迈步式全断面埋管注氮工艺在综放面采空区防灭火中的应用_杨伟.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0360引言采空区遗煤自燃火灾约占井下火灾总数的60%，严重威胁矿井开采面的安全生产，为防治采空区遗煤自燃，采取的技术措施可分为灌浆防灭火、均压防灭火、阻化剂防灭火、惰气防灭火等。氮气防灭火技术属于惰气防灭火技术中的一种，近年来该技术以可快速降氧惰化、容易制取、工艺简单、成本低廉、效果明显等优势，得到了迅速发展。迈步式全断面埋管注氮工艺在综放面采空区防灭火中的应用杨伟1，师吉林2，陈梦乔1，张立魁1（1.国家能源集团新疆能源有限责任公司,新疆 昌吉831215；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司,沈阳110016）摘要：氮气防灭火技术属于惰气防灭火技术中的一种，近年来该技术以可快速降氧惰化、容易制取、工艺简单、成本低廉、效果明显等优势，得到了迅速发展。迈步式全断面埋管注氮工艺在整个采空区漏风路径上多布置注氮口，大幅增加了采空区氮气释放口，提高了氮气利用效率和防灭火效果，基于实际观测的氮气扩散半径和采空区自燃三带的分布，优化改进了迈步式全断面埋管注氮工艺参数的计算方法，并进行了实际布置，现场观测结果表明，迈步式全断面埋管注氮工艺可提高30%的注氮防灭火效果，提高42%的氮气利用率。通过最小安全推进速度的分析，宽沟煤矿正常推进过程中，适宜采用常规迈步式埋管注氮工艺，当工作面推进速度低于1.15 m/d时，则改为迈步式全断面埋管注氮工艺。关键词：迈步式；埋管工艺；注氮；扩散半径；自燃三带中图分类号：TD752.2文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 154 04Application of Step Type Full Section Buried Pipe Nitrogen InjectionTechnology in Preventing and Extinguishing Fire in Goaf of FullyMechanized Top Coal Caving FaceYANG Wei1，SHI Jilin2，CHEN Mengqiao1，ZHANG Likui1(1.National Energy Group Xinjiang Energy Co.,Ltd.,Changji 831215,China;2.CCTEG Shenyang Research Institute Co.,Ltd.,Shenyang 110016,China)Abstract:Nitrogen fire prevention and extinguishing technology is a kind of inert gas fire preventionand extinguishing technology.In recent years,this technology has developed rapidly with the advantagesof rapid oxygen reduction and inerting,easy preparation,simple process,low cost and obvious effect.The step type full section buried pipe nitrogen injection process arranges more nitrogen injection portson the air leakage path of the whole goaf,greatly increases the nitrogen release port of the goaf,improves the nitrogen utilization efficiency and fire prevention and extinguishing effect,and optimizesand improves the calculation method of the step type full section buried pipe nitrogen injection processparameters based on the actually observed nitrogen diffusion radius and the distribution of threespontaneous combustion zones in the goaf,the field observation results show that the step type fullsection buried pipe nitrogen injection process can improve the nitrogen injection fire prevention andextinguishing effect by 30%and the nitrogen utilization rate by 42%.Through the analysis of theminimum safe advancing speed,it is suitable to adopt the conventional step type buried pipe nitrogeninjection process in the normal advancing process of Kuangou coal mine.When the advancing speed ofthe working face is lower than 1.15 m/d,it is changed to the step type full section buried pipe nitrogeninjection process.Key words:step type；buried pipe technology；nitrogen injection；diffusion radius；three zones ofspontaneous combustion154第42卷第02期Vol.42 No.02迈步式全断面埋管注氮工艺在综放面采空区防灭火中的应用杨伟，等注氮管路的布置主要根据采空区自燃三带的分布及氮气扩散半径来进行确定，通常采用的方法是在工作面的进风侧采空区埋设1条注氮管路，当注氮管埋入采空区一定长度后开始注氮，同时埋入第2条注氮管路，当第2条注氮管口埋入采空区氧化带与冷却带的交界部位时向采空区注氮，停止第1条管路的注氮，同时重新埋设新的注氮管路，如此循环交替，直至工作面回采完毕，但该工艺存在注氮空间位置不连续、氮气利用率低、管路无法回收等缺点。为克服这些缺点，托管注氮工艺得以提出及应用，朱红青,李峰等进一步完善了该项工艺；高科、刘星魁、刘华峰、余聪等学者进一步从注氮工艺参数上对氮气防灭火技术中的氮气流量计算方法、布置方案、效果考察等进行了研究，但仍存在采空区释放口少、氮气扩散面积小、利用率低等缺点；赵亚明、白刚等通过改进采空区注氮管路埋管方式，改进了迈步式埋管工艺，在整个采空区漏风路径上多布置注氮口，大幅增加了采空区氮气释放口，提高了氮气利用效率，但也存在给出的工艺参数计算复杂、埋管施工难度大的缺陷，且应用少，注氮效果存疑。本文根据注氮防灭火技术氮气扩散半径和采空区自燃三带的分布，改进了迈步式全断面埋管注氮工艺参数的计算方法，并进行了实际布置，现场观测了注氮的效果，分析了工艺的适用性。1迈步式全断面埋管注氮工艺采空区迈步式全断面埋管注氮工艺是指在工作面进风巷预铺注氮管路，在距离工作面约2个月推进度的位置设置4通，一端与铺设的注氮管路连接，另外3端与采空区埋设的全断面注氮管路连接。采空区迈步式全断面埋管注氮工艺是在工作面后部运输机沿采空区侧，埋设1趟与工作面等长的注氮管路，埋设的注氮管路上间隔一定距离车1组氮气释放花眼，待管路埋入采空区并进入氧化带后开始进行注氮，到达窒息带位置时停止注氮，管路布置如图1所示。图1迈步式全断面埋管注氮管路布置示意图1.主管路2.分流阀3.耐压软管4.注氮支管之后间隔距离RN按照上1根注氮管路埋设方法埋设第2根全断面注氮管路，根据氮气扩散半径和氧化带宽度，采空区需保持n根全断面注氮管路，以确保最优的防灭火效果和注入的氮气得到最大化利用，根据以上描述可确定迈步式全断面埋管注氮工艺参数。（1）采空区注氮管埋设排数采空区注氮管路的布设是为了使氧化带始终处于被氮气惰化覆盖的状态，从而有效抑制采空区遗煤自然发火，故注氮管路布设排数需考虑采空区氧化带的宽度和注氮管路排距等因素。采空区注氮管埋设排数nNLomaxRN+1（1）式中Lomax采空区氧化带最大宽度，m。（2）注氮管路排距采空区注氮埋管排距需要依据采空区氮气扩散半径而定，即2倍的氮气扩散半径，氮气扩散半径R0kln QN-C（2）式中k与工作面条件有关的常数；QN注氮流量，Nm3/h；C常数。则注氮管路排距RN2R0=2kln QN-2C（3）（3）注氮管路氮气释放花眼组数为确保采空区注入氮气的全覆盖，注氮管路上氮气释放口间距与注氮管路排距相等，均为2倍氮气扩散半径，则管路上需设置的氮气释放孔组数量nZLw2R0+1（4）式中Lw工作面倾向长度，m。（4）氮气释放孔组单元孔半径的确定由于全断面注氮管路直接铺设在工作面煤层底板上，为保证氮气可以释放出去，则氮气管路每组氮气释放孔组包含4个单元孔，各单元孔呈90角均匀分布在管壁周身，如图2所示。图2单元孔分布图单元孔半径的确定需考虑氮气从注氮管路释放出来的流速基本与注氮主管路内的氮气流速相等，这样可减小管路阻力，故注氮管路上氮气释放孔半径RzDN41nNnz（5）式中DN注氮支路管径，mm。2迈步式全断面埋管注氮工艺应用（1）应用工作面概况1234工作面单元孔155第42卷第02期迈步式全断面埋管注氮工艺在综放面采空区防灭火中的应用杨伟，等Vol.42 No.02新疆宽沟煤矿为高瓦斯矿井，目前主采的B2煤层为类容易自燃煤层，最短自然发火期52 d，煤尘具备爆炸性。I010202面为矿井第2个B2煤层开采面。I010202工作面采用走向长臂后退式综合机械化放顶煤开采工艺，全部垮落法管理顶板，机采高度3.2 m，放煤高度6.3 m，工作面倾向长度约200 m，推进速度约1.2 m/d，工作面实行U型全风压通风方式，配风量1 480 m3/min。宽沟煤矿建有地面固定式氮气防灭火系统，地面设置有制氮机房，配备2套同等功率的ZH-1200-97型移动式制氮设备，单台制氮能力1 200 Nm3/h。氮气管路通过主管路自制氮机房至主斜井+1 255 m水平运输石门采用108 mm PE管，长度1 200 m。支管路自+1 255 m运输石门采用89 mm的镀锌管敷设至各防灭火注氮地点。矿井B2煤层首采面采用常规迈步式埋管注氮工艺，注氮流量700 m3/h左右。（2）应用情况及效果在改用迈步式全断面埋管注氮工艺前，先按照常规迈步式埋管注氮工艺进行注氮，通过在采空区进回风侧采用埋管法，如图3所示。图3采空区埋管法考察注氮效果图观测了连续注氮和不注氮条件下采空区自燃三带的分布，以考察注氮效果，为分析氮气扩散半径，在观测期间调整了注氮流量，观测结果如表1所示。表1常规迈步式埋管注氮工艺下不同注氮流量采空区自燃三带观测结果注：自燃三带采用氧气浓度法划分散热带：O2浓度18%；氧化带18%O2浓度7%；窒息带O2浓度7%根据表1和式（2）可知，随着注氮流量的增加，宽沟煤矿采空区内氧化带的分布范围逐步缩小，但当氮气流量超过700 m3/h后，随氮气流量增加，氧化带宽度虽有缩小，但缩小幅度越来越小，说明超过一定氮气流量后，氮气的利用率及效果大幅下降。为改善这一问题，矿井采用了迈步式全断面埋管注氮工艺。根据表1数据，可得到宽沟煤矿采空区氮气扩散半径式（2）中的k=6.47，C=29.84，不注氮条件下的氧化带最大宽度76.7 m，矿井所用注氮管路为直径89 mm的镀锌管，取正常注氮流量700 m3/h左右，代入式（3）、式（1）、式（4）、式（5）可分别计算出，氮气扩散半径为12.6 m，则RN=25 m（取整），nN=3，nZ=9个，氮气单元孔直径为8.6 mm。根据以上参数，在I010202工作面采空区进行了迈步式全断面埋管注氮工艺布置，共布置3趟全断面埋管，管路埋入采空区25 m后开始注氮，埋入采空区70 m后停止注氮。采用迈步式全断面埋管注氮工艺后，在工作面采空区继续采用埋管法进行了观测，观测结果如表2所示。表2迈步式全断面埋管注氮工艺条件下采空区自燃三带观测结果对比表1和表2可以看出：采用迈步式全断面埋管注氮工艺较常规迈步式埋管注氮工艺，注氮效果有明显提高，主要表现在采空区进风侧，氧化带宽度减少了14.7 m，幅度达到30%，对采空区氧化带的压缩效果基本达到了常规迈步式注氮工艺1 200 m3/h时的注氮效果，氮气利用效率提高了42%，优势非常明显。根据采空区自燃三带观测结果，工作面最小安全推进速度vmin=KLmaxmin（6）式中min煤层的最短自然发火期，d；Lmax氧化带的最大宽度，m；K安全系数，可取K1.2。根据式（6）可计算出，常规迈步式埋管注氮和迈步式全断面埋管注氮，700 m3/h注氮流量时的最小安全推进速度分别为1.15 m/d和0.81 m/d，考虑氧化带30%的压缩幅度，当氮气流量达到1 200 m3/h时，迈步式全断面埋管注氮工艺的最小安全推进速度可降低至0.66 m/d。但迈步式全断面埋管注氮工采空区区域进风侧回风侧进风侧回风侧进风侧回风侧进风侧回风侧进风侧回风侧注氮工艺不注氮常规迈步式埋管注氮流量/m3h-1-4007009001 200注氮工艺参数散热带024.6017.4015.9013.1015.109.8011.503.208.402.1氧化带24.6101.317.470.115.971.113.159.815.164.99.841.911.555.13.231.58.449.42.129.3窒息带101.370.171.159.864.941.955.131.549.429.3氧化带宽度/m76.752.756.246.749.831.743.428.34128.2备注注氮口进入采空区25 m开始注氮自燃危险区域划分/m注氮流量/m3h-1700进风侧回风侧散热带010.206.3氧化带10.245.36.336.5窒息带45.336.5氧化带宽度/m35.130.2自燃危险区域划分/m采空区位置运输顺槽工作面束管采空区保护钢管回风顺槽5#1#2#3#4#6#156艺因需要在后部刮板输送机铺设与工作面基本等长的注氮管路，铺设过程非常费时费力，操作复杂，而工作面正常推进条件下，推进速度在1.2 m/d左右，可基本满足工作面防灭火的需要，因此，在工作面正常推进过程中，适宜采用常规迈步式埋管注氮工艺，但当工作面推进速度降低至1.15 m/d下时，则改为迈步式全断面埋管注氮工艺。3结语（1）根据采空区自燃三带分布及氮气扩散半径，明确了迈步式全断面埋管注氮工艺参数的计算方法。（2）进行了迈步式全断面埋管注氮工艺的现场实践，并与常规迈步式埋管注氮工艺进行了对比，在同样的氮气流量条件下，迈步式全断面埋管注氮工艺700 m3/h时的氧化带压缩效果接近常规迈步式埋管注氮工艺1 200 m3/h时的效果，防灭火效果提升30%，氮气利用效率提高了42%。（3）通过最小安全推进速度的分析，宽沟煤矿正常推进过程中，适宜采用常规迈步式埋管注氮工艺，但当工作面推进速度低于1.15 m/d时，则改为迈步式全断面埋管注氮工艺。参考文献：1王德明.煤矿热动力灾害及特性J.煤炭学报,2018,43(1):137-142.2邓军,李贝,王凯,等.我国煤火灾害防治技术研究现状及展望J.煤炭科学技术,2016,4(10):1-7,101.3卢国斌,耿铭.采空区煤自燃机理及其防治技术研究现状J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2009,28(S2):28-304张辛亥,万旭,许延辉,等.厚煤层分层开采采空区自燃“三带”规律及防治研究J.煤炭科学技术,2016,44(10):24-285黄文清.注氮防火工艺在综放工作面的应用J.煤炭技术,2009,28(2):102-1036杨志功,穆守丽.综采放顶煤工作面采空区注氮防灭火工艺的实践J.煤矿安全，2008(5):30-347于雅文,王江,朱大志,等.拖管注氮工艺在大兴煤矿的成功应用J.煤矿安全,2010,41(6):36-38.8朱红青,李峰,张振羽,等.非间隔式注氮防灭火装置动力参数J.煤炭学报，2012，37(7):1184-1189.9朱红青,李峰,潘凤龙,等.非间隔式注氮防灭火工艺管路压力载荷研究J.煤炭学报，2012，37(S2):351-356.10朱红青,李峰,张悦,等.非间隔式注氮防灭火工艺的设计与惰化效果分析J.煤矿安全，2013，44(2):175-178.11高科,刘剑,刘玉姣.急倾斜综放面采空区注氮方案研究及数值模拟J.安全与环境学报，2014，14(5):49-5312刘星魁,王公忠,周爱桃.采空区注氮参数设计及三维流场分析J.太原理工大学学报,2015,46(3):312-317.13刘华锋.注氮计算方法优化及注氮效果分析J.煤炭技术,2016,35(10):202-20314余聪,唐明云,张睿卿,等.刘庄矿综采工作面动态注氮参数的优化J.矿业安全与环保,2018,45(4):32-3615赵亚明.U型通风工作面全断面帷幕注氮防灭火技术研究D.北京：煤炭科学研究总院,2017.16 白刚,姜延航,周西华,等.采空区自燃隔离墙与氮气联合防火技术J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2021,40(3):206-213.17曹志刚,师吉林,张海洋,等.采空区注氮流量对氮气扩散半径的影响研究J.矿业安全与环保,2019,46(5):12-15作者简介：杨伟（1988-），安徽淮北人，工程师，主要从事“一通三防”管理和冲击地压防治相关工作，电子信箱：；通信作者：师吉林，电子信箱：.责任编辑：李富文收稿日期：20220312第42卷第02期Vol.42 No.02迈步式全断面埋管注氮工艺在综放面采空区防灭火中的应用杨伟，等157