磁窑沟煤矿制氮 设计之欧阳化创编.docx

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磁窑沟煤矿制氮设计之欧阳化创编

山西省晋神能源有限公司磁窑沟煤矿

时间：

2021.02.12

创作人：

欧阳化

10-2#煤层10101综采工作面注氮方案

编制单位：

磁窑沟煤矿生产科

编制时间：

2011年2月6日

101综采工作面注氮方案设计审批栏

编制人

矿长助理

生产科

副总工程师

调度室

安监处

安检科

总工程师

机电科

生产矿长

安全质量监察部

矿长

公司生产技术部

公司总工

审批意见

第一章矿井概况

一、地理位置

1、交通位置

磁窑沟煤业有限公司位于河曲县城东南方向，直线距离18km，西距黄河6.5km，行政区划属河曲县鹿固乡所辖。

井田地理坐标东经111°18′03″～111°20′15″，北纬39°16′29″～39°18′31″。

井田范围内没有铁路，只有巡（镇）公路、前（川）公路从区内通过，直达本井田的洞沟公路，西行8km到达巡镇，与保（德）～河（曲）公路相接，从本区东行12km可达神（池）～河（曲）干线公路，井田距神河铁路火山煤台21km，沙泉煤台60km，三岔煤台94km，距神朔铁路50km，北到偏关，可达内蒙，南通保德、府谷可达陕西，向东通往朔州、大同，交通较为便利。

2、地形地貌

磁窑沟井田地处黄土高原干湿过渡带，西临黄河，地势变化总的趋势是东高西低，最高点位于区内杏树梁，标高1202.93m，最低点位于区内东沟河河底，标高为925.00m，最大相对高差278.00m，属中低山区。

地面多为新生界黄土及红土覆盖，黄土丘陵是本区地貌形态的主体，以黄土梁峁为主，侵蚀强烈，造成沟谷成“V”字形羽状分布。

地面植被稀少，地表冲刷剧烈，区内主要沟谷为东西走向的洞沟～磁窑沟一线。

根据河曲县水文站资料，从井田西侧流过的黄河最大流量8000m³/s，最小流量50m³/s,河床坡降0.7%。

勘探区中部的洞沟属黄河一级支流，平时无水，干枯，雨季时有洪水流过。

县川河为黄河在区域内的最大支流，流域面积1610km²，平均水位882.50m，流量43200m³/d，其他支流为季节性河流。

3．气象与地震

本区属大陆性气候，据河曲县气象站资料，本井田气候特点是温凉干燥，四季分明，冬季少雪，春季干燥多风，夏季雨量集中，秋季短促凉爽。

据统计，年平均气温8.8℃,冬季平均温度-9.4℃，最低气温在1月份，极端最低气温为-26.9℃（1977年、1980年）；夏季平均气温23.9℃，最高气温7月份，极端最高气温38.4℃。

年降水量在211.40～714.30mm之间，年蒸发量为1805.70mm，蒸发量一般是降水量的4倍。

每年3～4月为风季，风向多为西北风，风力一般3～5级，最大达7级。

每年11月至次年3月为结冰期，冻土深度常在1.00m左右，历年最大冻土深度1.45m。

二、含煤地层

本井田主要含煤地层为石炭系上统太原组，太原组厚度40.41～120.54m，平均厚度88.90m，含煤8层，可采煤层4层，主要可采煤层为10-1、10-2、11和13号煤层，按其岩性和煤层的特点，

三、煤层及煤质

㈠煤层

1.含煤性

磁窑沟井田含煤地层为石炭系中统本溪组（C2b）、上统太原组（C3t）和二叠系下统山西组（P1s），共含煤11层，其中本溪组含煤2层，太原组含煤8层，山西组含煤1层，太原组为主要含煤地层。

本溪组地层最大厚度12.24m，含16、17号2层煤层，厚度分别为0.50m、0.42m，煤层总厚0.92m，含煤系数为7.4%。

山西组地层最大厚度78.94m,平均厚度35.10m,含8号煤1层煤层，厚0～1.65m，含煤系数不到1%。

太原组地层平均厚88.90m，含煤8层，编号为9、10-1、10-2、11、12、13、14及15号煤厚分别为0.55m、2.68m、5.86m、1.44m、0.35m、11.05m、0.55m及0.20m，煤层总厚26.12m，含煤系数为29.4%。

综观上述3组地层的含煤性，以太原组最好。

2.可采煤层

磁窑沟井田各组地层含煤虽然有11层，但可采只有4层，编号为10-1、10-2、11及13号煤层，其余皆为不可采煤层。

①10-1号煤层：

位于10号煤层的上半部，煤层厚1.40～4.13m，平均2.68m，纯煤厚度1.20～3.76m，平均2.26m，为稳定中厚煤层。

结构较复杂，含矸0～4层，一般情况下，含矸1层，厚0.50m左右。

顶底板岩性均为泥岩。

2.10-2号煤层：

位于10号煤层的下半部，煤层厚4.03～9.50m，平均5.86m，纯煤厚度3.45～7.95m，平均5.18m，为稳定厚煤层。

结构较简单，含矸0～3层，普遍含2层矸石，厚度变化大。

顶底板岩性均为泥岩。

③11号煤层：

位于太原组地层的中上部，煤层厚0～3.39m，平均1.44m，纯煤厚度0～3.39m，平均1.44m，为中厚煤层。

煤厚变异系数为65%，可采性指数为0.87，属较稳定煤层。

煤层结构简单，多数情况不含夹矸，偶见1层夹矸，夹矸最大厚度0.20m。

井田内层位较稳定，大部可采。

煤厚变化规律很明显，从井田东南部向西北部逐渐增厚。

东南部ZK5、ZK19钻孔煤厚为零，为无煤带，井田其他地区煤厚都在1.30m以上，最厚位于ZK4钻孔，煤厚可达3.39m。

顶板岩性为泥岩，底板岩性为粉砂岩。

11号煤层下距12号煤层（不可采）0～15.50m，平均7.95m，在12号煤层缺失的情况下，下距13号煤层22.07～51.80m。

④13号煤层：

位于太原组下部，是本井田的主要可采煤层。

煤层厚9.05～16.72m，平均11.05m，纯煤厚度7.15～14.87m，平均9.87m，为特厚煤层。

经计算煤厚变异系数为22.3%，可采性指数为1，属稳定全井田可采煤层。

煤层结构较复杂，含矸0～7层，普遍含矸3～4层，总厚1.20～1.40m。

顶板岩性为泥岩、中粗砂岩，底板岩性为泥岩。

各可采煤层特征见表2-1-1。

表2-1-1可采煤层特征表

含煤地层

煤层号

见煤点

厚度（m）

最小-最大

平均

煤层间距（m）

最小-最大

平均

夹石层数

结构

稳定性

可采性

倾角（度）

顶板岩性

底板岩性

容重（t/m3）

太

原

组

10-1

1.40-4.13

2.68

0.55-8.65

2.44

2.60-6.50

4.65

22.07-51.80

32.08

0-4

较复杂

稳定

全区

可采

2-5

泥岩

泥岩

1.38

10-2

4.03-9.50

5.86

0-3

较简单

稳定

全区

可采

2-5

泥岩

泥岩

1.38

11

0-3.39

1.44

0-1

简单

较稳定

局部可采

2-5

泥岩

粉砂岩

1.38

13

9.05-16.72

11.05

0-7

复杂

稳定

全区

可采

2-5

泥岩、中粗砂岩

泥岩

1.38

四、煤的自燃

井田各煤层煤的自燃发火期为3-6个月，地面有粉煤自燃现象，井田内各煤层采空区均有自燃现象，原四家塔井田西北部及南部10号煤层采空区自燃发火，原磁窑沟井田北部10号煤层采空区自燃发火，原煤子塔井田中部10号煤层采空区自燃发火，现已安全密闭。

原煤子塔井田及磁窑沟井田东部露头处，塔沟窑、十八窑、煤子塔旧井、沙湾湾、烂石头湾窑等老窑沿煤层露头开采13号煤层，因煤层自燃发火而停采，现仍在自燃。

地表岩层因煤层自燃造成出现烧变现象。

由山西省煤炭工业局综合测试中心对本矿和邻矿10号和13号煤层采样化验测试，煤的自燃倾向等级分别为自燃和容易自燃煤层。

第二章氮气防灭火技术及装备

第一节氮气防灭火原理

氮气是一种无色、无味、无嗅、无毒的气体。

由于氮气分子结构稳定，其化学性质相对稳定，在常温、常压条件下氮气很难与其它物质发生化学反应，所以它是一种良好的惰性气体，随着空气中氮气含量的增加，氧气含量必然降低。

据有关资料介绍：

当氧气含量低到5～10％时，可抑制煤炭的氧化自燃；氧气含量降至3％以下时，可以完全抑制煤炭等可燃物的阴燃与复燃。

基于上述氮气的性质及煤的氧化机理，向综采面采空区及遗煤带注入氮气，使其渗入到采空区冒落区、裂隙带及遗煤带，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。

具体地说，氮气的防灭火作用和特点是：

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；2）在有瓦斯和火存在的气体爆炸危险区内，注入氮气能使可燃性气体失去爆炸性；3）向采空区或火区中大量注入氮气后，可以使其呈现正压状态，致使新鲜空气难以漏入；4）在氮气灭火过程中，不会损坏或污染机械设备和井巷设施，火区启封后，可较快地恢复生产；5）氮气防灭火必须与均压和其它堵漏风措施配合应用。

否则，如果注入氮气的采空区或火区漏风严重，氮气必然随漏风流失，难以起到防灭火作用。

氮气防灭火存在的主要问题：

1）、氮气不易在防治区滞留，不如注沙、注浆那样“长期”覆盖、包裹或存积在可燃物或已燃物的表面上，其隔氧性较差。

2）、注氮能迅速破灭火灾，但火区完全灭火时间相当长。

因此，注氮灭火的同时，应辅以其他直接措施处理残火，以防止复燃。

3）、注氮防火，氮气向采面或临近采空区泄露；注氮灭火，氮气通过密闭等通道泄露。

因此，注氮防灭火的同时，应采取堵漏措施，使氮气泄露量控制在最低限度。

4）、氮气本身虽无毒，但具有窒息性，对人体有害。

据试验，井下场所氧气含量下限值为19%，所以氮气泄露的工作地点氧含量不得低于其下限值。

第二节氮气的制取

氮气是空气中的主要成分，是一种取之不尽、用之不竭的气体。

加上它具有无毒、无臭和易于与空气相混和等优良特性，所以是一种理想的防灭火惰性气体。

矿井防灭火工作中所用的氮气，都是通过对空气中的气体成份进行分离而制取的。

基本制取方法有深冷空分、变压吸附和膜分离三种工艺技术。

深冷空分是一种传统的空分技术，已有九十余年的历史，它的特点是产气量大，产品氮纯度高，但设备装机功率大，工艺流程复杂，占地面积大，基建费用高，需专门的维修力量，操作人员较多，产气周期长（18～24h），显然不适合煤矿选用。

变压吸附制氮是以空气为原料，用碳分子筛作吸附剂，利用碳分子筛对空气中的氧和氮选择吸附的特性，运用变压吸附原理（加压吸附，减压解吸并使分子筛再生）且在常温下使氧和氮分离制取氮气。

变压吸附制氮与深冷空分制氮相比，具有明显的优点：

吸附分离是在常温下进行，工艺简单，设备紧凑，占地面积小，开停方便，启动迅速，产气快（一般在30min左右），能耗小，产品氮纯度可在一定范围内调节，产氮量≤2000m3／h。

主要缺点是碳分子筛在气流冲击下，极易粉化和饱和，运转和维护费用高。

膜分离制氮是以空气为原料，在一定的压力下，利用氧和氮在中空纤维膜中的不同渗透速率来使氧、氮分离制取氮气。

它与上述两种制氮方法相比，具有设备结构更简单、体积更小、无切换阀门、操作维护也更为简便、产气更快（3min以内）、增容更方便等特点，但中空纤维膜对压缩空气清洁度要求更严，膜易老化而失效。

根据磁窑沟煤矿实际情况，采用碳分子筛制氮工艺技术制取氮气，选用一台DT-600/8矿用碳分子筛制氮装置作为井下综采工作面边采、边注、边防火的措施。

DT-600/8矿用碳分子筛制氮装置，本制氮装置为组合式结构，主要由气源车、净化车、制氮车和缓冲车四个单元组成。

气源车选用隔爆兼本安型矿用无油或微油螺杆空压机（已安装在101综采工作面移变列车的平板车上）。

净化车主要由除油净化器、精过滤器、超精过滤器、除油过滤器、除油器、角座阀、1只矿用浇封型电磁阀等组成，通过配管将其组装在槽钢底盘上。

制氮车主要由四只吸附塔（内装满进口碳分子筛，并在吸附塔的顶部各设置4条气囊）、消声器及其10只ZSGP管道式气动阀和10只矿用浇封型电磁阀组成，通过配管将其组装在槽钢底盘上。

缓冲车主要由氮气缓冲罐、粉尘过滤器、减压阀、流量计（金属管浮子流量计或玻璃转子流量计）、甲烷氧气两参数测定器、节流阀等通过配管将其组装在槽钢底盘上。

移动式制氮设备主要性能指标：

1．型号：

DT-600/8

2．氮气流量：

≥600Nm3/h

3．氮气纯度：

≥97%（残氧≤3%）

4．氮气压力：

（0.5-0.8）MP

5．氮气出口最高压力0.6MP

6．启动时间≤30min

7．氮气回收率：

≥45%

8.工作电压：

660v/1140v±10%v，50±1HZ

9.轮轨轨距：

600mm或900mm或无轨胶轮平板车

第三节氮气防灭火方案

一、主管路选择与铺设

在磁窑沟煤矿10-2#煤层101综采面胶运顺槽设备列车上，氮气通过氮气输送管路系统输到注氮地点，主管路选用4英寸普通钢管，工作面进风顺槽管路采用沿地敷设。

由制氮机组铺设注氮管路至101综采面，管路铺设路线为：

101综采工作面设备列车→制氮机组→101胶运顺槽→工作面上端头→采空区。

管网总长度约550m；

管径：

4英寸。

二、注氮气管路的布置

在施工中采用单管注入氮气，注氮管路延进风顺槽101胶运巷北侧底板敷设埋入采空区内，管路采用法兰盘联接，并每隔30米接一个三通，作为氮气释放口，其位置应高于煤层底板20——30CM且三通口要正对采工区罩上金属网,并采用石块或木垛加以妥善保护，以防砸坏或孔口堵塞，影响注氮。

若要考察管道的注氮气量，还应安装流量计。

三、注氮气量

向采空区注氮气的目的，就是要用高浓度的氮气来充满需要惰化的采空区冒落空间，因此，注氮气量与采空区每日冒落空间大小、工作面推进速度等有关。

A、按产量计算

在单位时间内注氮充满采煤所形成的空间，使氧气浓度降到防灭火惰化指标以下，其经验计算公式为：

QN=[A/1440ρtn1n2]×（C1/C2-1）

式中：

QN——注氮流量，m3/min；

A——年产量，t；

t——年工作日，取330d；

ρ——煤的容重，t/m3；

n1——管路输氮效率，%；

n2——采空区注氮效率，%；

C1——空气中的氧浓度，取20.8%；

C2——采空区防火惰化指标，取7.0%。

则QN=[1200000/1440×1.4×330×90%×80%]×（20.8%/7.0%-1）

=4.97m3/min

B、按采空区氧化带氧浓度计算

将采空区氧化带内的原始氧气浓度降到防灭火惰化指标以下，按下式计算

QN=[（C1-C2）QV]/（CN+C2-1）

式中：

QN——注氮流量，m3/min；

QV——采空区氧化带的漏风量，m3/min；

C1——采空区氧化带内原始氧浓度（取平均值）；

C2——注氮防火惰化指标，取7.0%；

CN——注入氮气中的氮气浓度。

则：

QN=[（13%-7%）×8.0]/（97%+7%-1）=12m3/min

取A、B计算结果的最大值12m3/min，结合矿井实际情况取1.2的安全备用系数，采空区防灭火时的最大注氮量为14.4m3/min。

一般可根据国内外目前注氮防灭火经验选用以下注氮量：

1）防火注氮量一般为5m³/min（氮气）；

2）灭火注氮量原则上最初强度要大，将火势压住，然后逐渐降低强度。

若回风敞口单位时间注氮量不能小于9.2m³/min；全封闭时，可控制在8m³/min。

四、注氮气体监测

为便于采空区取气样分析，在铺设注氮管的同时，采空区应同时预埋束管监测探头，其数量视取气样点数而定。

在注氮管或支管分叉处必须设置观测点（测定流量、压力、浓度及温度）。

注氮时，由通风队每班设专人在机头、工作面内及机尾监测氮气浓度，当浓度达到80%时，工作面注氮停止作业。

五、氮气灭火注意的问题

1）采空区应注意观察氮气的流向，工作面配风要能够冲淡氮气浓度，为减少耗氮量，可将采空区注氮与通风调压相配合。

2）严格禁止在综采工作面周期来压时向采空区注氮，防止来压使采空区氮气压入工作面造成工作面缺氧。

3）要认真封堵工作面及上、下两端漏风点。

时间：

2021.02.12

创作人：

欧阳化