羊場灣煤礦大采高工作面回收期間的液氮防滅火技術應用

王學兵 康新榮 徐耀輝

（神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司羊場灣煤礦，寧夏回族自治區(qū)靈武市，751409）

羊場灣煤礦大采高工作面回收期間的液氮防滅火技術應用

王學兵 康新榮 徐耀輝

（神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司羊場灣煤礦，寧夏回族自治區(qū)靈武市，751409）

以羊場灣煤礦120204大采高綜采工作面回收為背景，論述了地表鉆孔注液氮防滅火技術原理、技術工藝、井下液氮鉆孔布置情況及地表鉆孔灌注液氮最大允許注氮量。對比工作面注液氮前后溫度和CO濃度變化情況說明實施的效果，確保了工作面的安全回收。

地表鉆孔 液氮 防滅火 羊場灣煤礦

1 120204工作面概況

羊場灣煤礦是神華寧煤集團的主力生產礦井之一，設計生產能力1500萬t／a，礦井共有2個自然井，兩井生產系統(tǒng)相互獨立。礦井現(xiàn)開采煤層屬易自燃煤層，自然發(fā)火等級Ⅰ級，自然發(fā)火期為1～3個月，最短自然發(fā)火期23 d，煤層自然發(fā)火嚴重影響著礦井安全生產。

羊場灣煤礦一號井12采區(qū)下部屬于二級熱害區(qū)域，平均地溫梯度3～4.5℃／100 m，夏季工作面回風流溫度達34℃。120204工作面是羊場灣一號井12采區(qū)第四個大采高綜采工作面，工作面距地表平均垂深481.1 m，工作面走向長3270 m、傾斜長300 m，平均煤厚7.4 m，設計采高5.6 m。采用 U型后退式通風系統(tǒng)，設計風量1513 m3／min。工作面正?；夭善陂g主要采取 “灌漿、注氮、堵漏、快速回采”等綜合防滅火措施，但隨著礦井開采深度增加、開采范圍內地溫升高等因素影響，工作面收尾回收期間防滅火難題突出。2012年5月22日-6月4日，在120204工作面收尾、回收期間實施了地表鉆孔輸液氮防滅火技術，有效抑制了工作面采空區(qū)自然發(fā)火，確保了工作面安全回收。

2 地表鉆孔注液氮防滅火技術應用

2.1 地表鉆孔注液氮防滅火技術原理

液氮防滅火的機理主要有3個方面，一是液氮氣化過程中，短時間內吸收大量熱量，快速降低采空區(qū)積聚的熱量；二是高濃度氮氣擴散能夠增大采空區(qū)內氣體靜壓，減小采空區(qū)漏風；三是使采空區(qū)內氧化濃度分布范圍明顯回縮，惰化采空區(qū)。

工作面液氮鉆孔需要根據工作面 “三帶”劃分及火源點位置來確定，以便保證氮氣釋放口位于發(fā)火區(qū)域。通過地表鉆孔向井下輸液氮時必須先完成管路預冷，開始流量一般不宜過大。氮氣屬于窒息性氣體，為保證安全和防火效果，將液氮鉆孔設在工作面進風一側，液氮釋放后，順著漏風方向移動，可加強防火效果，并有利于安全。

2.2 地表鉆孔注液氮防滅火技術工藝

地表鉆孔輸液氮防滅火技術采用神寧煤化工公司附屬產品液氮，利用液氮降溫、惰化的性質，實現(xiàn)采空區(qū)防滅火和降溫的目的。地表鉆孔輸液氮防滅火技術利用快速接頭軟管將液氮槽車中的液氮經地表鉆孔輸送至井下液氮硐室，由減壓閥減壓后通過不銹鋼液氮管路及煤柱鉆孔注入工作面采空區(qū)，地表鉆孔輸液氮系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 地表鉆孔輸液氮系統(tǒng)工藝流程圖

2.3 井下液氮鉆孔布置

大采高綜采工作面與一般綜采工作面相比，采空區(qū)三帶范圍明顯加大，預防采空區(qū)自然發(fā)火難度增加。因此，必須通過縮小 “三帶”范圍為工作面安全推進創(chuàng)造條件，而液氮具備加注時間短、流量大特點，可有效惰化采空區(qū)，縮短采空區(qū) “三帶”范圍。

表1 采空區(qū)自燃 “三帶”劃分表 m

對采空區(qū)自燃 “三帶”的劃分主要通過向采空區(qū)預埋觀測管或傳感器，觀測采空區(qū)氧氣及其他氣體濃度分布，并據此推算出漏風強度來實現(xiàn)。根據羊場灣煤礦現(xiàn)場觀測分析及計算，可以得到采空區(qū)浮煤厚度分布、氧氣濃度和漏風強度分布，然后將采空區(qū)內下限氧氣濃度、上限漏風強度繪制成等值線，并將其繪制在同一張平面圖上，即得到采空區(qū)自燃 “三帶”。采空區(qū)自燃 “三帶”劃分如表1所示。根據大采高工作面采空區(qū) “三帶”劃分，將液氮鉆孔 （1?！?＃）設計在采空區(qū)氧化帶距工作面50 m之后，鉆孔間距30 m，隨著工作面推進依次通過120205風巷向120204工作面采空區(qū)進行施工。鉆孔角度14°，鉆孔終孔距底板1.0 m、孔深40 m，鉆孔具體布置如圖2所示。

圖2 120204工作面液氮鉆孔布置圖

2.4 地表鉆孔灌注液氮最大允許注氮量

開放式灌注液氮防滅火工藝要根據采空區(qū)注氮量全部泄漏到工作面計算出最大允許注氮強度：

式中：Qmax——按采面回風道允許氧濃度18%計算的采空區(qū)允許最大注氮強度，m3／h；

Q——工作面風量，m3／min；

C1——采面初始氧濃度，可取21%；C2——工作面允許氧含量，可取18%。

羊場灣煤礦設計風量1513 m3／min，停采回收期間，工作面風量按照設計風量的一半左右進行分配，具體計算如下：

120204工作面回收期間機巷封閉后，工作面形成局部通風系統(tǒng)，其配風量按照 《煤礦安全規(guī)程》的有關規(guī)定進行計算，并選取如下計算的最大值：

（1）按人數計算：

式中：N——工作的人數，按最多30人取值。

經計算，Q=120 m3／min。

（2）按瓦斯涌出量進行計算：

式中：q——采煤工作面回風巷風流中平均絕對瓦斯涌出量，取0.91 m3／min；

k——采煤工作面瓦斯涌出不均勻系數，根據羊場灣煤礦一號井2011年度礦井瓦斯及自然發(fā)火等級鑒定，取1.13。

經計算，Q=103 m3／min。

（3）按最低風速進行計算：

式中：v——煤礦安全規(guī)程規(guī)定采區(qū)進回風巷的最低允許風速，取0.25 m／s；

s——羊場灣工作面平均斷面積，取30.1 m2。

經計算，Q=451.5 m3／min。

因此，120204機巷封閉后，120204工作面回收期間 （機巷封閉后）設計風量取452 m3／min；同理計算得出，120204工作面支架回收前 （風巷封閉前）設計風量取為770 m3／min。

120204工作面支架回收前 （風巷封閉前）最大充許注氮量Qmax=7700 m3／h；120204工作面回收期間 （機巷封閉后）最大充許注氮量Qmax=4520 m3／h。

由于1 t液氮汽化可以形成約800 m3氮氣，通過計算120204工作面支架回收前最大注液氮量不得超過9 t／h，120204工作面回收期間最大注液氮量不得超過5 t／h。

3 實施效果

為確保120204工作面安全回收，工作面距停采線120 m開始，根據工作面氣體濃度變化和實際需要，階段性實施地表鉆孔防滅火技術，累計向120204采空區(qū)注液氮228 t。注液氮期間通過人工采樣、人工檢測等手段分析，證明實施地表鉆孔輸液氮防滅火技術后，工作面支架行人側及支架尾梁后方溫度可由32℃左右降至28℃左右，工作面注液氮前后溫度變化曲線如圖3所示。

在工作面采取注液氮措施前，100＃支架CO濃度接近0.000024%，上隅角CO濃度甚至高達0.00008%，嚴重威脅礦井的安全生產。注液氮期間，CO濃度逐步降低，100＃支架CO濃度始終小于0.000008%，上隅角CO濃度始終低于0.000015%，回風流CO濃度始終低于0.000005%，液氮防滅火的效果顯著，有效地抑制了煤的自燃。120204工作面CO濃度變化曲線如圖4所示。

4 結論

（1）羊場灣煤礦120204工作面實施地表鉆孔輸液氮防滅火技術后，工作面回收期間回風流CO濃度始終低于0.000005%，防滅火效果顯著，應用前景廣闊。

（2）地表鉆孔輸液氮防滅火技術在保證液氮防滅火效果的同時，省略了液氮槽車運輸環(huán)節(jié)，有利于礦井安全生產。

（3）地表鉆孔輸液氮防滅火技術與其他防滅火手段相比，具有工藝簡單、效果明顯、安全可靠、成本低廉等優(yōu)點，是煤礦井下理想的防滅火手段，同時在節(jié)能減排方面社會效益顯著。

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Application of fire prevention and extinguishment by liquid nitrogen during recovery of working face with great mining height in Yangchangwan Coal Mine

Wang Xuebing，Kang Xinrong，Xu Yaohui
（Yangchangwan Coal Mine，Shenhua Ningxia Coal Mining Group Co.，Ltd.，Lingwu，Ningxia 751409，China）

Based on the recovery of 120204 fully mechanized working face with great mining height in Yangchangwan Coal Mine，the technical principle，process，layout of underground boreholes for liquid nitrogen injection and the maximum allowable nitrogen injected volume were described.The temperatures and the CO concentrations at working face before and after liquid nitrogen injection were compared.The results showed that the safe recovery of working face was guaranteed.

drilling，liquid nitrogen，fire prevention and extinguishment，ground，Yangchangwan Coal Mine

TD753.2

A

王學兵 （1971-），男，寧夏平羅人，采煤工程師，1995年畢業(yè)于寧夏煤炭工業(yè)大學采礦專業(yè)，現(xiàn)任神華寧煤集團有限責任公司羊場灣煤礦通風副總工程師，主要從事煤礦 “一通三防”技術管理工作。

（責任編輯 張艷華）