張慧芳

（大同煤礦集團機電裝備科工安全儀器有限責任公司， 山西 大同 037001）

引言

煤炭自燃的瞬間將會產(chǎn)生大量有毒氣體，威脅礦井內(nèi)部工作人員的生命安全，阻礙煤礦開采工作的正常開展，同時自燃的煤炭還會引燃礦井內(nèi)部的瓦斯，導致瓦斯爆炸事故，給社會和企業(yè)帶來不可估量的損失[1-3]。煤炭自燃火災在礦井內(nèi)采空區(qū)發(fā)生的概率較高，尤其是沒有進行封閉處理或者封閉不嚴實的采空區(qū)[4]。目前常用的煤炭自燃滅火方法是往采空區(qū)內(nèi)部注漿，達到隔絕空氣的目的，但是該方法的滅火時間長、效率低、成本高，而伴隨制氮機的出現(xiàn)，氮氣滅火在礦井煤炭自燃處理中成為了可能[5-6]。近年來碳分子篩制氮機的應用越來越廣泛，現(xiàn)結合實際的工作經(jīng)驗及煤礦工作面的現(xiàn)狀，開展碳分子篩制氮機在煤礦滅火中的應用技術研究，以便更好地指導相關煤礦滅火工作。

1 工作面概況

工作面的具體情況如下：工作面的長度為210 m，推進距離為1 950 m，總面積為39 萬m2，煤炭儲存量約為435.5 萬t，回采煤炭的含量為365 萬t。煤層的傾斜角度為4°～9°，煤層厚度范圍為5～9 m，自然發(fā)火的等級為II 級，發(fā)火期共64 d。煤層的老頂?shù)刭|(zhì)組成為中粗砂巖，厚度范圍約為2.5～12 m，直接頂?shù)牡刭|(zhì)組成為泥巖，厚度范圍為0～3.5 m，偽頂?shù)刭|(zhì)組成為炭質(zhì)泥巖，厚度范圍為0～0.5 m，直接底地質(zhì)組成為砂質(zhì)泥巖，厚度范圍為0～0.9 m。

2 氮氣防滅火原理及惰化指標

氮氣作為無毒無害的氣體，其常溫環(huán)境中的化學性質(zhì)極為穩(wěn)定，既不會與其他物質(zhì)發(fā)生化學反應，也不會燃燒，還不支持燃燒，因此可以作為滅火氣體使用。氮氣可以迅速滅火，不腐蝕工作面現(xiàn)場設備設施，同時氮氣能夠低溫液化，便于存儲與運輸，滅火優(yōu)勢極其顯著，備受國內(nèi)外各界人士的廣泛關注。氮氣注入煤礦工作面內(nèi)部，會對采空區(qū)起到惰化作用，既能降低煤炭氧化自燃的速率，又能增加工作面采空區(qū)內(nèi)部的氣體壓力，提高內(nèi)部的壓強，降低工作面的漏風量，同時氮氣的注入還能減小工作面內(nèi)的氧氣濃度和瓦斯?jié)舛?，提高工作面的整體防火能力。具有的氮氣滅火作用的原理如圖1 所示。

圖1 氮氣滅火作用原理圖

氮氣滅火惰化指標選擇煤炭自燃的臨界氧濃度，根據(jù)前期的工作確定了該工作面內(nèi)煤層出現(xiàn)自燃的臨界氧濃度值為7%，因此，此處要求氮氣注入工作面之后氧濃度值不大于7%。

3 碳分子篩制氮機的選型

3.1 注氮量的確定

碳分子篩制氮機選型過程中的首要工作就是根據(jù)工作面的實際運行狀況確定所需的注氮量，滿足防火滅火的要求，同時也要考慮注氮的效率及經(jīng)濟性。該工作面的注氮量的確定執(zhí)行MT/T 701—1997標準，計算將工作面氧氣含量降低至防火惰化指標以下時的注氮量。經(jīng)過分析計算得到了該工作面滿足防火滅火要求時的注氮量為2 000 m3/h，結合國內(nèi)外現(xiàn)有注氮滅火經(jīng)驗，注氮強度應可調(diào)整，注氮初期強度要高，之后可逐漸降低。如果運用開放式的注氮形式，將需要更大的注氮量。為了保證該工作面防火滅火的要求，擬選擇3 套制氮能力為1 500 m3/h 的地面DTG-1500/6.5 型變壓吸附固定式碳分子篩制氮機組，其中的2 套用于正常工作，剩余1 套作為備用機。DTG-1500/6.5 型變壓吸附固定式碳分子篩制氮機具體參數(shù)如表1 所示。

表1 碳分子篩制氮機參數(shù)

3.2 制氮機輸?shù)€路及管道的設計

3.2.1 輸?shù)€路規(guī)劃

工作面內(nèi)部由制氮機制備得到的氮氣在工作面內(nèi)部的輸送路線對于氮氣輸送過程中的壓降、流量存在一定的影響，為了降低影響程度，結合工作面實際情況，確定了氮氣的輸送路線如下：制氮機制備得到氮氣→主斜井井筒→主斜井聯(lián)絡巷→輔運大巷→膠帶大巷檢修聯(lián)絡巷→膠帶大巷→膠帶順槽→工作面。

3.2.2 輸送壓力校核

輸?shù)艿乐械母晒苓x擇規(guī)格為Φ159 mm×6 mm 的無縫鋼管，總長度約為4 200 m，結合上述DTG-1500/6.5 型變壓吸附固定式碳分子篩制氮機的工作能力，確定了輸送管道出口位置壓力為0.2 MPa 時需要制氮機輸出壓力為0.5 MPa，小于制氮機的出口壓力0.65 MPa，滿足要求。同時要求輸?shù)苈蜂佋O過程中避免過多的拐彎，盡量做到平、直、穩(wěn)，確保接頭位置的密實度。管道的鋪設位置可以在工作面的底板，也可以吊掛于巷道邊緣，禁止管道承受外部載荷。輸?shù)苈酚龅椒植淼那闆r時需要配置滿足要求的三通和截止閥，定期進行試壓檢查。

4 制氮機滅火工藝及防漏措施

注氮工藝需要根據(jù)工作面的具體情況進行選擇，此處選擇邁步式埋管注氮工藝，埋管的步長設置為50 m，當頂煤垮落之后即進行注氮管的預埋鋪設工作。在第一步輸?shù)苈仿裨O50 m 的時候，即刻開始第二步輸?shù)苈返穆裨O，保持第一步輸?shù)苈氛Ｗ⒌?。但第二步輸?shù)芸诼袢?0 m 時，停止第一步輸?shù)艿雷⒌?，拆?0 m 輸?shù)艿溃诘诙捷數(shù)艿乐罄^續(xù)埋設，此時保持第二步輸?shù)艿雷⒌?，如此循環(huán)到達工作面停止。

氮氣注入工作面內(nèi)部的滯留時間與漏風量大小有關，漏風量越大氮氣滯留時間越短，氮氣防火滅火效果越差。常用的注氮防滅火的輔助方法是端頭封堵減少漏風。具體措施是在工作面的首、尾端頭設置粉煤灰墻，間隔尺寸為10 m，封堵墻的厚度為1.2 m，材料采用袋裝的煤桿末即可，保證搭建的尺寸滿足工作面巷道的要求，整齊劃一，控制封堵墻的首尾位置，確保封堵嚴實。

5 制氮機滅火安全要求及應用效果

制氮機作為工作面防火滅火的重要設施，任何人不得私自拆卸、移動、破壞，如果必須進行上述操作，需經(jīng)煤礦應急指揮中心的批準。制氮機使用單位需要準備足夠的制氮原材料，設置專職的運行維護人員，定期進行制氮機的保養(yǎng)與巡檢。制氮機工作過程中工作面內(nèi)部需要設置專職的瓦斯檢測人員，實時監(jiān)測工作面內(nèi)部的氮氣泄露與氧氣濃度比例，一旦超出7%的臨界值，需及時發(fā)出超限報警。制氮機的氮氣輸出量需要根據(jù)工作面內(nèi)的需求進行動態(tài)調(diào)整，嚴禁無理由降低或者提高工作面內(nèi)的注氮量，避免出現(xiàn)防火滅火功能失效或者工作面內(nèi)的空氣濃度過低，給工作面內(nèi)部工作人員造成安全隱患。制氮機配置的操作人員不得少于2 人，一位進行制氮機的操作與控制，另一位對工作面內(nèi)部注氮情況進行監(jiān)視并及時報告給制氮機操作人員實際情況，及時進行制氮機的控制操作。最后就是每一套制氮機系統(tǒng)需要配置2 個干粉滅火器和1 個不小于0.5 m2的消防沙箱，對制氮機操作人員進行培訓，使其掌握消防器材的操縱方法，同時確保消防供水系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

按照上述碳分子篩制氮機的選型與輔助設施的配置，在工作面內(nèi)進行了應用與實施，統(tǒng)計分析得到了每月工作面內(nèi)部的氧氣含量濃度的平均值，連續(xù)運行的半年時間內(nèi)氧氣濃度變化趨勢如表2 所示，工作面內(nèi)在2019 年3 月—8 月中的氧氣濃度（質(zhì)量分數(shù)）均處于5.8%～6.5%范圍之內(nèi)，由此可見碳分子篩制氮機的選型設計能夠將工作面內(nèi)部氧氣濃度可靠控制在煤層自燃臨界氧氣濃度（質(zhì)量分數(shù)）7%之內(nèi)，具有很好的防滅火效果，提高了礦井內(nèi)工作面的安全性，降低了煤層自燃發(fā)生的風險，保證了企業(yè)的煤炭開采效率及產(chǎn)量。

表2 2019 年工作面氧氣濃度（質(zhì)量分數(shù)）變化趨勢 %