1、氮气防灭火在 工作面采空区的技术应用娄树宏，（中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺；煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺）摘 要：采煤工作面是煤矿的第一生产现场，一旦发生火灾、爆炸等事故，会产生较为严重的损失，还会给工作人员的生命安全带来巨大威胁，防灭火技术的应用尤为重要。氮气防灭火是我国煤矿使用频率较高且相对成熟的技术。本文以某煤矿为案例，首先简介了该煤矿 工作面，其次概述了氮气防灭火技术的应用规范，最后研究了案例煤矿中 工作面采空区中氮气防灭火技术的应用。关键词：氮气防灭火；工作面；采空区；技术应用中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）煤矿工作面有着温度较高、视觉环境不佳、机械设
2、备数量多及作业空间狭小的特征，是发生矿井事故频率较高的区域。为了从根本上避免采煤工作面出现事故，需要注重预防。我国煤矿的采煤工作面在火灾防控时，经常使用氮气防灭火技术，在此过程中，应做好注氮防灭火工艺设计，严格遵守规范，确保该技术的效能可以得到最大限度发挥。案例煤矿 工作面概述某煤矿处于我国渭北高原，整体地形为低山丘陵。采煤工作面是该煤矿的首采面，呈现出北高南低、西高东低的地势特征。该煤矿煤仓以南 的位置为 工作面所在的方位，工作面的倾斜长度为，可采面积为，煤层平均厚度为，预估地质储量 万，采煤工作面的设计回采率为，能够被采集的煤炭总量大致为 万。氮气防灭火技术规范 供氮能力在煤矿使用氮气防灭
3、火技术时，应当对制氮装置或设备的供氮能力进行合理选取。具体来说，应以矿井注氮工作面防火注氮需要作为依据。一般情况下，一个单一采煤工作面的注氮量，就是制氮设备在该采煤工作面的供氮能力，在计算时可以按照如下公式：（）式（）中，表示制氮设备的供氮能力，；表示备用系数，一般取；表示煤矿采空区氧化带内部的漏风量，；表示煤矿采煤工作面采空区氧化带内部的平均氧浓度，通常以百分数的形式体现（）；表示煤矿采煤工作面采空区的惰化防火指标，一般使用煤自燃临界氧浓度体现，同样为百分数形式（）；表示注入采空区氮气浓度，通常用百分数的形式（）。输氮管路在进行输氮管路的敷设时，要注重把控两方面内容，分别是输氮管路材料的选取
4、、输氮管路的直径。首先，在确定输氮管路材料时，如果使用的输氮方式为地面供氮，供氮压力未超过，应当选择无缝钢管作为输氮管路的材料；如果使用的输氮方式为井下供氮，在选择输氮管路材料时，可以在与输氮压力契合的前提下，按照实际需要选择耐压橡胶软管，但进入火区或者采空区中的输氮管路材料必须为无缝钢管。其次，在选择输氮管路直径时，必须确保可以与最大数值下的输氮压力、输氮流量要求符合，在探究选择的特定直径的输氮管路的供氮压力是否与标准和规范满足时，可以采用如下公式进行计算：|（）式（）中，表示输氮管路供氮压力，；表示输氮流量的最大值，；表示基准输氮管路直径，通常为；表示实际选择的输氮管路直径，；表示基准输氮
5、管路直径（）的阻力损失系数，该系数为一常数，通常取；表示实际选择的输氮管路直径（）的阻力损失系数，当选择的输氮管路直径不同时，这一数值的确定通常需要参照表。DOI:10.13487/ki.imce.022912表 实际输氮管路直径（）的阻力损失系数取值表管道直径（）阻力系数 惰化指标氮气属于惰性气体。高危矿井中，氮气注入规模的增加会加大空气中的氮气浓度。在惰性气体特性的影响下，矿井爆炸范围能得到有效控制。矿井中可燃气体与氮气混合比例达到标准时，有限空间中爆炸条件的下限与上限两项指标呈现重合的情况，实现对矿井可燃性气体自燃和爆炸行为的充分抑制。在注氮期间，工作人员要合理应用惰化指标，确保矿井空气
6、中氧的比重始终低于氧化自燃的临界浓度。通常情况下，矿井工程灭火浓度为，防火浓度为。在一些高危矿井，防范瓦斯爆炸的浓度应达到。工作面采空区氮气防灭火技术的应用 注氮方式的选择将氮气防灭火技术应用到 工作面采空区的过程中，要对注氮防灭火工艺进行设计，较为重要的环节是选择恰当的注氮方式。通常来说，连续式和间歇式是使用频率较高的两种方式，具体选择何种方式进行注氮，要将采空区的氮气停留时间作为依据。本煤矿 工作面采空区的冒落状态相对良好，不存在过大的漏风渗流范围，采空区不具备良好的透气性，这意味着采空区中的氮气能停留较长时间，所以更适宜使用间歇式注氮方法。注氮量及注氮强度在确定注氮量时，需要遵守一项原则
7、，确保需要惰化处理的区域均能充满氮气。注氮量的计算可以使用如下公式：（）式（）中，表示注氮量，；表示注氮系数，其为常数，通常取；表示惰化带宽度，即 工作面长度，；表示惰化带长度，即工作面长度；表示惰化带高度，即工作面高度；表示松散系数，同样为常数，一般取。除了确定注氮量，还要对注氮强度充分明确，计算公式如下：（）式（）中，表示注氮强度，；的含义同式（），即注氮量，；表示注氮口的开启天数，；表示每一天注氮的时间，。值得一提的是，注氮强度的确定应当以 工作面采空区的“自燃三带”宽度、工作面推进速度、煤层自燃发火期等多项内容作为依据，进行确定与分析。注氮口位置及间距一方面，该煤矿 工作面采空区注氮释
8、放口布设时，应确保处于“氧化带”；另一方面，还要对采空区内部氮气的扩散范围进行充分考虑，确保进入采空区的氮气能实现有效扩散，对氧化自燃危险区域进行整体覆盖。根据本煤矿顶板冒落的特征及观测结果，将此次氮气扩散的直径设定为，半径设定为。在计算 采煤工作面与氮气释放口最小距离时，可以采用如下公式：（）式（）中，表示 采煤工作面与氮气释放口最小距离，；表示 采煤工作面采空区冷却带的宽度，；表示氮气的扩散半径，。除计算 采煤工作面与氮气释放口最小距离，还应对最大距离进行计算，可以采取如下公式：（）式（）中，表示 采煤工作面与氮气释放口最大距离，；表示 采煤工作面采空区冷却带与氧化带的宽度之和，；的含义同
9、式（），为氮气的扩散半径，。根据本煤矿的实际情况以及观测到的“三带”结果，将 采煤工作面采空区冷却带的宽度定为，氧化带的宽度设定为。根据（）（）两式进行计算后可以获悉，采煤工作面与氮气释放口最小距离为、最大距离为。在进行注氮口布置时，第一个注氮口需要布置在切眼，之后每间隔 设置一个注氮释放口。注氮管路的设置在进行注氮管路的铺设时，工作人员应与进风方向保持一致，沿着槽完成铺设。设置的注氮释放口应比底板高出。与此同时，为了确保注氮管路能与 采煤工作面保持平行状态，还需要使用 的弯管。应注意的是，切忌让孔口处于朝上的状态，还要使用木垛或石块等物体，有效保护铺设完的注氮管路，避免管道出现堵塞或损坏。注
10、氮设备的选择就我国煤矿当前使用的注氮系统来看，通常可划分成两个类别：井下注氮系统和地面注氮系统。相比井下注氮系统，地面注氮系统的优势更加明显，在使用过程中投入的费用较少，不仅如此，地面注氮设备具备较好的散热条件和工作环境，一旦出现问题，维修时无需过于费力，具备使用寿命更长的特性。按照空气分离工作原理，注氮设备被分成膜分离和碳分子筛变压吸附两种类别。前者设备体积不大，技术和工艺已发展到了相对成熟的阶段，有着较高的排气压力，设备开启直至输出合格氮气只需要经过，在设备运行期间能实现控制的全自动化，技术难度、故障率均较低。气体产品纯度、压力及产量均可以灵活调节。但在膜分离形式下，注氮设备前期要投入较多
11、成本，如果要制出大量的气体，还要有大面积的薄膜作为支撑，成本较高，对其推广产生了制约。相比膜分离注氮设备，碳分子筛变压吸附制氮装置在前期无需投入过多成本，在操作期间基本处于常压常温状态，故障发生率较低，但其自开启到输出合格氮气通常要经历，尚未实现全自动控制，当两组吸附塔处于交替运行状态时，还会生成较大的噪音。综合考虑两种类型注氮设备的特质，结合当前本煤矿的实际情况，由于碳分子筛变压吸附制氮装置的费用投入更低，决定选取一台能满足 采煤工作面采空区防灭火需求的碳分子筛变压吸附制氮设备，型号为 型，并配备一台固定式风冷型螺杆空气压缩机，型号为 型。总结综上所述，对煤矿采煤工作面采空区而言，氮气防灭火
12、技术的应用能在很大程度上抑制出现自燃和瓦斯爆炸事故的可能性。氮气防灭火技术在应用时投入的成本较少，有着良好的经济性。在作业期间，应在矿井中做好监测工作，将人工监测与系统监测有机结合，一旦指标性气体出现非常规情况，就能在采空区迅速完成注氮工作，降低火灾造成的损失。参考文献：何勇军，易欣，王伟峰，等煤矿井下电气火灾智能监控与灭火技术综述煤矿安全，（）：刘永立，王海涛基于知识图谱的火灾及耦合灾害应急处置管理煤矿安全，（）：白光星，陈炜乐，孙勇，等煤矿带式输送机运输火灾风险智能监测与早期预警技术研究进展 煤矿安全，（）：张忠政，王宇驰，宋贺，等弓长岭露天矿采空区稳定性综合评价露天采矿技术，（）：陈再明关于当前露天矿智能化建设的思考露天采矿技术，（）：曹志刚，师吉林，张海洋，等采空区注氮流量对氮气扩散半径的影响研究矿业安全与环保，（）：郭君综采工作面采空区托管注氮技术的研究与应用同煤科技，（）：李洋注氮防灭火技术在老石旦煤矿 工作面的应用内蒙古煤炭经济，（）：王刚联合注氮防灭火技术在黄白茨煤矿的应用能源与环保，（）：吴逍干河煤矿 采空区注氮防灭火技术研究与应用煤矿现代化，（）：作者简介：娄树宏（），男，河南濮阳人，本科，工程师，研究方向：煤矿安全。