的化学惰性，防治采煤工作面采空区自然发火的有效方法之一。采空区自燃火灾往往发生在顶板或冒落区内较高的位置，而采用注浆、喷洒阻化剂等常规防灭火手段，防灭火材料往往不能到达发火的区域，起不到有效的防灭火作用。由于氮气比空气轻，所以当氮气注入采空区后，不但可以向上浮动而且可以向四周扩散并充满整个采空区，降低采空区的氧气浓度，从而达到抑制采空区自然发火的目的。综采工作面采空区发生了一起浮煤氧化自燃事故，经过向采空区连续注氮一个月的治理，最终得到有效控制。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆从现场抢险到后续治理的情况来看，注氮防灭火技术的应用比较成功，在事故处理中发挥着关键的作用。
1、煤矿采空区自燃发火事故概况
该煤矿井田面积44.1053平方公里，采用斜井综合开拓布置方式，矿井生产能力核定为400万吨/每年，主要开采31、12煤层、煤层自燃倾向性均为I类容易自燃，两煤层煤尘均具有爆炸性。当日，通风队采空区检查瓦检员在31409回顺靠近31408采空区进行采空区密闭排查时发现观测管内CO浓度明显上升有，立即报告通风队值班人员，经检测，该采空区密闭内CH4浓度为0.02％，CO浓度为184ppm，温度为11℃，分析认为31408采空区内有浮煤氧化现象可能造成煤炭自然。确认采空区有自燃发火征兆后，矿方通风部门随即启动事故应急救援预案，利用注氮泵站采取以下方式进行注氮、1）钻孔注氮。施注地点附近巷道向井下火区或火灾隐患区域打钻孔，通过钻孔将氮气注入火区。2）插管注氮。工作面起采线，停采线，或巷道高冒顶火灾，可采用向火源点直接插管进行注氮。3）墙内注氮。利用防火墙上预留的注氮管向火区或火灾隐患的区域实施注氮。
2、注氮技术在煤矿采空区防灭火中的应用
（1）注氮防灭火操作相关要求。为了提高氮气的利用率与注氮效果，控制采空区或发火区域的气体指标，必须对回采工作面采空区、已封闭采空区及巷道火区采取相应的堵漏、均压措施。输氮管路须平、直、稳，设置三通阀门，加强软管的管理和维护，杜绝漏气、打死褶或被浮煤压埋，管路分岔处及管路中的阀门要严格检查，不可随意开、关。同时，制氮操作工人要认真负责，严格按要求操作，设备出现异常时必须及时汇报，严禁将氮气浓度低于97%的空气注入火区。开始注氮前，管路工先打开井下卸气阀门，待氮气浓度达到97%以上后，方可打开注氮点阀门，关闭卸气阀门，开始正式注氮。在注氮结束后，必须及时关闭通向采空区中的管路闸阀，以防止空气串入采空区。
（2）注氮促进采空区气体的惰化进程。31408采空区在采终封闭后乙烯、乙炔、气温、水温等指标符合正常要求，但是氧气一直维持在13%左右一氧化碳180ppm左右。为解决此问题，通风部门研究决定采用连续注氮的方式向31408采空区区注氮，并在31408密闭前对密闭帮顶进行混凝土喷注。用压风管路连接注氮机在采空区密闭上连续注入氮气，一个月后井下就形成了非常大的正压，采空区的气体惰化进程，之后31408采空区的氧气浓度降低至2%一氧化碳5ppm、各项指标维持正常并且稳定一个月以上。
在采空区自燃发火防治技术中，注氮防灭火技术是最有效的方法之一。随着采空区中注入氮气浓度的增加，O2浓度就会呈下降趋势，使氧含量维持在2% 以下，达到破坏煤炭自燃的一个要素，使其氧含量降到煤自燃临界值以下，有效地防止了采空区遗煤的自燃，杜绝了爆炸的可能性。注入氮气后，由于氮气的温度低于火区的气体温度，加之氮气在注入火区后的流动范围大，有明显的降温作用。注氮防灭火技术成本低、工艺简单，是防治煤矿井下采空区自燃发火难题的有效手段，具有非常广阔的发展前景。
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论文作者:杨冬
论文发表刊物:《防护工程》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/2
标签：采空区论文; 氮气论文; 工作面论文; 浓度论文; 煤矿论文; 技术论文; 井下论文; 《防护工程》2018年第17期论文;