注氮惰化采空区防自然发火修改.docx

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注氮惰化采空区防自然发火修改

前言

郑煤集团公司裴沟煤矿位于郑州市西南35公里新密市境内，1966年投产，原设计生产能力60万吨/年，后经两次改扩建，目前矿井年生产能力达210万吨以上。

矿井通风方式为混合式，新副井和深部立井为进风井，中央风井、陈沟风井为回风井。

矿井所采二1煤层属典型的“三软”煤层，平均煤厚为7米，煤尘具有爆炸危险性，爆炸指数为14.99%，煤层自燃发火倾向等级为三级属不易自燃煤层，瓦斯等级为高瓦斯矿井。

32051综放面位于32皮下东侧，北隔32031工作面与32011综放面相邻，南面是未采区，走向长1750米，倾斜长150米，剩余可采走向长度860米。

2005年4月份，工作面涌水量逐渐增至800m3/h，受水患影响，回采速度缓慢，月推进度不足15米，2005年8月，工作面涌水量突然增大到1500m3/h以上，工作面被迫停采。

经专家组考察论证，决定采取打钻注浆技术治理水患，需时一年左右。

此时测得采空区CO最大浓度为160PPm，温度38℃，如何采取措施，有效遏制采面自然发火趋势，确保注浆治水期间的采面安全，已成为亟待解决的首要问题。

依据注浆治水与防治自然发火并重的原则，我们综合考虑、因地制宜，采用采空区注氮惰化技术进行综合治理：

即在采取严格控制工作面风量降低采面风压、堵塞漏风通道封闭采空区、局部高温测点注射MEA灭火剂隔离降温等措施后，进行注氮隋化采空区，有效遏制了采空区破碎煤体自然发火，效果良好，社会、经济效益明显。

采空区注氮防治自然发火技术在裴沟矿32051综采工作面的成功应用，不仅有效地解决了该面的自然发火问题，为工作面的打钻注浆治理水患赢得了宝贵的时间，而且在探索防治自然发火的途径上进行了大胆的尝试，具有较强的借鉴意义。

第一章概况

一、32051工作面概况

工作面位置：

32051综放面位于32皮下东侧，北隔32031工作面与32011综放面相邻，南面是未采区，切巷位于32皮带下山东860米，剩余可采走向长度810米，倾斜长153米。

工作面地质条件：

煤层倾角11--21°，平均19°，煤层厚度1.5-18.4米，平均8.6米。

伪顶厚度0-1米，平均0.5米，直接顶厚2.4-4.8米，平均4米，直接底为砂质泥岩。

老底为L8灰岩。

工作面气体监测情况：

工作面正常回采时上隅角及采空区CO浓度为零；2005年4月因水患工作面推进度受限（平均15米/月），上隅角及采空区CO浓度最大14PPm；2005年8月4日工作面停采，测得各测点CO浓度逐渐攀升，其中采空区11号测点（第83架处）最高浓度达1040PPm，形势十分危机。

二、工作面采空区防灭火的必要性

32051综采工作面自2004年11月开始，受到水患困扰，采面被迫停产。

此前，我们已开始着手对采空区进行注水，对工作面标定测点进行监测，CO浓度（11测点）最高14PPm。

工作面停产后，采空区CO浓度明显有增大趋势。

尽管我们采取了一系列措施，通过调整工作面风量减小压差、堵塞漏风通道、对11号测点等高温点实施注射MEA灭火剂隔离降温进行控制等，虽有效果，但情况较为反复，都不能从根本上解决问题。

第二章技术方案的比较与确定

一、技术方案的比较

用于防治煤层自然发火的措施有灌浆防灭火、注凝胶防灭火、喷洒阻化剂防灭火、均压防灭火注氮防灭火等。

注浆防灭火，容易发生溃浆和透水,不利于工作面整体堵水工作;

采用阻化剂防灭火容易对工作面的液压支架造成腐蚀，且易使井下空气再次受到污染，影响其他地点，特别是工作面堵水地点工作人员的人体健康。

注凝胶防灭火同样容易造成井下空气的再次污染，而且还必须充满全部空间，这样将影响下流水巷的水路疏通；

均压防灭火，必须有完整的区域风压，而用于疏水的下流水巷漏风，势必影响整体均压灭火；

二、技术方案的确定

尽管我们采取了一系列措施，通过调整工作面风量减小压差、堵塞漏风通道、对局部高温点实施隔离降温进行控制等，虽有效果，但情况较为反复，都不能从根本上解决问题。

通过向采空区注氮惰化采空区，局部高温点注MEA—灭火剂等综合措施遏止自然发火不仅能兼顾32051工作面的防治水工作，还能为人员进入工作面观察水情和支架保护情况创造了条件。

因此，采用通过向采空区注氮惰化采空区，局部高温点注MEA—灭火剂等综合措施来达到遏止自然发火的目的，是可行的、稳定的。

第三章技术方案的实施与效果考察

第一节防灭火技术原理

根据煤层自然发火的条件,总结出:

利用较为封闭的煤层及采空区的空间内注入惰性气体,使其把采面中与空气中的氧气相隔离,是煤层失去自燃的条件,从而达到预防、遏止煤层自然发火的目的。

第二节注氮系统

一、制氮系统工作原理

本装置（DM-600型膜分离制氮机）制氮系统为中空纤维膜分离制氮技术。

中空纤维膜分离气体的总过程是由溶解和扩散两步组成的。

即混合气体（空气）在中空纤维膜的高压侧表面，以不同的溶解度溶于膜内，然后在膜底侧压力差的推动下，混合气体的分子以不同的速度，向膜的低压侧扩散，渗透速率较快的气体如：

水、氧气等，透过膜后在膜透侧被富集，而渗透速率相对较慢的气体如：

氮气、氩气等则在滞留侧被富集，从而达到混合气体分离的目的。

高浓度（97%以上）的惰性气体（主要成分是Ｎ2）通过管道被压入已采取措施相对封闭的采空区，置换出采空区的空气，大量的惰性气体源源不断的压入，采空区被逐渐“惰化”，破碎的煤体在无氧状态下就丧失了自然发火的必要条件，进而达到防治自然发火的目的。

二、注氮系统有关参数

32051工作面注氮主管路采用无缝钢管,直径为100mm,管路长度360m.制氮机型号为DM-600型井下移动式膜分离制氮机。

系统参数：

氮气产量580m3/h，氮气出口压力≥0.9Mpa,氮气纯度为97.5%-98.5%。

1.DM-600型膜分离制氮机性能指标：

产气量：

600m3/h

氮气浓度：

≥97％O2≤3%

氮气进口压力：

≥0.8Mpa（可调）

空压机功率：

185Kw额定工作电压：

～660V

制氮机功率：

24Kw额定工作电压：

～660V

冷却水量：

25m3/h

2.注氮方式的选择：

注氮方式有两种：

即连续式和间歇式。

采用那一种方式，取决于氮气在采空区滞留的时间等，根据裴沟矿32051工作面实际现状，漏风所能渗透的范围较小，渗气性较差，氮气在采空区内滞留的时间相对较长，因此，我们在注氮时采用了间歇式。

3.注氮孔布置

工作面通过气体观测孔向采空区注氮，管路编接从上切口一趟4寸钢管上编接两趟高压管路，一趟变为Ф25mm高压管，每隔10米安一个三通接Ф13mm高压管与观测孔连接；另一趟高压管为Ф38mm直接与下尾巷十寸观测孔连接，向采空区注氮。

4.注氮口位置

A注氮释放口的位置既要保证在"氧化带"范围内，又要考虑氮气在采空区的扩散半径，要使氮气在采空区的有效扩散区域覆盖整个"氧化带"。

氮气扩散半径取10m。

注氮区域为整个"氧化带"。

则：

氮气释放口距采面的最小距离：

Lmin=L0+Ln

（1）

式中：

Lmin----注氮口距工作面的最小距离m

L0----采空区散热带的宽度m

Ln----氮气的扩散半径，m

氮气释放口距采面的最大距离：

Lmax=L1-Ln

（2）

式中：

Lmax----注氮口距工作面的最大距离，m

L1----采空区散热带与氧化带的宽度之和，m

根据我矿"三带"的划分，"散热带"取5m，"氧化带"取25m则：

Lmin=15mLmax=20

B采空区每次间歇注氮所需最小量和时间：

采空区间歇注氮时，每次注氮必须将采空区氧化带的氧含量降到7%以下时，才能起到防火作用，每次注氮的最少时间用公式（3）计算确定注氮量，原则是氮气充满整个需要惰化处理的区域，

因此，按下式计算注氮量：

Q=K1×W×L×H×L2（3）

K1----注氮系数，一般取3；

W----惰化带长度，取157m

L----惰化带宽度，取25

H----惰化带高度（采放高度）取平均值9.5m

L2----松散系数，取0.5。

将以上数据代入⑶式得出Q=55932m3,制氮机流量为600m3/h，所以第一次注氮时间不得少于94小时。

以后，每次注氮开停时间根据所监测采空区相关参数而定。

5.注氮系统管路布置

氮气从制氮机出口压出后，经32051上副巷→32051工作面→32051下尾巷10寸观测孔→32051采空区。

第三节技术方案的实施

采空区注氮惰化必须从风量风压调整、采空区封闭漏风通道处理、高温点的控制等方面进行管理，否则，将严重影响注氮效果。

一、调整工作面风量

在保证工作面瓦斯、温度、风速等符合《规程》规定的前提下，将工作面风量由1200m3/min，下调为350m3/min，降低了工作面上、下切口压差，减少了向采空区的漏风量,为采空区注氮惰化创造条件。

二、封闭隔离采空区

在32051下流水巷打板闭，上面喷涂快速密闭，杜绝经流水巷向采空区的漏风通道。

上、下尾巷及煤墙侧，用编织袋装煤接帮顶构筑挡风墙，再注入罗克休，堵塞漏风。

将水泥、黄土按1：

3的比例，对综采支架架间缝隙、放煤窗口、上下安全出口5米的巷道、煤墙侧装煤编织袋墙缝隙，进行抹糊,进一步减小漏风。

通过支架放煤口及架缝，向采空区及架顶打钻，孔深4-6米，角度45°或70°交替布置，下入1寸套管，通过1寸套管压注罗克休，对采空区及架顶的破碎煤体实施全面封闭隔离，使其处于“低氧状态”。

三、对高温点注射MEA煤矿灭火剂隔氧、降温

在上切口5米范围内打4个深孔，终孔位于支架后身5至10米煤层顶板,深度14至20米,深孔控制范围为82架至上尾巷。

在1.5m3的容器中，按1吨水配10KgMEA灭火剂比例，配好并搅拌均匀，利用KBY-70/80型液压注浆泵，通过上切口4个深孔向采空区压注MEA灭火剂，对采空区破碎煤体进行了大面积胶结、隔氧、降温。

通过以上技术处理，32051采空区处于一个相对低氧、稳定的封闭空间，满足注氮惰化的施工要求。

四、适时监测

根据现场实际条件：

80架向上每两架、80架向下每五架通过支架天窗孔口楔入4分钢管，平均深度4米，角度60°做观测孔，每班由救护队员分两组，每组两人对指定测点进行抽取气样、检测温度进行分析，发现异常及时采取措施对异常地点进行治理，消除隐患。

通过对采空区破碎煤体自燃隐患的检测监控，牢牢把握住了防灭火的主动权，而且针对防灭火起到了很好的指导作用。

32051综采面采空区注氮惰化前后