新疆恒力煤业有限责任公司沙湾煤矿
氮气防灭火设计及安全技术措施
新疆恒力煤业有限责任公司沙湾煤矿
二零一二年八月五日
氮气防灭火设计及安全技术措施
一、氮气防灭火
应用氮气防灭火技术防治矿井自燃火灾，是公认的行之有效的技术措施。氮气是一种无色、无味、无嗅、无毒的气体，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。据有关资料介绍：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。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，可达到抑制采空区自燃，同时还能防止瓦斯爆炸事故的发生。
（一）氮气防灭火的作用和特点
(1)氮气可以充满任何开形状的空间并将氧气排挤出去，使采空区深部及其顶板高冒处因氧气含量不足而使遗煤不能氧化自燃；
(2)注氮过程中，采空区经常保持正压状态，致使新鲜空气难以漏入，有利于控制采空区遗煤自燃；
(3)注入氮气后，可使采空区内和采空区周围介质的温度降低，起到冷却降温作用；
(4)在瓦斯和火共存的爆炸危险区内注入氮气能抑制火区内可燃气体爆炸，提高灭火作业的安全性； (5)工艺简单，不污染环境；
(6)氮气防灭火存在的主要问题是在矿井负压作用下，如果采空区漏风严重，则注入的氮气不易留存，易随漏风流向采面或邻近采空区；加上氮气本身虽然无毒，但具有窒息性，对人体有害，因此需与均压和其他堵漏风措施配合应用，使氮气泄露量控制在最低限度。
（二）注氮的要求 (1)氮气源稳定可靠；
(2)注入的氮气浓度不小于97%；
(3)至少有一套专用的氮气输送管路及其附属安全设施； (4)有能连续不断地监测采空区气体成分变化的监测系统； (5)有固定或移动的温度观测站(点)和监测手段；
(6)有专人定期进行监测、分析和整理有关记录，发现问题及时报告处理等规章制度。
（三）引起煤层自然发火的主要因素
根据煤层开采特点及有煤层自然发火的生产矿井资料分析，煤层自燃主要发生在回采工作面采空区及采空区上部的氧化带，回采工作面上、下隅角及高冒区。矿井开采采用放顶煤开采工艺，采空区自然发火的危险性大，严重威胁矿井的安全生产，造成煤层自然发火的主要因素有：
（1）采用放顶煤开采，采空区浮煤多，易氧化自燃； （2）采放困难时，使工作面推进速度慢，易使采空区浮煤达到发火期。 （3）由于采用放顶煤开采技术，顶煤遗留浮煤易由漏风造成氧化自燃。
（四）确定放顶煤工作面主要防灭火措施
放顶煤开采工作面存在多种发火因素，矿井能否安全回采，防灭火是关键之一。而采用适量的氮气注入采空区，则能迅速充满采空区氧化带的各个部位，降低采空区氧含量，惰化采空区，尤其是氮气比空气略轻，更能迅速降低采空区上部氧含量，有效抑制顶部浮煤自燃。根据甘肃省华亭矿区、淮南淮北矿区、铜川矿区等十多对矿井放顶煤工作面应用氮气防灭火的实践表明：氮气具有灭火速度快，既能防火，又能灭火，还能抑制瓦斯爆炸，无环境污染，对煤质无影响等特点。
鉴于以上原因，确定工作面形成以氮气防灭火为主，阻化剂、气雾阻化等为辅的综合防灭火措施，同时采用地表覆盖黄土压实和加强管理与监测，并采用先进技术加快开采推进的综合防灭火措施。
（五）氮气防灭火
1、注氮流量的计算 （1）按每日产煤量计算
该方法是指采煤工作面一般按吨煤注氮5m3∕t，注氮量为60 m3∕h。
（2）按采出的空间，即在单位时间注氮充满采煤所形成的空间，使氧气浓度降到惰化指标以下计算注氮量为52 m3∕h。
QN=KV×1.03 式中 QN---注氮流量，m3∕min； K----富余系数，一般取K=1.2 V----待注地点的几何体积，m3； 1.03---膨胀系数。
（3）按采空区火灾连续注氮所需的注氮量计算为73 m3∕h。 （4）按采空区漏风量计算所需的注氮量计算为80 m3∕h。 综合上述计算，结合国内采用注氮防灭火矿井设计生产情况，矿井注氮实际效果及一定的安全系数，并考虑地表沉降裂隙引起浅部采空区可能自燃等多种因素，确定本工作面最小注氮量为100 m3∕h。
2、制氮设备校核
根据计算，该矿已有一台RDZ97-400型地面固定制氮设备对采空区进行注氮防火。该设备产气量为400 m3∕h，其浓度为97%，所产生压力为≥0.85Mpa。
该矿已有设备可以满足工作面防灭火的需要。
3、注氮工艺及方法
在采空区深部预埋管道，在自然发火期之前或有火灾预兆时，进行连续注氮，使采空区深部的氧含量降到防火惰化指标以下，然后根据工作面推进等情况，对预埋管路进行拖移。
4、注氮系统 （1）系统的确定 在地面建立集中制氮站。 （2）制氮设备工艺流程
灌注方式根据采空区中埋管气样分析结果间歇注氮。注氮方法为采空区埋管注氮。
（3）输氮管网
供气系统：空气→空气压缩机→压缩空气→制氮设备接气口 输氮系统：制氮设备→工作面运输巷→工作面→采空区。按最远工作面距离计算所需管路输送总压力为0.50Mpa，而制氮设备出口压力为0.85Mpa，完全满足氮气输送要求。
（4）管路的要求
1）工作面采用直径50毫米的管子向采空区注氮，氮气源从地面制氮机房通过管道输送到工作面。
2）采空区管路的安装方法：在采空区5米处开始向外埋管注氮，随回采工作的推进，采空区向外移动，而氮气管不动也不拆，只是在管路上每隔12米用一个三通，三通上接一个10米长的管子，在三通另接的管子上打些小孔（孔径约8～12毫米不等），埋在采空区内，随工作面向回采，采空区不停地进行注氮，以达到防灭火的目的。
（5）注氮方式和防灭火方法 1) 注氮方式
注氮方式分为开放式注氮和封闭式注氮。 开放式注氮——对正在开采的采空区进行注氮； 封闭式注氮——对已封闭的采空区或火区进行注氮。
在不影响工作面的正常生产和人身安全时，可采用开放式注氮。火灾及其火灾隐患影响工作面的正常生产，或突然性外因火灾，或瓦斯积聚区域达到爆炸界限时，可采用封闭式注氮。
2) 注氮防灭火方法
连续性注氮——工作面开采初期和停采撤架期间，或因地质原因，或因机电设备原因造成工作面推进缓慢，宜采用连续性注氮。
间断性注氮——工作面正常回采期间，可采用间断性注氮。 自然发火危险主要来自生产工作面后部采空区，因此，正常生产条件下注氮方式采用开放式注氮，注氮方法采用间断性注氮，当推进缓慢时改用连续性注氮。
（6）火灾监测预报
束管监测系统适用于煤矿井下气体监测，预报煤层自然发火，也可为采空区注氮防灭火提供气体成分的数据监测，本设计采用的矿井火灾预报监测系统-束管监测系统由安装在矿井地面控制中心的数据处理装置、抽气泵及敷设在矿井中的管缆及管路附件等构成。利用抽气泵和管缆将井下被测点气体信息取自地面进入气路控制装置，在计算机的控制下进行处理。依据长期连续监测矿井气体成分的变化趋势和格拉姆系数，可预报煤层的自然发火。
（7）注氮系统的安全通风量
在输氮管路沿途或工作面，假设400m3∕h的氮气全部泄漏，能否造成泄漏区域缺氧，按空气中氧含量为20%的要求，经计算，此时的安全风量应为0.56m3∕s，而本设计管路途经巷道风量均大于2.0m3∕s。
尽管如此，矿井生产中要制定输氮管路的安全施工、管理措施、制定注氮作业规程，同时应严格要求加以落实。
（六）注氮区气体监测
监测的目的在于能够连续不断地监视工作面进、回风流中及采空区的气体变化成分，及时了解和掌握自燃的变化规律及动态，以便针对性的采取防范措施，并对选择最佳注氮参数提供科学的依据。注氮区域气体监测以束管监测系统为主，现场人工检测为辅，主要观测气体的温度、O
2、CH
4、CO、CO2。
①束管监测系统
为便于采空区取气样分析，在铺设注氮管路的同时，同时在回风巷布置束管监测探头，采样探头间距在30m左右。
②现场人工检测
主要由瓦检员、安全员每班检测，检测位置主要为工作面进、回风流和上、下隅角。
（七）注意事项
(1)在对采空区进行注氮防火前，要制定相应的安全技术措施，并经批准后，方可实施。
(2)建立健全注氮设备的操作规程、工种岗位责任制和注氮防火的各项规章制度，并做好日常管理、检查、维护等工作。
(3)注入的氮气纯度不得低于97%。
(4)注氮时要加强工作面及回风顺槽的氧气监测，发现氧气浓度低于18%时立即停止工作，撤出人员，减少注氮量，待风流中氧气浓度大于18%时，方能恢复工作。
(5)注意检查工作面及回风巷道风流中瓦斯涌出情况，若发现采空区大量涌出瓦斯，风流中瓦斯超限时，可适当降低注氮强度。
(6)注氮管第一次向采空区注氮，或停止注氮后再次注氮时，应利用工作面附近的三通阀门，先排出管内空气，避免将空气注入采空区中去。
(7)采空区受工作面通风负压的作用，从进风顺槽至回风顺槽必然形成漏风通道。向采空区注入氮气，必然沿着漏风通道而大量泄露，将使采空区内冷却氧化带加宽，影响惰化效果，需采取一定得封堵措施，减少漏风量，才能以较少的注氮量达到较好的惰化效果，达到防火的目的。
二、氮气防灭火专项安全技术措施
为了加强注氮设备、管理及采空区的管理，防止采空区及早出现着火现象，保证回采工作顺利而有序的进行。根据我矿实际情况和初设要求，我矿主要采用注氮防灭火的措施来对采空区进行防灭火管理，为了保证能有效地防止采空区着火和注氮工作的安全顺利进行，从而达到防灭火的目的。特制定如下措施：
（一）注氮设备及管路的要求
1、注氮设备及管路必须保持完好状态，加强对设备及管路的日常维护和管理。
2、每月应对注氮设备和管路、阀门、接头进行严格的检查，并对管路及设备进行压力的测试，发现漏气等现象时必须立即处理并保持设备、管路的完好。
3、随着开采进度推进，及时做好管路的拆除，对管口进行可靠的封堵。
4、对不需要注氮的区域，应关闭阀门，防止漏气。
5、做好日常的巡检工作。所有安装的管路必须符合注氮条件，不得漏气。
（二）监测设备和监测要求
1、为保证注入氮气的纯度，每次开始注氮时，应在采空区附近注氮管预设的三通阀门处进行排空，经检测确认氮气纯度超过97%后再向采空区灌注。
2、正常注氮期间，每3天应利用氧气检测管在采空区附近预设的三通阀门处至少间接测定1次氮气的浓度。
3、在+1420mB7煤层回风巷隅角处设置氧气传感器适时检测监控外，每班由瓦斯检查工利用氧气检定管分别对工作面回风隅角、回风流等处的氧气浓度进行巡检，以确保整个工作面空间中的氧气O2浓度均不低于18%。
4、进行注氮监测时，必须由瓦检员和安全员一起进行，携带瓦检器、吸气泵、氧气检定管、一氧化碳检定管、便携式瓦斯自动报警仪、氮气监测仪器、风表等，检测氮气的纯度、巷道中的氧气、一氧化碳、二氧化碳、瓦斯及进、回风巷的风速等。
（三）安全技术措施
1、氮气管子布置在运输巷一侧，且沿底部布置，防止回采途中被矸石砸断，氮气不能输送到预定的采空区内。
2、注氮时间定在每天夜班进行注氮，每次注氮时间为3小时，即每次向采空区注300立方的氮。
3、每天注氮的时间必须实行控制，注氮时间短了达不到防灭火的目的，注氮时间长了，可以导致氮气的外泄，影响工作面的空气质量，对人员造成不安全因素。
4、运输巷的氮气管边回采边掩护，至少保证10～15米内人员能安全进入我们的三通设置处，把三通开关打开，以便有效注氮。
5、随回采的推移，三通管路每隔12米接一个，但靠近回采面的一个三通必须保持关闭状态，在回采继续推进至下一处应设置三通管子处，才能将上一处三通阀打开，向采空区注氮。
6、注氮时应专人看守，不得离岗，检查好各种仪器仪表，在制氮机处于安全状态下进行注氮。
7、注氮期间，值班人员应认真检查和观察各种仪器仪表，发现异常情况必须立即处理，处理不了的必须立即汇报。
8、注氮时，要与井下管理人员联系好，确认井下准备工作已经就绪，该打开的阀门已经打开，该关闭的阀门已经关闭，方能开始注氮。在情况不明时，不得注氮。
9、注氮地点附近必须安设电话，确保通讯畅通。若不与井下联系，私自开机注氮，造成设备损坏，由开机人员承担全部责任。
10、若井下人员对阀门该打开的不打开，就通知地面注氮，造成设备损坏，由井下通知人员承担全部责任。
11、每次注氮时，采空区靠近工作面的第一个阀门不得打开，只有在向前推进十几米后，方能打开此阀门。
（三）其它规定
1、注氮期间，必须加强对注氮区域、管路和有害气体的检查，防止人员中毒。
2、注氮期间和完成后，应做好注氮的相关记录。
