注氮气防灭火技术在宏发煤矿的应用

朱佳

摘要：贵州省镇宁县宏发煤矿主采M7煤层属自燃煤层，煤层自然发火期3～6个月。矿井采用注氮气防灭火技术成功对11701采煤工作面火区进行连续性注氮气灭火后安全启封，并在采面启封后采取间断性注氮气防火技术确保工作面安全顺利回采结束，取得了较好的经济效益、安全效益和社会效益。

关键词：煤矿;注氮气;防灭火;应用

一、概述

贵州省镇宁县宏发煤矿矿井开采煤层为M7煤层，M7煤层位于龙潭组第三段，M7煤层可采厚度为1.60—3.50 m，结构较复杂，有1—3层夹矸，夹矸厚度0.05—0.4m结构较简单，分布范围内全区可采，属较稳定煤层。煤层倾角14～30°，平均倾角约20°。煤种为：贫煤，符号为PM，牌号为11;煤层容重1.35。

M7煤层属突出煤层，矿井属煤与瓦斯突出矿井。矿井绝对瓦斯涌出量为10.41m3/min，相对瓦斯涌出量为29.57m3/t。

M7煤层的自然发火倾向性为二类，属自燃煤层。煤层自燃发火期一般为3～6个月。

M7煤层具有煤尘爆炸性。

11701采煤工作面采用2.5m的单体液压支柱配2.6m的Π型钢长梁，二梁五柱支护。采煤方法为走向长壁后退式，放炮落煤，全部垮落法管理顶板。工作面采用U型通风。

二、注氮气灭火启封火区

（一）工作面发火原因分析

宏发煤矿一采区11701采煤工作面回风巷走向长300米，运输巷走向长240米，平均走向长约270米，采面平均倾斜长115米。于2011年3月12日切眼贯通形成采面开始回采。至2011年9月中旬，11701采煤工作面推采至平均走向长约160米时，由于采空区遗煤自燃发火，在采面上、下出口和中部可见明火和烟雾，矿首先采取向火源点插管注水、注浆措施进行灭火，由于采空区火源未能完全控制熄灭，为确保安全，于2011年10月15日，矿对11701采面采取了全面封闭措施。

分析其发火原因，11701采煤工作面发生采空区遗煤自燃主要原因有以下三个方面：

一是所开采M7煤层本身具有自燃倾向性，属二类自燃煤层。

二是该工作面煤层较厚，为3.5米，开采时一次未能采全高，采空区煤炭丢失较多，存在自燃发火热源。

三是抽采瓦斯时间不足，瓦斯治理难度大，开采时受瓦斯制约，工作面经常停下来施工抽（排）放钻孔，致使采面推采速度缓慢，推采时间延长，导致从运输巷后尾向采空区氧化带漏风供氧时间长，最终造成采面采空区遗煤自燃发火。

（二）注氮气灭火启封火区

宏发煤矿在2011年10月15日11701采面发火封闭后，一直处于停产状态。直到2012年5月8日由救护队对火区气体进行取样分析化验，火区仍未熄灭。

2012年5月8日火区气体取样分析化验结果为：瓦斯88.41%，二氧化碳5.24%，氧气0.96%，一氧化碳0.0021%，空气温度37°。

针对上述情况，考虑采空区注氮气具有如下防灭火作用：

1、氮气可以充满任何形状的空间并将氧气排挤出去，从而使火区中因氧含量不足而将火源熄灭，或者使采空区中因氧含量不足而使遗煤不能氧化自燃;当对防灭火区域注入大量的氮气后，使得采空区内的氧气浓度下降;氮气部分地替代氧气进入到煤体裂隙表面，与煤的微观表面进行交换吸附，从而使得煤表面对氧气的吸附量减少，在很大程度上抑制或减缓了遗煤的氧化作用。

2、在有瓦斯和火存在的气体爆炸危险区内，注入氮气后可以降低氧气浓度和可燃性气体浓度，能防止可燃性气体爆炸;

3、向采空区或火区中大量注入氮气后，可以增加采空区相对压力，致使新鲜空气难以漏入，使遗煤不易氧化;

4、较低温度的氮气在流经煤体时，吸收了部分煤氧化产生的热量，可以减缓煤升温的速度和降低周围介质的温度，使煤的氧化因聚热条件的破坏而延缓或终止。

为了加速火区熄灭，提前启封火区，宏发煤矿决定采用向火区内注氮气灭火后启封。

具体做法是从2012年5月8日在主斜井口20米的地面工业广场内租用安装DT1000/5井下移动式碳分子筛制氮装置一套，通过4寸钢管向11701运输巷密闭内的火区注入氮气（氮气浓度不低于97%，注氮气量平均为800m3/h），到5月15日对火区内气体取样分析化验，火区内一氧化碳浓度降到10PPm以下。

2012年5月15日火区气体取样分析化验结果为：瓦斯63.23%，二氧化碳1.12%，氧气1.73%，一氧化碳0.0002%，空气温度32°，火区内空气中不含有乙烯、乙炔。

然后连续注氮气直到2012年6月18日，停止注氮气后再次对火区气体取样分析化验结果为：瓦斯70.63%，二氧化碳1.10%，氧气0.75%，一氧化碳0.0002%，空气温度26°，火区内空气中不含有乙烯、乙炔。

因此，根据《煤矿安全规程》（2011版）第248条之规定判断11701采面火区已熄灭，于2012年6月19日，矿采取继续向采空区内注入氮气的同时，对11701采面火区实施启封取得成功，解放火区煤量5.9万吨。

三、注氮气防火回采

2012年6月19日，宏发煤矿成功将11701采面火区采取注氮气安全启封后，为防止采空区复燃，沿11701采面切眼以里运输巷后尾和沿采面切顶线采空区辅设各一趟2寸管，靠近后尾采空区侧的钢管长2～5米，前端留均设一段穿孔眼的花管（防止堵塞），作为第一个氮气释放口设在采面切眼以里采空区侧，同时沿管路上每30米留设一个三通，并安设闸阀控制，每一个三通闸阀上增加安设一节2米长的注氮防堵管，并在采面上下沿傾斜方向5～10米采用挡风障或码隔漏风墙（采空区垮落充填较好时采用风障，垮落充填不好时采用码隔漏风墙），以减少向采空区供风。每推采30米到三通闸阀地点进行回收时，开启闸阀进行第二个氮气释放口注氮气，如此循环。

根据采空区“三带”（散热带、氧化带、窒息带）分布规律，在采面成功启封后回采的第一个月内，采取连续向采空区注氮气的方式，加快采面推进速度，保持每月推进走向长度不少于30米。在连续注氮气一个月后，经对采面上隅角采空区取样分析化验后，确认采空區短期内不会复燃，改为每间隔10天注氮气24小时的间断性注氮气方式，直至2012年10月11701采煤工作面采结束封闭，历时4个月，安全采出煤炭5.9万吨，未发生采空区复燃。

四、结束语

1、采面在推采期间，由于矿压作用顶底板的煤层受到破坏，易造成采面切顶线以内的煤炭自燃发火，采用阻化剂、采空区灌浆或凝胶进行防灭火方法存在对采面局部煤厚地点的顶部煤炭因灌注高度达不到或不能完全覆盖采空区遗留煤炭，将不能起到很好的防灭火效果。而向采空区内注入氮气的防灭火方法则可以弥补上述不足，恰恰能够有效地充填到这一区域，起到很好的惰化防灭火的作用。

2、采取连续性注氮气方式向采空区或火区中大量注入氮气后，可以增加采空区相对压力，致使新鲜空气难以漏入，使遗煤不易氧化;较低温度的氮气在流经煤体时，吸收了部分煤氧化产生的热量，可以减缓煤升温的速度和降低周围介质的温度，使煤的氧化因聚热条件的破坏而延缓或终止。采用连续性注氮气灭火可达到加速火区熄灭，为启封火区赢得时间。

3、采取间断性注氮气方式向采空区及遗煤区注入氮气，使其渗入到采空区冒落区、裂隙带及遗煤区，降低这些区域的氧含量，形成氮气惰化带，从而达到抑制采空区自燃和安全开采的目的，为瓦斯抽采提供时间和空间。

4、根据采空区“三带”（散热带、氧化带、窒息带）分布规律，加快采煤工作面的推进度，使工作面后部采空区原“氧化带”在自然发火期内进入新形成的“窒息带”内，同样也是防治采煤工作面采空区自然发火的有效方法。

参考文献：

[1]张国枢.通风安全学，徐州：中国矿业大学出版社，2000年。

[2]秦书玉.煤矿井下内因火灾防治技术，沈阳：东北大学出版社，1993年。

[3]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程，北京：煤炭工业出版社，2011年。

[4]煤炭科学研究总院重庆分院.煤矿用氮气防灭火技术规范（MT/T701-1997），北京：煤炭工业出版社，1998年。