氮气灭火.doc

十一矿氮气防灭火设计

平 煤 集 团 十 一 矿
二○○一年十一月十三日

1 前言
为了使平顶山矿务局11矿的氮气防灭火技术安全可靠,投资省和防灭火成本低,特进行本设计。本设行的依据为:
a.煤层自然发火期:1～2月;
b.每年自然发火征兆次数:3～4次;
c.工作面产量:2875t/d;
d.工作面长度:125m ;
e.工作面数量;1;
f.工作面回采高度:5.5 m;
g.工作面推进度:3.6m/d;
h.工作面距井筒距离:900～1900m .
本设计的要点为:
a. 矿井氮气防灭火工艺系统为井下移动式;
b. 矿井制氮机为膜分离制氮机,其产量为400m3/h;
c. 矿井工作面采用间歇注氮防火,注氮方法为拖管注氮。
d. 矿井工作面输氮管路和埋管的管径均为87 mm。
2 氮气防火的原理及特点
空气中的氮气体积含量为78.1％，氮气比空气略轻，在标准状态下，１立方米氮气的质量为1～25kg。氮气在常温、常压下是无色、无味、无毒的不可燃气体，对振动、热、电火花等都是稳定的，无腐蚀作用，也不轻易与金属化合。氮气防灭火的原理见下框图：

迅速充满采空区

降低采空区氧含量

采空区O2<12%瓦斯爆炸

采空区O2<10%抑
制采空区浮煤氧化自燃

采空区O2<12%扑灭采空
区煤层自燃

氮气防灭火的特点为：
a.氮气比空气略轻，可以充满封闭范围内的所有空间，特别有利于综放面采空区上部和巷道冒顶区的防灭火。
b.通过管道输送，不需用水，输送方便。
c. 灭火过程中不损坏井巷设备，使灾后恢复工作简单。
d.氮气本身无毒，使用安全。
e.使用方便，投入防灭火速度快，采空区有发火征兆，此时，只需开启阀门，便可迅速向采空区注入氮气。
f.灭火速度快，能迅速降低封闭区的氧气含量使火区窒熄。
g.目标注氮时，能迅速降低巷道冒顶区的CO含量，保证灭火人员的安全。
h.提高火区内气体压力，减少火区漏风。
i.封闭注氮时对火源的降温效果较差，因此氮气灭火后或者将火源点甩入采空区窒熄带，或者进入封闭区内（巷道火灾）直接降温。
3 选择合理的氮气防灭火系统
目前，国内外的氮气防灭火系统种类较多，如果选择不当，不仅防灭火效果差，而且系统故障多，成本高，为此，按防灭火有效，经济合理的原则选择平顶山11矿氮气防灭火系统。目前,国内煤矿已使用的氮气防灭火系统如下框图所示:

首先按制氮原理选择平顶山矿务局11矿制氮系统。深冷式制氮系统由于所占厂房面积大,操作人员多,起动时间长,因此目前选这种系统防灭火的煤矿不多;膜分离制氮系统与碳分子筛变压吸附制氮系统相比,具有起动时间短（约10min），操作人员少（约6～10人），氮气压力高,厂房面积小和体积小等优点，故选膜分离制氮系统为平顶山矿务局11矿制氮系统。按防灭火形式选：由于移动式和固定式制氮系统的制造成本基本相同,而移动式比固定式服务的矿井多,一旦矿务局其它矿急需灭火,还可支援其它矿灭火,故选为井下移动式。综上所述，11矿制氮系统选为膜分离井下移动式制氮系统。
4. 建立氮气防灭火系统
平顶山矿务局11矿氮气防灭火系统由制氮机、输氮管路和采空区埋管组成。
4.1制氮机
制氮机的型号为-400型，由北京长安自动化集团制造，其主要技术指标为：
氮气产量（Nm³/h） 400
氮气纯度（％） ≥97
出口压力（Mpa） 0.9
起动时间（min） 10
装机容量（kw） 185
制氮机由气源部份，气源净化部份，制氮部份和氮气缓冲部份组成。
(１)压缩空气源
空气经压缩机将压力提高的10.0Mpa。
(２)气源净化处理
压缩空气经干燥除水，过滤器除尘和油水分离器除油后，得到洁净的空气。
(３)膜分离系统
洁净的压缩空气进入膜组件时，氧气被吸附，氮气流到出口端，连续输出氮气，整个过程由微电脑控制。
(4) 氮气缓冲部份
膜组件出来的氮气流入平衡罐,压力稳定后再流入输氮管路。
4.2 制氮站及输氮管路
方案一
制氮站设在工作面附近进风巷道或洞室,其体积大于:长12m,宽1.8m,高1.7m，制氮机房内设置井下移动式膜分离制氮机一台，制氮站应满足制氮机185Kw用电和压缩机冷却用水的要求。
输氮管路的敷设路线为：井下制氮站→工作面进风顺槽（Φ89mm）→采空区埋管（Φ89mm×10mm厚壁地质管）。
方案二
由于工作面离井口近(仅2000m ),制氮机出口压力高达0.9Mpa,因此可将制氮站设在地面井口或风井口附近,当需要注氮时,制氮机出来的氮气通过灌浆管路输送到顺槽输氮管路再通过采空区埋管注入采空区,如果工作面采用埋管注浆,则制氮机与注浆管路相连,即可将氮气注入采空区。
两种方案比较:将制氮站设在井下,有专用的输氮管路,注氮时不影响注浆,但井下空气湿度大,对制氮机的维护要求高;地面制氮站输氮管路与注浆管路合用一趟,注氮时不能注浆,但地面空气较好,更适合制氮机制氮,且操作和维修均比地面方便;从防灭火工艺考虑,注浆时间短,注完浆后可以立即恢复注氮,因此本设计倾向将制氮站设在地面的方案。
输氮管路的管径由下式计算:
D=145.7(Qmax/v)=145.7(6.6/15)=64mm
式中: Qmax---最大注氮流量,m3/h;
D---注氮管路最小直径,mm;
v---管道内氮气允许流速,为15m/s
根据计算,选取管径为89mm,壁厚为4 mm的无缝钢管为11矿氮气防灭火输氮管路。
5 氮气防灭火参数
5.1 氮气纯度及惰化指标
(１)氮气防火纯度：根据《煤矿安全规程》，采空区防火注氮的氮气纯度定为≥97％。
(2)氮气灭火纯度：根据重庆煤科院实验室考察，火区明火在氧气含量为3％时能阴燃，故注入火区中的氮气纯度应高，根据制氮机不能制取高纯度氮气的特点，将灭火氮气纯度定为≥98.5％。
(３)采空区氧化带防火惰化指标：由于工作面风量较大,采空区氧化带较宽,根据重庆煤科院实验室煤样氧化试验,在氧浓度≤10％时,能抑制煤样氧化,因此将采空区氧化带惰化指标定为氧浓度≤10％。
(４)火区惰化指标：进风密闭内氧气浓度≤３％（停氮时），回风密闭内氧气浓度≤２％。
5.2.4.2氮气防灭火注氮流量
采空区防灭火注氮流量必须在试验工作面防灭火注氮实践中考察，但在考察之前的注氮防火中和在确定制氮机的制氮能力时，都必须有依据，为此必须先计算注氮防火所需的理论流量。
a.按采空区氧化带氧含量计算
QN=60Q0（c1-c2）/（cN+c2-100） ---------(1)
式中：
Q0－－采空区氧化带内漏风量，根据经验，按工作面风量的1/100取，取为10m³／min；
c1－－采空区内氧化带平均氧含量，取为15％；
c2－－采空区氧化带防火惰化指标，取为10％；
cN－－注氮防火时氮气纯度，取为98％；
将以上数据代入（1）式得出：
QN=60×10×(15-10)/(98+10-100)=375 m³/h
b.按采出空间计算
按采出空间计算的实质就是向采空区注入一定流量的氮气,惰化每天采煤所形成的空间体积,使其氧气浓度降到惰化指标所需的注氮流量,可按下式计算:
Q=A/24rtk1k2×(c1/c2-1) ---------(2)
式中:Q—注氮流量 m3/h;
A— 年产量,取为900000t;
t—年工作日,取为300d;
r—煤的容重,为1.32t;
k1 --管路输氮效率,取为0.9;
k2 --注氮效率,取为0.8;
c1 --采空区氧化带平均氧含量,取为15%;
c2 --采空区氧化带防火惰化指标,为10%
将以上数字代入(2)式,计算得:
Q=900000/1.32×300×0.9×0.5×24×(0.15/0.1-1)=420m3/h

(２)灭火注氮流量
封闭注氮扑灭采空区火灾时的注氮量按公式（3）计算：
QN= nQ0c1/c2-Q0 -------------------(3)
式中：QN－－灭火注氮量；
Q0－－火区体积；
n---回采率,取为0.85;
c1－－火区原始氧含量，根据实际经验，取为6％；
c2－－灭火注氮的氧气含量惰化指标，取为3％，火区体积Q0按下式计算：
Q0＝（a＋b＋c）sh （3）
式中：a－回采工作面宽度，７m；
b－采空区冷却带宽度，取为20m；
c－采空区氧化带宽度，取为60m；
s－回采工作面长度，125m；
h－回采高度，5.5m；
将以上数据代入（２）、（３）式得出：
Q0＝0.85(7＋20＋60)×125×5.5＝50840 m³
QN＝50840×0.06/0.03-50840=50840 m³
灭火时间取为5d（120h），则灭火注氮流量为423 m³／h。
综合几种公式计算结果,选取11矿防灭火注氮流量为400m³/h。
6 氮气防灭火方法
6.1 氮气灭火方法
矿井火灾的发生是一个复杂的过程，火灾发生的原因不同，地点不同，发火严重程度不同，注氮灭火的方法亦不同。平顶山矿务局11矿各类型的火灾可采取下列注氮灭火方法。
巷道冒顶区发生高顶火灾时，采取向冒顶区插管或打钻孔目标注氮灭火；当火势较大，灭火人员不能进入巷道目标注氮灭火时，则封闭巷道注氮气灭火；当采空区发生火灾时，可临时封闭工作面注氮气灭火。
6.1.1 巷道目标注氮灭火技术
目标注氮灭火工艺为：巷道发生煤层自燃，不封闭巷道，直接向火源打钻注氮，氮气释放口离火源目标的距离不超过5m，钻孔打在火源的进风侧，孔距为2m，注氮流量为400m3/h,在火源的回风侧可打1～2个钻孔作为取样孔，通过取样孔监测火源的气体和温度值。目标注氮的时间一般为2～4d,在注氮时必须连续注氮，在目标注氮时，工作面照常生产。
　 目标注氮的优点为：巷道冒顶区自燃时,如果火源及高温煤体面积较大,位置较高, 火源较隐敝,会给灭火带来很大的难度,因为注凝胶需打钻孔, 钻孔在短时间内很难全部到位控制整个火区,而此时如果插管注氮,即使氮气释放口离火源有一段距离,由于氮气比空气略轻,会迅速向上扩散到整个冒顶区,抑制火势的发展，迅速降低火源的温度和CO气体含量，虽然目标注氮不能彻底扑灭火源，但目标注氮能抑制火势的发展，为打钻注凝胶营造宽松的时间。
6.1.2 巷道封闭注氮灭火技术
巷道内突然发生大火，不能用常规方法扑灭时，为防止火势扩大，应立刻封闭巷道注氮气灭火。灭火时先将通往火灾地点的支巷口封闭，待输氮管路接通后再封闭主要进、回风口。在发生火灾时，应尽早封闭火区，以保持封闭范围最小，为了抑制火势的发展，可先用板闭临时封闭火区注氮，迅速降低火区内氧气含量和扑灭明火，并同时在板闭外构筑砖闭，在砖闭上应分别设置注氮管（位于砖闭下部）、取气管（位于砖闭上部）和水柱计管（位于砖闭上部）。
火区经过连续注氮，当火区一氧化碳气体含量降为0，进风密闭内氧气含量降到3%以下，回风密闭内氧气含量降到2%以下时，可由救护队员在锁风状态下进入火区侦察，如果火源还有余温，则应立即用水浇灭高温煤炭，因为用氮气降温是不经济的。火区启封后应加强对火源的观察，如有复燃征兆应采取注浆或注凝胶的灭火措施。
6.1.3采空区封闭注氮灭火技术
采空区发生火灾时，为了防止火势扩大，可临时封闭工作面注氮灭火。注氮地点一般选在进风密闭，氮气随漏风流动，易迅速充满采空区，当火源位于采空区回风侧时，也可将注氮地点选在回风密闭。临时密闭用木板构筑，板闭应用黄泥沫面，尽量少漏风。灭火初期注氮流量应尽量大，以400 m3/m的流量迅速压低火势，窒熄明火，根据计算,此流量注氮5d后，可将采空区火区氧含量降低到5%，然后以250～400m3/h流量的氮气维持注氮。当火区CO含量降为0，回风密闭O2含量降到2%以下，温度为常温时，可停氮观察2d，如无变化，则可打开密闭恢复生产，加快推进度，边生产、边注氮，将火源点甩入窒熄带。在灭火的过程中，应通过进、回风密闭的观察管加强对火区气体、温度的监测。
6 .2 氮气防火方法
（1） 防火注氮时机
国内外的防火注氮分为连续注氮和间歇注氮。连续注氮的方法为：从工作面开始回采就注氮，一直注到工作面撤架完毕停氮，这种方式适合于工作面采空区发火特别严重（如火区下采煤），而且工作面推进度又慢的工作面，如龙凤矿、杜儿坪矿。间歇注氮的方法为：在工作面发火征兆时开始注氮，一般用于推进度较快的工作面。虽然连续注氮的可靠性最高，但由于每注1d的氮气，就需花费2千多元的电费，故采用这种方式的矿井不多，11矿工作面推进度较快，故选取用间歇注氮方式防火。
间歇注氮防火成败的关键是要制定合理的防火注氮时机，并严格按此注氮时机注氮。根据11矿的煤层自然发火特点，制定以下防火注氮时机：
a.当工作面上隅角出现一氧化碳，其含量向上递增，达到60ppm时，必须立即注氮防火；当其含量波动和变化，只要达到80ppm时，也必须立即注氮防火。
b.当工作面在回采过程未达到合理防火推进度时，必须及时注氮，一直注到工作面推进度大于或等于防火合理推进度时停氮。
c.工作面测温地点的温度出现下列情况时必须立即注氮防火：（1）测温地点的温度高于进风流温度10℃；（2）放煤温度高于35℃。
d.撤架时，只要进入采空区氧化带与窒熄带交界处的煤炭达到发火期，无论工作面是否有发火征兆，均应及时注氮防火。
e.巷道高温煤炭放入到采空区时，必须立即注氮，一直注到将高温煤炭甩入窒熄带。
间歇注氮时，每次注氮必须将采空区氧化带的氧含量降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。
（3）
式中：QN—惰化采空区氧化带的注氮量；
V0—采空区氧化带体积；
C1—采空区氧化带平均氧气含量，取为15%；
C2—采空区氧化带防火惰化指标，为7%；
V0=氧化带宽度×工作面长度×采高
=60×125×5.5=41250m3
将以上数据代入（3）式，得出：
41250(0.15/0.1)-41250=20625
如果制氮机提供的注氮流量为400m3/h，则每次惰化采空区氧化带至少需注氮51h，如果采取每天注1～2班的氮气，当停氮时采空区会泄氮漏气，永远达不到惰化采空区氧化带的目的，故每次注氮都必须连续注氮51h以上。
　② 防火注氮方式
当工作面采空区出现浮煤自然发火征兆时，采用边回采，边注氮的开放式注氮防灭火。目前国内外采空区开放式注氮有3种方式：采空区埋管注氮；采空区钻孔注氮；采空区拖管注氮。采空区埋管注氮的方法为：在工作面进风顺槽埋设Φ50mm无缝钢管两趟，随着工作面的推进，钢管被埋入采空区进风侧，两趟管路交替注氮，每隔30～50m卡断一趟管路，让采空区氧化带永远有一趟管路埋入。这种方式适合采用连续注氮方式防火的工作面，由于对钢管的浪费较大，11矿不宜选用这种注氮方式。采空区钻孔注氮的方法为：平行于工作面进风顺槽掘一条消火道，在消火道里每隔25m向采空区进风侧打钻孔注氮，这种注氮方式适合于有消火道的工作面，或国外前进式开采的工作面，由于掘消火道工程大，故11矿也不宜选用这种注氮方式。采空区拖管注氮一方面不浪费管材，另一方面可保证始终有注氮管埋设在采空区，一旦采空区有发火征兆，可随时注氮，故11矿选拖管注氮为采空区开放式注氮方法。
11矿工作面拖管注氮方法为：将直径为Φ89mm，壁厚为10mm，长度为27m的厚壁地质无缝钢管埋设在采空区进风侧，钢管的出口端1m的长度钻上无数小孔，便于在钢管出口被堵塞时注氮，厚壁地质管的进口端捍上2个拉钩，用Φ18mm的钢丝绳穿过此2个拉钩,再将钢丝绳连接到转载机上。厚壁地质管每根长2.05m,共12根,专用管接头每个长0.53m,减去两边的丝扣,还长0.43m,采空区内埋设的地质钢管共7根,长度约为15m，采空区外露出的地质钢管共5根,长度约为12m, 埋管随转载机的移动而移动，始终埋在采空区内15m,保证开放式注氮防火的需要。埋管时管路不能平放在巷邦,管路至转载机的钢丝绳连接处应保持一定的斜度,否则第一次拖管时不易将埋管拖出。当埋管进入采空区内约15m时将钢丝绳与转载机相连,直至工作面采完。当采空区达到矿井制定的注氮时机时,用长12m,直径为 Φ100mm的耐压橡胶软管与埋管相连,开动制氮机向采空区注氮防火。
7 注氮安全措施
7.1 注氮地点的安全通风量
在输氮管路的沿途或工作面,假设400m3/h的氮气全部漏入到巷道或工作面,是否使漏氮气的区域造成缺氧,其安全通风量究竟需要多大,可由下式计算:
Q=QN(CN+C2-100)/(C1-C2) -----------------------(4)
式中: Q----安全通风量,m3/h;
QN ----氮气最大泄漏量,为6.6m3/h;
C2---允许安全氧含量,为18.5%;
CN ---漏氮中氮气含量,为97%;
C1-----空气中氧含量,20.8%;
将以上数字代入(4)式,计算得:
Q=6.6(97+18.5-100)/20.8-18.5=44m3/h
根据以上计算,工作面或巷道风量只要大于44m3/h便是安全的,同理可以计算出400 m3/h的氮气全部泄漏到通风量为1000m3/min的工作面或巷道中,则氧含量只降低0.1百分点,故也是安全的。但是,绝不允许任何人正对注氮口近距离观察,这将是十分危险的,因为漏氮将在极小的范围内造成缺氧。总之,氮气防灭火对于11矿毕竟是一项新技术,决不能放松警惕,在注氮工作中仍会出现一些想不到的情况,因此必须严格执行11矿注氮防灭火安全规定。
7.2 输氮管路的安全措施
(1) 输氮管路必须做到平直稳,按要求设置三通阀门,每节钢管的支点必须不少于两点,每节软管的吊挂不少于3点,严禁在管路上堆放或吊挂它物。
(2) 加强管路接头管理,软管与钢管,软管与软管的连接,必须有槽,插入深度不小于200mm,并用8号铁丝扎三道,防止管口脱落。
(3) 工作面进回风顺槽的注氮管,必须设专用阀门控制。为防止管路阀门被随意开和关,应在阀门上挂注氮危险,勿动文字警告。
(4) 注氮管路应用油漆刷成黄色。
6.3 注氮程序
(1) 送氮
当井下有自然发火征兆,达到矿井制定的注氮防灭火时机时,由矿通风副总或矿总工程师通知通风区注氮防灭火,通风区对井下管路经检查无误后,通知制氮站送氮。
(2)停氮
根据火区或采空区注氮防灭火情况,由矿总工程师或矿通风副总通知通风区停氮,通风区再通知制氮站停氮,并派专人关闭井下注氮阀门。
7.3 封闭注氮安全措施
封闭注氮时,密闭将泄漏少量氮气,氮气长时间积累,将造成密闭前严重缺氧,因此密闭前必须安上局扇通风,为了防止向火区漏风,局扇的风量应小,只要密闭前氧含量大于18%就行。
8 建议
由于11矿工作面风量大,产量大,为了提高氮气防灭火的效果,建议开展氮气添加剂防灭火技术的开发。
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