氮氣防滅火技術在開采褐煤煤層底分層綜放工作面的應用

付亞平(呼倫貝爾學院,內蒙古呼倫貝爾021008)

摘　要:就扎賚諾爾煤業公司靈泉礦開采發火期較短褐煤煤層時,探索了氮氣防滅火技術在底分層綜放工作面的應用,指出了推廣前景。

關鍵詞:氮氣防滅火;采空區;“三帶”寬度;注氮

中圖分類號:TD75+2.2　　　文獻標識碼:B　　　文章編號:1003-496X(2006)03-0030-03

　　安全工作是煤礦生產永恒的主題。扎賚諾爾煤業公司開采褐煤煤層,由于其自然發火期較短,因此,防滅火工作更為主要。隨著企業的發展,礦井產量的提高,開采深度的增加,防滅火技術更應逐步增強,各項防滅火措施更應具有先進性和實效性,以確保開采的順利進行。

靈泉礦自2000年投入綜放設備開采以來,時刻把綜采防滅火工作放在首位,積極采取各項防滅火措施,確定各項防滅火方案,確保了2個上層回采工作面的順利開采,提高了煤炭產量,提高了綜采工作面的單產水平和管理水平,為今后的生產管理摸索出一套寶貴的經驗,在綜放上層防滅火工作及瓦斯管理的基礎上積累了較為成熟的經驗。進入2003年10月,綜采工作面搬入十采一面底層開采,該公司在經濟極為困難的情況下,為靈泉礦投入了新的綜采設備,確保安全生產成為重中之重。而綜放底分層工作面防滅火無成功經驗可尋,防滅火工作又面臨新的課題和挑戰。因此,靈泉礦采取了一系列防滅火措施,以確保工作面順利推進,特別是應用了氮氣防滅火技術,對預防開采可燃煤層的發火起到　了積極作用,效果良好。

1　工作面概況

綜采工作面在2003年10月18日搬入十采一面底層開采,工作面走向長度1 130 m,傾斜寬度162.5 m,采高3.0 m,放高3.0~3.5 m,可采儲量127萬t,煤層傾角5°~6°,賦存比較平穩,以副槽煤作為底板,工作面走向布置,后退式回采,頂板自然垮落。采用MG/700采煤機割煤,ZFS600/17/34支架支護頂板,工作面安裝2臺GZ764/500刮板輸送機運輸,采用SZZ830/250轉載機與膠帶搭接,形成集中連續化生產系統。

此工作面在上分層開采時,CO較高(從開初眼開始200 m范圍內),最高達到550×10-6,瓦斯濃

度為0.7%;采空區遺煤較多,并有氧化的可能,造成工作面上隅角CO出現間斷性超限的現象,給底層開采的防火工作帶來極為不利的因素。

2　工作面開采前的防火準備工作

(1)工作面采取上行通風方式,即工作面下巷為進風巷,上巷為回風卷。工作面初期開采時的風量確定為290 m3/min,并在運輸巷設置均壓風門,降低工作面的壓差,減小對采空區的負壓。

(2)開采前,在距開切眼75 m處的運輸巷中,向上層巷道的底角打鉆,鉆孔打透后,測得氣體濃度

為:混合8%、CO為112×10-6,表明上層開采后,可能形成氧化,造成CO增高和瓦斯增大。為此,對此孔注粉煤灰5 m3,完全把上層巷道底角漏風風路切斷,防止了由于上層巷道底角冒落不嚴而導致上層采空區形成風流回路,造成自然發火。

(3)在工作面安設阻化劑泵,待工作面開采后,向采空區注氮防火。

3　煤的自燃條件及“三帶”寬度的確定

3.1　煤的自燃條件通過大量的生產實踐證明,形成煤炭自燃發火必須具備以下4個基本條件:

(1)具有自燃傾向性的煤炭在開采破碎后,形成散狀堆積狀態。

(2)持續通風供氧,使煤的氧化程度不斷發展。

(3)煤氧化時產生大量的熱量難以散發。

(4)煤炭的氧化時間超過了其自然發火期。

3.2　“三帶”寬度的確定

在后退式長壁工作面的采空區一般劃分為3個帶:

(1)低溫不自燃帶:此區內有浮煤堆積,但由于風速較快,氧化生成熱量被及時帶走,構不成熱量蓄積。

(2)可能自燃帶:此區域內漏風量較大,漏風風速較小,不但使煤的氧化過程不斷發展,而且不能及時帶走氧化生成的熱量,形成熱量積蓄,使煤的溫度不斷上升,當溫度超過煤的燃點時,導致煤炭自燃。

(3)窒息帶:此區域內漏風量較少,堆積的浮煤供氧不足,不能維持煤的氧化,即使已經發生煤炭自燃,也會因缺氧而窒息。

該礦開采褐煤煤層,多年來均為后退式開采,在采空區的“三帶”劃分上,還沒有完全得出準確的數據,只是根據生產實踐摸索分析其寬度。通過生產實踐分析,該礦認為采空區低溫不自燃帶寬度5~6m,工作面供風量的大小,對此寬度有影響(指綜放工作面而言);在開采底分層時,從開切眼推進32 m時,地表開始下沉,按推算,距工作面25 m以外,采空區基本處于壓嚴狀態,已構不成微風循環,即25m以外的為窒息帶。

因此,工作面的防火工作,首要的條件是加快推進度,使采空區的遺煤在還沒有達到發火期時就進人窒息帶,或者對采空區自燃帶注入氮氣,降低自燃帶內氧氣的濃度,使采空區的遺煤達不到氧化發火的條件。

4　注氮過程和方法

4.1　制氮原理

即空纖維膜分離制氮原理,其總過程是由溶解和擴散兩步組成的。

(1)混合氣體在膜的高壓表面,以不同的溶解度向膜的低壓側擴散,然后,在膜兩側壓力的推動下,混合氣體的分子以不同的速度,向膜的低壓側擴散,滲透速率較快的氣體(如水、氧等),透過膜后,在膜透側被富集。

(2)而滲透速率相對較慢的氣體(如氮氣、氦氣等),則在滯留側被富集,從而達到混合氣體分離的目的。

4.2　氮制設備

(1)CAM400型井下移動式膜分離制氮機。

(2)JF系列壓縮空氣精密過濾器。

(3)空氣壓縮機。

4.3　氮氣的指標

用制氮機分離出的氮氣純度為97%(O2濃度≤3%)。正常向工作面采空區輸送氮氣時的壓力>0.8MPa,每小時輸送氮氣量400 m3。

4.4　制氮過程

空氣壓縮機把空氣以1.2 MPa的壓力,輸送到JF系列壓縮空氣精密過濾器中,再進入CAM400型井下移動式膜分離制氮機,經過膜對空氣的分離,制出純度較高的氮氣。

在注氮的同時,在工作面回風巷的上隅角等地點對O2的濃度進行測定,確保O2的濃度不低于19%,同時,也對CO、CO2及瓦斯的濃度進行檢測。

4.5　氮氣的輸送

從制氮設備中接出Φ54 mm鐵管,長度為30~40 m,鋪設在270大后巷和十采下山中,然后與十采一面底層風道中的Φ108 mm玻璃鋼管相對接將氮氣輸送到工作面。

4.6　采空區預埋管

材料采用Φ54 mm鐵管,長度為30~40 m,采取管口對焊的焊接方式,管外側加焊Ф16 mm的鋼筋,以加強管子的強度,防止被拉斷,預埋管最里端的2 m打花眼,以利于氮氣的溢出及擴散。

預埋管埋在工作面的進風巷側,氮氣的擴散方向與工作面的進風風流方向一致,使氮氣能夠順暢地進入采空區,并隨著擴散風流的方向一同流向采空區深部,逐漸排出采空區內的空氣,占據采空區的空間。

4.7　注氮過程和方法

注氮氣的方法可根根現場實際情況和條件,采取連續注氮和相隔注氮。連續注氮可使采空區始終充滿著氮氣;在工作面推進速度快、CO及有害氣體不高的情況下,也可以采取間隔注氮方法,即在其氧化帶的區間內,逐段間隔時間注氮,使采空區氮氣濃度較高,煤不能形成氧化過程。該礦采取間隔注氮方法,即在工作面開采前,切眼下端埋設花管(Φ54 mm鐵管),長度為40 m,外側加焊3根Ф16 mm的加強鋼筋。當工作面推進20 m后,開始開機注氮氣,連續開機72 h,采空區的空間基本注滿,然后,用絞車向外拽預埋管,由于頂板冒落快、采空區較嚴,鋼絲繩拉斷,未能拽出預埋管。隨即預埋了第2根管,長度30 m,當埋進12 m時開始注氮,連續注氮48 h,采空區已注滿;然后,再次預埋管注氮,以此循環往復注氮。

5　注氮的效果

通過對工作面的2次間隔注氮,有害氣體的濃度明顯降低。注氮前,有害氣體較高,其原因主要是上分層開采后,煤進行了氧化,使有害氣體留存在上分層頂板,當底分層開采時,有害氣體涌進工作面。經過2次注氮后,有效地抑制了采空區的自燃,降低了有害氣體的濃度,保證了工作面的順利開采。

6　結　論

靈泉礦綜采工作面搬入十采一面底分層以后,及時安裝使用了氮氣防滅火設備,使用效果良好,取得了明顯的效果,對預防工作面自燃發火起到了積極的作用,確保了工作面開采的順利進行,其優點是十分顯著的。

(1)設備性能良好,操作簡單,易于管理和使用。

(2)雖然購買設備費用較高,但采用空氣為原料來制取氮氣,后期使用不需原材料的消耗。

(3)雖然靈泉礦應用的時間還較短,但對預防工作面自然發火及降低有害氣體的濃度等方面,起到了積極的作用。

(4)氮氣防滅火技術,是較為先進的防滅火方法,特別是該礦開采發火期較短的褐煤煤種,更是一種有力的防滅火手段。

(5)氮氣防滅火技術在扎賚諾爾煤業公司還是首次使用,現在只應用于工作面,今后還可以應用到火區啟封、局部有害氣體超限的處理,特別火災的處理等方面,其應用前景是十分廣泛的。

(6)隨著礦井向深部的延深、向大型集中化生產的發展,在開采技術和工藝上,推廣使用綜采放頂煤技術是勢在必行的,而防滅火工作就顯得更為重要。因此,為確保“一通三防”工作穩定,礦井生產更加安全穩步發展,廣泛深入地推廣使用氮氣防滅火技術也是勢在必行的。

　　作者簡介:付亞平,1983年畢業于黑龍江礦業學院,高級講師、高級經濟師,現任呼倫貝爾學院工程分院院長。(收稿日期:2005-10-11;責任編輯:郭瑞年)