1、板石煤礦注氮防滅火專項設計煤炭科學研究總院撫順分院、吉林東北煤炭工業環保研究XXX分別于2010年、2013年、2014年對我礦19#、19b#、20#、22#、22a#、23#、23a#煤層煤炭自然傾向鑒定，屬于類容易自然煤層。板石煤礦采取的防滅火措施為注氮防滅火，特編制板石煤礦注氮防滅火設計，設計如下：一、氮氣防滅火原理及特點空氣中的氮氣體積含量為78.1%，氮氣比空氣略輕，在標準狀態下，1立方米氮氣的質量為1.25 kg。氮氣在常溫下常壓下是無色、無味、無毒的不可燃氣體，對振動，熱、電火花等都是穩定的，無腐蝕作用，也不輕易與金屬化合。氮氣防滅火的原理見以下框圖：迅速充滿采空區降低采空區氧

2、含量量采空區O23%撲滅采空區煤層自燃采空區O27%抑制采空區浮煤氧化自燃采空區O212%抑制采空區瓦斯爆炸氮氣防滅火的特點為：氮氣比空氣略輕，可以充滿封閉范圍內的所有空間，特別有利于工作面采空區上部和巷道冒頂區的防滅火。通過管道輸送，不需用水，輸送方便。滅火過程中不損壞井巷設備，使災后恢復工作簡單。氮氣本身無毒，使用安全。使用方便，投入防滅火速度快，采空區有發火征兆時，只需開啟閥門，便可迅速向采空區注入氮氣。 滅火速度快，能迅速降低封閉區的氧含量使火區窒熄。目標注氮時，能迅速降低巷道冒頂區的一氧化碳含量，保證滅火人員的安全。能提高火區內氣體壓力，減小火區漏風。火區漏風過多時效果下降，故氮氣滅

3、火時需一定程度的嚴密性。封閉注氮時對火源的降溫效果較差，因此氮氣滅火后或者將火源點甩入采空區窒熄帶，或者進入封閉區內（巷道火災）直接降溫。二、注氮防滅火措施和有效性分析氮氣是一種無色、無味、無嗅、無毒的氣體。由于氮氣分子結構穩定，其化學性質相對穩定，在常溫、常壓條件下氮氣很難與其它物質發生化學反應，所以它是一種良好的惰性氣體，隨著空氣中氮氣含量的增加，氧氣含量必然降低。當氧氣含量低到510時，可抑制煤炭的氧化自然；氧氣含量降至3以下時，可以完全抑制煤炭等可燃物的引燃與復燃。用氮氣防滅火和阻止瓦斯爆炸的過程稱為惰化，惰化后的火區因氧氣不足而不能燃燒和爆炸。氮氣的防滅火作用，即時使采空區等有關區域

4、惰化。具體地說，氮氣的防滅火作用和特點是：（一）氮氣可以充滿任何形狀的空間并將氧氣排擠出去，從而使火區中因氧含量不足而將火源熄滅，或者使采空區中因氧含量不足而使遺煤不能氧化自然。（二）在有瓦斯和火存在的氣體爆炸危險區內，注入氮氣能使可燃性氣體失去爆炸性。（三）向采空區或火區中大量注入氮氣后，可以增加采空區相對壓力，致使新鮮空氣難以漏入。（四）氮氣防滅火必須與均壓和其它堵漏風措施配合應用。否則，如果注入氮氣的采空區或火區漏風嚴重，氮氣必然隨漏風流失，難以起到防滅火作用。基于上述氮氣的性質及煤的氧化機理，向采空區及遺煤帶注入氮氣，使其滲入到采空區冒落區、裂隙帶及遺煤帶，降低這些區域的氧含量，形成氮

5、氣惰化帶，從而達到抑制采空區自然和安全開采的目的。三、氮氣來源選取的技術經濟分析目前，工業制取氮氣均以空氣作為原料氣，這種原料氣的供給是無限量的。煤礦制氮機主要有變壓吸附法和薄膜分離法。本礦采用QTD1200/97型固定式碳分子篩制氮裝置（采用變壓吸附法，注氮量可調，最大注氮量：1200m3/h）。四、氮氣防滅火參數及設計依據（一）氮氣純度及惰化指標氮氣防火純度：根據煤礦安全規程，采空區防火注氮的氮氣純度定為97%。采空區氧化帶防火惰化指標：根據煤礦安全規程，采空區氧化帶防火惰化指標為O27%。火區注氮惰化指標：進風密閉內O23%（停氮時），回風密閉內O22%。（二）設計依據板石煤礦2018年

6、生產能力為240萬t ，包括3個綜采工作面，綜采工作面最高生產能力為175萬t，加上掘進出煤達到設計產量，因此，按現有回采工作面523a05的生產能力來計算注氮防滅火流量，在實際生產過程中，3個綜采面同時著火的可能性很小，本著滿足523a05綜采面注氮防滅火需要，又兼顧全礦達產后防滅火的需要，制氮能力的確定主要依據MT/T 701-1997煤礦用氮氣防滅火技術規范，現依據523a05綜采面剩余產量為13萬噸，“三八”工作制，根據采掘接續計劃表，523a05工作面剩余產量計劃回采59天，日產原煤2203t。五、注氮能力計算注氮量是最重要的注氮參數，直接決定著注氮效果。注氮量太小因達不到惰化采空區

7、氣體的目的而起不到防火的作用，注氮量太大造成經濟上的浪費。注氮量主要取決于被注地點的幾何體積、氧化空間大小、裂隙情況、漏風量大小以及氣體組分等。由于煤礦條件千差萬別，目前注氮量只能按待注地點的幾何體積、工作面的產量、噸煤注氮量、瓦斯量、氧化帶內的氧含量進行計算。（一）防火注氮流量計算1、按采空區氧化帶氧含量計算采空區合理的防滅火注氮流量根據理論計算和礦井工作面防滅火注氮實踐考察而確定防火注氮流量的計算和工作面的風量、產量、采空區體積、瓦斯涌出量及煤炭發火程度有關。根據煤礦用氮氣防滅火技術規范（MT/T701-1997）第7.1條的規定：制氮設備或裝置的供氮能力應按礦井注氮工作面防火需要選取（個

8、采煤工作面注氮量），此法計算的實質是將采空區氧化帶內的原始氧含量降到防火惰化指標以下，按下式計算注氮流量。 QN=60KQOC1-C2CN+C2-1 =60×1.1×6×15%-7%98%+7%-1 =634m3/ h式中：QN供氮能力，m3/h；K備用系數，取1.1；Q0采空區氧化帶內漏風量，m3/min；采空區氧化帶的范圍受工作面的通風狀況、采空區的冒落等諸多因素的影響而在很大的范圍內變化，因此采空區氧化帶的漏風量的變化范圍也較大；采取堵漏風措施后，采空區氧化帶內的漏風量取為6m3/min；C1采空區氧化帶內平均氧濃度，%；目前國內應用較普遍的是將采空區氧濃度

9、在1018%之間的區域視為氧化帶，因為氧化帶的范圍不同而平均氧濃度值也不同，因此選15%；C2采空區惰化防火指標，其值為煤自然臨界氧濃度，%；煤的自然臨界氧濃度值隨煤種、煤質、賦存條件等因素的不同而變化，其具體數值應根據實驗室試驗而取得，此值的范圍一般為5%10%。根據煤礦安全規程中的規定：采用氮氣防火注入的氮氣濃度不得低于97%，注入后采空區內氧氣濃度不得大于7%，所以此值取7%；CN注入氮氣的氮氣濃度，%；根據新版煤礦安全規程中的規定：采用氮氣防火注入的氮氣濃度不得低于97%，注入后采空區內氧氣濃度不得大于7%。同時根據煤礦用氮氣防滅火技術規范（MT/T701-1977）第7.2條的關于氮

10、純度的規定“向采空區注入氮氣的純度要視其能將采空區的氧濃度降低到煤自然臨界氧濃度而定。而向火區注入氮氣濃度應不低于97%”。取98%。（二）滅火注氮流量計算撲滅采空區火區或巷道發火點所需氮氣量，主要取決于發火區域的幾何形狀、空間大小、漏風量、火源范圍和燃燒時間的長短等因素。 1、撲滅巷道火災所需氮氣量 對于巷道火災，可主要按空間量及漏風量計算。2、撲滅巷道火災所需氮氣量 撲滅采空區火災可按下式進行估算： QN=V0·C1C2-1 =12218×18%3%-1 =61090m3式中：QN注氮量，m3; V0火區體積，m3; C1火區原始氧濃度，%； C2注氮時達到的氧濃度，取

11、3%。一般按滅火時間35d確定滅火注氮流量，即為： QN24×56109024×5510m3/h3、防滅火注氮流量的確定為634m3/h。 通過上述計算，依據國內外應用氮氣防滅火的經驗，結合板石煤礦綜采工作面的開采條件，將防滅火注氮流量確定為634m3/h。因此選擇制氮能力1200m3/hQTD1200/97煤礦用固定式碳分子篩制氮裝置。六、輸氮管路的選取（一）注氮管路鋪設注氮機廠房設在地面工業廣場主井附近，注氮管路鋪設情況：1、地面注氮機房主井（6寸）平安車巷（4寸）暗主井（4寸）東翼回風巷（4寸）523a05回風聯巷（4寸）523a05聯巷（4寸）523a05下順采空區

12、（4寸）2、地面注氮機房主井（6寸）平安車巷（4寸）暗主井（4寸）東翼回風巷（4寸）東翼六聯巷（4寸）52301下順采空區（4寸）3、地面注氮機房主井（6寸）平安車巷（4寸）19層材料下山（4寸）119b06下順采空區（4寸）（二）管路鋪設要求1、管路的鋪設應盡量減少拐彎，要求平、直、穩，接頭不漏氣。每節鋼管的支點不少于兩點，不允許在管路上堆放他物。低洼處可設置放水閥。2、輸氮管路的分岔處應設置三通 。3、輸氮管路應進行防銹處理。4、定期對輸氮管路進行試壓檢漏。（三）注氮管路輸送壓力計算根據煤礦用氮氣防滅火技術規范(MTT701-1997)第7.4.1條和7.4.2條的規定：從井下供氮時，除應

13、采用鋼管外，在滿足輸氮壓力的情況下，可選用耐壓橡膠軟管，但進入采空區或火區的管路必須采用鋼管。輸氮管路的直徑應滿足最大輸氮流量和壓力的要求。供氮壓力可按下式進行計算：P1=0.0056Qmax10002D0Di5i0Li+P2212 0.37Mpa式中：P2管路末端的絕對壓力，0.1MPa；Qmax最大輸氮流量，850m3/h；D0基準管徑，150mm；Di實際輸氮管徑，100mmLi相同直徑管路的長度，0.83km；3.8km0基準管徑的阻力損失系數，0.026；i實際輸氮管徑的阻力損失系數，對于不同的鋼管直徑，則有如表1的關系：上述計算說明：主管徑選用150mm無縫鋼管作主輸氮管路，支管路

14、選用100無縫鋼管，輸送距離4.63km，管口末端壓力為0.1MPa的情況下，制氮設備的供氮壓力只需0.37MPa，就可將850m3/h的氮氣送到523a05綜采面采空區，因此制氮設備供氮壓力0.6MPa可以滿足輸送壓力要求。七、注氮設備選型（一）制氮設備根據注氮能力和注氮壓力的計算，選用QTD1200/97煤礦用固定式碳分子篩制氮裝置，有關性能指標參數如下：1、注氮機型號及名稱：QTD1200/97煤礦用固定式碳分子篩制氮裝置。2、主要性能指標參數產N2量：1200N2m3hN2：純度：97%N2：壓力：00.6MPa（可調）2、注氮系統與制氮設備的安裝要求注氮機安設在地面永久注氮機房內，制

15、氮裝置從里往外依次為：空壓機、空氣緩沖罐車、吸附塔車、儲氮罐車。3、制氮機安設硐室應滿足以下要求：（1）制氮裝置中的電氣設備，必須取得防爆檢驗合格證。（2）制氮裝置必須有獨立的供電電源和饋電開關，機房內應設專用電話。（3）制氮機房內必須掛有完善的管理牌板。（4）制氮機房內必須按規定配齊消防材料。八、注氮防滅火工藝和方法（一）采煤工作面防火注氮工藝：采用入風順槽埋管注氮工藝；采煤工作面防火注氮方法：開放式間斷性注氮。具體作法是：在采煤工作面的下順沿采空區埋設一趟注氮管路。當埋入一定深度后（20米）開始注氮，同時又埋入第二趟注氮管路。當第二趟注氮管口埋入采空區氧化帶與冷卻帶的交界部位時向采空區注氮

16、，同時停止第一趟管路的注氮，并又重新埋設注氮管路，如此循環。對于采煤工作面的日常防火注氮采取開放式、間斷性注氮方式和入風順槽埋管注氮工藝（詳見下圖）。（二）采煤工作面滅火注氮工藝：采用密閉注氮工藝；采煤工作面滅火注氮方法：滅火初期采用封閉式連續性注氮方法；火情撲滅后，采用封閉式間斷性注氮方法。具體作法是：對采煤工作面上下順進行封閉，火點位置預留注氮管路，滅火初期采取連續注氮方式，當密閉內氧氣濃度降至5%以下，密閉內一氧化碳濃度降至0.0024%以下，且密閉上下順同時呈正壓狀態后，采取間斷性注氮方式，注氮時間每天不小于16小時。 （詳見下圖）（三）防火密閉防火注氮工藝：采用密閉注氮工藝；防火密閉

17、注氮方法：采用封閉式間斷性注氮方法。具體作法是：當密閉內氧氣濃度降至5%以下，密閉內一氧化碳濃度降至0.0010%以下，且密閉上下順同時呈正壓狀態后，采取間斷性注氮方式，注氮時間每天不小于8小時。 （四）防火密閉滅火注氮工藝：采用密閉注氮工藝；防火密閉注氮方法：采用封閉式連續性注氮方法。具體作法是：當密閉內出現自燃發火現象時，采取封閉式連續性注氮方式。九、注氮時機根據琿春項目防滅火設計方案修改稿 中板石煤礦采空區“三帶”的數據分析，確定采煤工作面及密閉注氮時間：（一）當采煤工作面采空區內溫度超過35度，采面上尾巷內一氧化碳濃度超過0.0024%時，采取防火性注氮，利用入風順槽埋管，采取開放式、

18、間斷性注氮方式，注氮時間每天不小于16小時，直到采煤工作面采空區溫度降至35度以下，上尾巷內一氧化碳氣體為0.00%時，停止注氮。（二）采煤工作面月推進速度小于36米，采取防火性注氮，利用入風順槽埋管，采取開放式、間斷性注氮方式，注氮時間每天不小于16小時，直至采煤工作面恢復正常推進速度后停止注氮。（三）當井下防火密閉內溫度超過35度，密閉內一氧化碳濃度超過0.0010%，密閉內氧氣超過5%時，對密閉采取封閉式、間斷性注氮方式，注氮時間每天不小于8小時。（四）當采煤工作面采空區溫度持續升高（30度130度），一氧化碳濃度隨煤溫升高呈上升趨勢（0.0024%0.0080%），或出現乙烯、乙炔氣體

19、時，必須立即對采煤工作面進行封閉，采取采用封閉式連續性注氮方法。十、火災監測系統根據新版煤礦安全規程第二百七十一條規定，采用氮氣防滅火時，必須有能連續監測采空區氣體成分變化的監測系統。板石煤礦采用注氮防滅火方式，采用礦井火災束管監測系統、人工取樣地面色譜分析和便攜式檢測相結合的方式，對礦井進行自然發火預測預報工作。（一）建立地面色譜束管火災監測系統 與氮氣防滅火配套的最重要措施就是火災檢測系統。一是煤礦安全規程規定，采用氮氣防滅火必須有能連續不斷地檢測采空區氣體成分變化的檢測系統；二是必須準確地監測采空區和火區的氣體成分的變化及其態勢，才能比較準確進行自然發火預測預報；三是采空區發火一般不易發

20、現，必須及時監測采空區發火征兆，為采取相應的防滅火措施提供依據。因此，需要建立束管監測系統。 目前國內用于監測火災的系統有兩種：一是井下型火災束管監測系統；二是地面色譜束管火災監測系統，前者是將真空泵、氣體采樣分析柜和控制箱安置于井下工作面附近的聯絡巷或機電峒室內，電信號通過傳輸電纜送到地面計算機，并進行數據處理，存貯，火災系數分析，爆炸危險性判斷，報表打印等，具有系統管理和維護簡單的優點。后者是將井下采空區或封閉區內的氣體通過束管抽到地面，然后通過氣相色譜儀分析，具有分析組分多的優點，其缺點是井下和地面存在溫度差，束管內容易積水，另外，井下束管鋪設路線長，管理和維護不易。經綜合分析比較，設計

21、選用JSG-8型礦井火災束管監測系統。 （二）測點的設置及監測方法 根據采煤工作面及防火密閉注氮情況，將束管接至采煤工作面上尾巷或防火密閉觀測孔。通過束管監控系統對注氮地點氣體成分進行實時監控或由人工取氣樣，利用束管監控系統進行化驗分析，當采煤工作面或密閉注氮時，為防止氮氣泄露，導致人員窒息，采煤工作面采空區注氮時，瓦檢員每班必須到采煤工作面及下尾巷對氧氣進行檢測（檢查次數不得小于3次），當密閉進行注氮時，派專人每班到注氮的防滅火密閉前對氧氣濃度進行檢測，氧氣濃度均不得低于18%。當工作面推進15m，采用鋼管作套管，在回風巷沿采空區各埋設一趟取氣管路，回風側設1個測點；當埋入采空區50m后，再

22、埋第二趟，如此交替埋設，直至采完為止。埋入采空區的束管管口取樣點處，應用大塊矸石或木跺防護，以防止浮煤堵塞束管取樣口。（三）人工檢測 人工檢測是指瓦檢員每班使用便攜儀巡回測定工作面、上隅角、回風巷等處的O2、CH4、CO和采空區溫度，發現問題及時報告，以便采取相應措施進行處理。十一、注氮安全技術措施（一）在采空區進行注氮防火或在火區進行注氮滅火時，必須編制相應的安全技術措施，經礦總工程師審批后，方可實施。（二）注氮過程中，工作場所的氧氣濃度不得低于18.5%，否則應立即停止作業撤除人員，同時降低注氮量或停止注氮。（三）制氮設備的管理人員和操作人員，必須經培訓，考試合格，并取得結業證和上崗證后，

23、方可上崗。（四）注氮地點的安全通風量根據煤礦用氮氣防滅火技術規范(MTT701-1997)第11.2條的規定，注氮地點及與其相連巷道的安全通風量按下式計算：Q0=QNCN+C1-1C1-C2 =154.78m³/min式中：Q0工作場所的安全風量，m3/min；QN最大氮氣泄漏量，m3/min，取20 m3/min；CN泄露氮氣中的氮氣濃度，%，取97%；C1工作面或巷道中原始氧氣濃度，取20.8%；C2工作場所的安全氧濃度指標，取18.5%；在輸氮管路沿途或工作面，假設所輸送850m3/h的氮氣全部泄漏，按工作場所安全氧濃度指標18.5%的要求，523a05工作面巷道的風量為802

24、m³/min，52301工作面巷道的風量為886m³/min，119b06工作面巷道的風量為744m³/min，各采煤作業地點的風量均154.78m³/min，采煤工作面采取開放式注氮方法時，采面安全風量符合要求。采面上下順封閉后產生盲巷，利用局部通風機供風，在注氮過程中，一旦局扇停風，嚴禁任何人員進入，防止出現人員窒息事故。（五）密閉采用防滅火注氮時，密閉外必須設置全斷面柵欄，密閉前設置氧氣傳感器，報警值為18%。（六）注氮司機不得擅自離崗，不得任意開停制氮機。（七）注氮人員要經常注意制氮機運行狀態，要經常檢查制氮機各部位接頭、管路的密封情況，加強維護。發現異常及時處理；當發生故障又無法處理時，應先停機，并通知注氮管路監測人員關閉各注氮支管閥門，故障排除后，應通知注氮管路監測人員，打開原規定的注氮支管閥門，待得