羊场湾煤矿大采高工作面回收期间的液氮防灭火技术应用

王学兵 康新荣 徐耀辉

（神华宁夏煤业集团有限责任公司羊场湾煤矿，宁夏回族自治区灵武市，751409）

羊场湾煤矿大采高工作面回收期间的液氮防灭火技术应用

王学兵 康新荣 徐耀辉

（神华宁夏煤业集团有限责任公司羊场湾煤矿，宁夏回族自治区灵武市，751409）

以羊场湾煤矿120204大采高综采工作面回收为背景，论述了地表钻孔注液氮防灭火技术原理、技术工艺、井下液氮钻孔布置情况及地表钻孔灌注液氮最大允许注氮量。对比工作面注液氮前后温度和CO浓度变化情况说明实施的效果，确保了工作面的安全回收。

地表钻孔 液氮 防灭火 羊场湾煤矿

1 120204工作面概况

羊场湾煤矿是神华宁煤集团的主力生产矿井之一，设计生产能力1500万t／a，矿井共有2个自然井，两井生产系统相互独立。矿井现开采煤层属易自燃煤层，自然发火等级Ⅰ级，自然发火期为1～3个月，最短自然发火期23 d，煤层自然发火严重影响着矿井安全生产。

羊场湾煤矿一号井12采区下部属于二级热害区域，平均地温梯度3～4.5℃／100 m，夏季工作面回风流温度达34℃。120204工作面是羊场湾一号井12采区第四个大采高综采工作面，工作面距地表平均垂深481.1 m，工作面走向长3270 m、倾斜长300 m，平均煤厚7.4 m，设计采高5.6 m。采用 U型后退式通风系统，设计风量1513 m3／min。工作面正常回采期间主要采取 “灌浆、注氮、堵漏、快速回采”等综合防灭火措施，但随着矿井开采深度增加、开采范围内地温升高等因素影响，工作面收尾回收期间防灭火难题突出。2012年5月22日-6月4日，在120204工作面收尾、回收期间实施了地表钻孔输液氮防灭火技术，有效抑制了工作面采空区自然发火，确保了工作面安全回收。

2 地表钻孔注液氮防灭火技术应用

2.1 地表钻孔注液氮防灭火技术原理

液氮防灭火的机理主要有3个方面，一是液氮气化过程中，短时间内吸收大量热量，快速降低采空区积聚的热量；二是高浓度氮气扩散能够增大采空区内气体静压，减小采空区漏风；三是使采空区内氧化浓度分布范围明显回缩，惰化采空区。

工作面液氮钻孔需要根据工作面 “三带”划分及火源点位置来确定，以便保证氮气释放口位于发火区域。通过地表钻孔向井下输液氮时必须先完成管路预冷，开始流量一般不宜过大。氮气属于窒息性气体，为保证安全和防火效果，将液氮钻孔设在工作面进风一侧，液氮释放后，顺着漏风方向移动，可加强防火效果，并有利于安全。

2.2 地表钻孔注液氮防灭火技术工艺

地表钻孔输液氮防灭火技术采用神宁煤化工公司附属产品液氮，利用液氮降温、惰化的性质，实现采空区防灭火和降温的目的。地表钻孔输液氮防灭火技术利用快速接头软管将液氮槽车中的液氮经地表钻孔输送至井下液氮硐室，由减压阀减压后通过不锈钢液氮管路及煤柱钻孔注入工作面采空区，地表钻孔输液氮系统工艺流程如图1所示。

图1 地表钻孔输液氮系统工艺流程图

2.3 井下液氮钻孔布置

大采高综采工作面与一般综采工作面相比，采空区三带范围明显加大，预防采空区自然发火难度增加。因此，必须通过缩小 “三带”范围为工作面安全推进创造条件，而液氮具备加注时间短、流量大特点，可有效惰化采空区，缩短采空区 “三带”范围。

表1 采空区自燃 “三带”划分表 m

对采空区自燃 “三带”的划分主要通过向采空区预埋观测管或传感器，观测采空区氧气及其他气体浓度分布，并据此推算出漏风强度来实现。根据羊场湾煤矿现场观测分析及计算，可以得到采空区浮煤厚度分布、氧气浓度和漏风强度分布，然后将采空区内下限氧气浓度、上限漏风强度绘制成等值线，并将其绘制在同一张平面图上，即得到采空区自燃 “三带”。采空区自燃 “三带”划分如表1所示。根据大采高工作面采空区 “三带”划分，将液氮钻孔 （1＃～3＃）设计在采空区氧化带距工作面50 m之后，钻孔间距30 m，随着工作面推进依次通过120205风巷向120204工作面采空区进行施工。钻孔角度14°，钻孔终孔距底板1.0 m、孔深40 m，钻孔具体布置如图2所示。

图2 120204工作面液氮钻孔布置图

2.4 地表钻孔灌注液氮最大允许注氮量

开放式灌注液氮防灭火工艺要根据采空区注氮量全部泄漏到工作面计算出最大允许注氮强度：

式中：Qmax——按采面回风道允许氧浓度18%计算的采空区允许最大注氮强度，m3／h；

Q——工作面风量，m3／min；

C1——采面初始氧浓度，可取21%；C2——工作面允许氧含量，可取18%。

羊场湾煤矿设计风量1513 m3／min，停采回收期间，工作面风量按照设计风量的一半左右进行分配，具体计算如下：

120204工作面回收期间机巷封闭后，工作面形成局部通风系统，其配风量按照 《煤矿安全规程》的有关规定进行计算，并选取如下计算的最大值：

（1）按人数计算：

式中：N——工作的人数，按最多30人取值。

经计算，Q=120 m3／min。

（2）按瓦斯涌出量进行计算：

式中：q——采煤工作面回风巷风流中平均绝对瓦斯涌出量，取0.91 m3／min；

k——采煤工作面瓦斯涌出不均匀系数，根据羊场湾煤矿一号井2011年度矿井瓦斯及自然发火等级鉴定，取1.13。

经计算，Q=103 m3／min。

（3）按最低风速进行计算：

式中：v——煤矿安全规程规定采区进回风巷的最低允许风速，取0.25 m／s；

s——羊场湾工作面平均断面积，取30.1 m2。

经计算，Q=451.5 m3／min。

因此，120204机巷封闭后，120204工作面回收期间 （机巷封闭后）设计风量取452 m3／min；同理计算得出，120204工作面支架回收前 （风巷封闭前）设计风量取为770 m3／min。

120204工作面支架回收前 （风巷封闭前）最大充许注氮量Qmax=7700 m3／h；120204工作面回收期间 （机巷封闭后）最大充许注氮量Qmax=4520 m3／h。

由于1 t液氮汽化可以形成约800 m3氮气，通过计算120204工作面支架回收前最大注液氮量不得超过9 t／h，120204工作面回收期间最大注液氮量不得超过5 t／h。

3 实施效果

为确保120204工作面安全回收，工作面距停采线120 m开始，根据工作面气体浓度变化和实际需要，阶段性实施地表钻孔防灭火技术，累计向120204采空区注液氮228 t。注液氮期间通过人工采样、人工检测等手段分析，证明实施地表钻孔输液氮防灭火技术后，工作面支架行人侧及支架尾梁后方温度可由32℃左右降至28℃左右，工作面注液氮前后温度变化曲线如图3所示。

在工作面采取注液氮措施前，100＃支架CO浓度接近0.000024%，上隅角CO浓度甚至高达0.00008%，严重威胁矿井的安全生产。注液氮期间，CO浓度逐步降低，100＃支架CO浓度始终小于0.000008%，上隅角CO浓度始终低于0.000015%，回风流CO浓度始终低于0.000005%，液氮防灭火的效果显著，有效地抑制了煤的自燃。120204工作面CO浓度变化曲线如图4所示。

4 结论

（1）羊场湾煤矿120204工作面实施地表钻孔输液氮防灭火技术后，工作面回收期间回风流CO浓度始终低于0.000005%，防灭火效果显著，应用前景广阔。

（2）地表钻孔输液氮防灭火技术在保证液氮防灭火效果的同时，省略了液氮槽车运输环节，有利于矿井安全生产。

（3）地表钻孔输液氮防灭火技术与其他防灭火手段相比，具有工艺简单、效果明显、安全可靠、成本低廉等优点，是煤矿井下理想的防灭火手段，同时在节能减排方面社会效益显著。

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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

王学兵 （1971-），男，宁夏平罗人，采煤工程师，1995年毕业于宁夏煤炭工业大学采矿专业，现任神华宁煤集团有限责任公司羊场湾煤矿通风副总工程师，主要从事煤矿 “一通三防”技术管理工作。

（责任编辑 张艳华）