注氮防火惰化技术在煤层发火防治领域的应用实践

郭 可 徐志强 杨文岗

（陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 718000）

1 煤层赋存条件概况

30110 综采工作面位于杭来湾井田东北部，所属煤层为3 号煤层，所属盘区为一盘区，工作面长度299.1 m，煤层厚度7.9～9.0 m，平均厚度8.5 m。30110 综采工作面采用长壁一次采全高采煤法，全部垮落法管理顶板，“U”型通风系统。煤层底板标高（从切眼到主辅回撤通道）1049～1016 m（从切眼到回撤通道），全工作面呈倾角0.4°～0.9°俯采推进，埋深200～223 m，平均埋深217 m，上覆基岩厚度139～185 m，平均厚度162 m，松散层厚度22～63 m，平均厚度42 m。3 号煤层瓦斯绝对涌出量为0.37 m³/min，自然发火实验报告表明3#煤层自然发火期为41 d，煤的自燃特征为易自燃。

2 矿井火灾风险评价

根据杭来湾煤矿3 号煤层自然发火实验报告获知该煤层最短发火期为41 d，煤矿开采期间煤层自燃灾害是矿井重点预防灾害。3 号煤层回采过程自燃风险主要包括四个方面：（1）3 号煤层自燃倾向性为Ⅰ类，易自燃；（2）3 号煤层煤巷易发生片帮、裂隙、破裂坍塌导致漏风加速自燃；（3）在采煤过程中护巷煤柱附近留有遗煤，并且采煤工作面上下两巷冒落不实，容易形成漏风通道导致漏风，采空区遗煤暴露在空气中易发生自燃；（4）采煤工作面密闭周边可能存在裂隙，形成漏风通道，风流由裂隙进入闭墙内，导致采空区遗煤氧化引发浮煤自燃。

3 注氮防火技术的优缺点和适用性分析

3.1 注氮防火技术的优缺点

注氮防火具有如下优点：（1）密度和空气相当，有效置换冒落区、裂隙区及遗煤区的空气，实现空区充满氮气；（2）制备工艺简单、成本低，注氮工艺简单、成熟；（3）具有降温冷却的作用，降低浮煤、遗煤温度，有效阻止煤炭的氧化反应；（4）空区注入氮气，有效稀释瓦斯含量，降低粉尘浓度，起到抑爆效果。

氮气防火的主要缺点：（1）矿井负压通风作用下，注入氮气易扩散，持久性较差，需要与相应的堵漏风措施配合使用；（2）应用注氮防火技术初期投资较大；（3）氮气扩散导致工作面生产期间氧浓度降低，存在导致人员缺氧窒息的风险。

3.2 注氮防火技术的适用性分析

杭来湾煤矿3 号煤层属Ⅰ类易自燃煤层，采用长壁一次采全高采煤法、U 型通风系统，具有自然发火危险性高、采空区漏风量大的特点。注氮防火技术充分利用氮气扩散范围大的优势实现对冒落区、裂隙区及遗煤区的全面惰化；氮气浓度升高的同时降低采空区氧气浓度，有效抑制遗煤自燃；结合空区堵漏风措施，注氮后的采空区处于正压状态，有效避免空区漏风问题，降低瓦斯的浓度，起到抑爆的效果。根据氮气防灭火的特点和矿井目前生产现状，设计应用注氮防火技术是安全可行适用的。

4 注氮防火系统的设计与应用

注氮防火系统的设计[1-6]重点包括以下三个方面：氮气的制取参数的确定、注氮防火技术施工工艺、注氮区域泄漏的防治措施。

4.1 氮气制取参数的确定

（1）制取方法

氮气的制取方法主要包括深冷空分法、变压吸附法和膜分离法三种。制氮方法的工作原理、主要设备、产气成本、安全性及经济性对比见表1。通过比较分析，应用变压吸附空分法制备井下注氮气源。

表1 制氮方法参数对比表

（2）供氮量计算

空区注氮流量根据工作面的漏风量、氧浓度、惰化指标、氮气浓度等参数进行确定，公式如下：

式中：QN为空区单位时间注氮量，m3/h；Q0为空区氧化带漏风量，30110 综采工作面密闭上下隅角后的漏风量较小，可取配风量的10%，根据矿井2021 年8 月30 日通风旬报表该工作面配风量为1897 m3/min，则漏风量Q0取值18.97 m3/min；C1为空区氧化带氧含量，取10%；C2为空区惰化指标参数，取值范围为7%～10%，依据《陕西有色榆林煤业有限公司杭来湾煤矿煤自然发火标志气体指标测定报告》结论C2取值7%；CN为注氮纯度，按照氮气制取方法，取97%；k为注氮备用系数，取k=1.2。

代入数据算得，空区注氮流量QN=1 024.4 m³/h。

（3）注氮设备选型

目前杭来湾煤矿一盘区只布置了30110 综采工作面，考虑到后期随着产量的提升可能会布置两个工作面，本次注氮设备选型需考虑备用量。鉴于此，在综合考虑了空区注氮流量QN=1 024.4 m³/h 的基础上，选择矿用碳分子筛制氮设备3 台（两用一备），型号为DT-1000/8 型，单台制氮能力为1000 m³/h，能够满足空区注氮量（1 024.4 m³/h）要求。该设备由空气净化装置、制氮装置、降压缓冲装置三部分组成，具有设备组成简单、维护保养方便、使用成本较低的特点，其主要性能指标见表2。

表2 碳分子筛制氮主要性能指标表

4.2 注氮防火技术施工工艺

4.2.1 注氮的先决条件

注氮的先决条件主要包括以下内容：

（1）综采工作面平均月推进速度≤临界推进速度，即当推进速度≤9.27 m/d 时，则综采工作面正常生产期间需要向采空区注氮；

（2）综采工作面切眼初采期、末采期，其推进速度受限；

（3）受到地质构造、煤壁片帮影响，需要大规模支护，暂停采煤；

（4）采空区遗煤大量聚集，或者局部遗煤厚度超过0.5 m；

（5）采空区检测到CO 集聚现象且浓度连续上升，上隅角CO 浓度接近限值2.4×10-5；

（6）工作面上隅角或采空区检测到C2H4有害气体。

4.2.2 注氮防灭火工艺和方法[6-8]

（1）注氮方法

3 号煤层自然发火风险地点主要包括采空区，矿井防火注氮根据注氮周期分为连续式和间歇式两种方式，根据封闭情况分为开放式和封闭式两种方式。采煤工作面正常生产期间一般采取开放式间歇注氮方式，不需要封闭工作面直接实施大量注氮，每班注氮时间不低于4 h，通过注氮实现降低工作面周边的氧含量，达到防灭火的目的。在工作面开采初期、停采撤架期间、工作面推进缓慢、采空区封闭后或者采煤工作面生产出现异常情况，则改用封闭式连续注氮方式，每天注氮24 h，直至排除发火风险。

（2）注氮防灭火工艺

3 号煤层的自燃风险较高，通过分析煤层的工作面参数、采空区煤自燃“三带”分布情况以及结合氮气的扩散性能指标，设计采用垮步式埋管注氮工艺。在工作面辅运顺槽巷道敷设注氮主管路，每间隔60 m 开设1 个氮气释放口，实现间隔60 m 跨步式注氮。释放口之间安装连杆传动阀门，通过远程拉动连杆实现阀门的启闭，用来控制注氮释放口的启用与关闭。第1 个释放口注氮完成后，操作连杆实现关闭第1 个释放口与第2 个注氮口之间的管道阀门，同时打开第2 个注氮口进行注氮，按照该规律实施其他释放口启闭完成采空区的全面注氮。铺设管路需注意：氮气释放口须位于底板之上且距离＞50 cm，并固定牢；连杆传动阀门位置和释放口位置需做好保护工作，防止被砸或堵塞。

4.3 注氮实施注意事项

（1）工作面上下端头堵漏。注氮前必须在回采工作面采空区进、回风隅角处采取减少采空区漏风的措施，根据工作面推进进度变化和注氮情况采取相应的堵漏措施。

（2）控制工作面风量。注氮期间适当减小工作面的配风量，以减少采空区氮气的排出。

（3）地表堵漏。加强地面踏勘工作，对开采过程中地面出现塌陷或裂隙，及时用封堵材料进行堵漏，避免地表向采空区灌入新鲜空气。

5 结论

杭来湾煤矿3 号煤层通过应用注氮防灭火技术取得了显著的防灭火效果。经过气体检测结果表明，注氮区域氧气浓度为3%左右，有效抑制了浮煤和遗煤自燃风险，注氮技术实现了对冒落区、裂隙区及遗煤区的全面惰化，同时起到了避免空区漏风、减少瓦斯积聚的效果，达到了防灭火的目的。