我矿23103工作面即将开始回采，工作面通风系统为材料巷进风，措施巷、皮带巷回风。因采用综放工艺回采，其采空区遗煤较多、范围广、空间大，加之所采13#煤自燃倾向性等级为Ⅱ类，工作面防灭火工作十分重要。参照煤炭科学研究总院沈阳研究院2010年5月编制的《斜沟煤矿主采煤层自然发火综合防治方案设计》及集团公司其他矿井防灭火经验，采用注氮防灭火措施的有效覆盖率较高、适应性较好，能有效的保证工作面回采期间防灭火安全。为了防止输氮管路和采空区泄漏氮气造成人员伤害、保证注氮防灭火效果，特编制如下专项设计。
一、工作面概况
1、采煤工作面位置：
工作面位于21采区北翼，南邻21采区三条上山，北部、东部、西部均为实煤区，上部为8#煤的18107、18109采空区，平均层间距为46.29m。
2、工作面有关参数
走向长度：2420.9m，煤层厚度为5.95-16.68m，平均13.8m。
平均采高：机采3.6m，放煤高度10.2m。
瓦斯等级：低瓦斯，容重：1.44t/m3。
煤层硬度：f=2～5，煤质牌号：气煤。
自燃倾向性：Ⅱ类自然，煤层倾角（度）：6.8°～10.7°，平均8.9°。
工作面倾斜长： 214.34m。
一、注氮防灭火方案
1、注氮防灭火措施的适应性和有效性分析
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。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。用氮气防灭火和阻止瓦斯爆炸的过程称为惰化，惰化后的火区因氧气不足而不能燃烧和爆炸。氮气的防灭火作用，即是使采空区等有关区域惰化。
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，可以增加采空区相对压力，致使新鲜空气难以漏入； 4）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。
基于上述氮气的性质及煤的氧化机理，向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。
因23103工作面采空区遗煤较多、范围广、空间大，所采13#煤自燃倾向性等级为Ⅱ类，采用预先铺设管路、连续注氮方式，同时应采取均压通风措施、堵漏措施、工作面及采空区氧气监测措施。
2、氮气来源选取的技术经济分析
目前，工业制取氮气均以空气作为原料气，这种原料气的供给是无限量的。煤矿井下移动式制氮机主要有变压吸附法和薄膜分离法。根据煤炭科学研究总院沈阳研究院2010年5月编制的《斜沟煤矿主采煤层自然发火综合防治方案设计》及集团公司其他矿井注氮防灭火系统使用情况，本设计采用DT型煤矿用移动式碳分子筛制氮装置（变压吸附法）。
3、供氮能力、输氮管路的计算与选取
（1）供氮能力计算
注氮量是最重要的注氮参数，直接决定着注氮效果。注氮量太小因达不到惰化采空区气体的目的而起不到防火的作用，注氮量太大造成经济上的浪费。注氮量主要取决于被注地点的几何体积、氧化空间大小、裂隙情况、漏风量大小以及气体组分等。由于煤矿条件千差万别，目前注氮量只能按待注地点的几何体积、工作面的产量、吨煤注氮量、瓦斯量、氧化带内的氧含量进行计算。
根据《煤矿用氮气防灭火技术规范》（MT/T701-1997）第7.1条的规定：制氮设备或装置的供氮能力应按矿井注氮工作面防火需要选取，供氮能力（1个工作面注氮量）可按下式计算：
式中：QN--供氮能力，m3/h；
K--备用系数，取1.2；
Q0--采空区氧化带内漏风量，m3/min；采空区氧化带的范围受工作面的通风状况、采空区的冒落等诸多因素的影响而在很大的范围内变化，因此采空区氧化带的漏风量的变化范围也较大，此范围内的漏风量一般按工作面风量的1/60～1/100选取；采取堵漏风措施后，采空区氧化带内的漏风量取为6m3/min；
C1--采空区氧化带内平均氧浓度，%；目前国内应用较普遍的是将采空区氧浓度在10～18%之间的区域视为氧化带，因为氧化带的范围不同而平均氧浓度值也不同，一般可选为15%；
C2--采空区惰化防火指标，其值为煤自燃临界氧浓度，%；煤的自燃临界氧浓度值随煤种、煤质、赋存条件等因素的不同而变化，其具体数值应根据实验室试验而取得，此值的范围一般为7%～10%。根据《煤矿安全规程》中的规定：采用氮气防火注入的氮气浓度不得低于97%，注入后采空区内氧气浓度不得大于7%，所以此值取7%；
N--注入氮气的氮气浓度，%；根据《煤矿安全规程》中的规定：采用氮气防火注入的氮气浓度不得低于97%，注入后采空区内氧气浓度不得大于7%。同时根据《煤矿用氮气防灭火技术规范》（MT/T701-1977）第7.2条的关于氮纯度的规定“向采空区注入氮气的纯度要视其能将采空区的氧浓度降低到煤自燃临界氧浓度而定。而向火区注入氮气浓度应不低于97%。”因此取97%；
根据以往国内外注氮灭火经验，防火注氮量一般为5m3/min左右；灭火注氮量，原则上最初的注氮强度要大，然后逐渐降低注氮强度。若采用开放式注氮方式，则灭火注氮量需求更大。因此选择制氮能力为1000m3/h DT-1000/6型煤矿用移动式碳分子筛制氮装置一套。
（2）输氮管路的选取
根据《煤矿用氮气防灭火技术规范》(MT／T701-1997)第7.4.1条和7.4.2条的规定：从井下供氮时，除应采用钢管外，在满足输氮压力的情况下，可选用耐压橡胶软管，但进入采空区或火区的管路必须采用钢管。输氮管路的直径应满足最大输氮流量和压力的要求。供氮压力可按下式进行计算：
式中：
P2--管路末端的绝对压力，MPa（此值不应低于0.2MPa）；
Qmax--最大输氮流量，m3／h；
D0--基准管径，150mm；
Di--实际输氮管径，mm；
Li--相同直径管路的长度，km；
λ0--基准管径的阻力损失系数，0.026；
λi--实际输氮管径的阻力损失系数，对于不同的钢管直径，则有如表1的关系：
在实践中，输氮管路一般均选择50～l00mm管径的钢管，因23103工作面最远注氮距离达2700m，制氮装置所能提供的压力P1按0.6Mpa计算，根据下式计算在此压力下的注氮主管的最长输氮距离为：
计算得最长输氮距离：管径为50mm时，L=0.180km；管径为70mm时，L=1.028km；管径为80mm时，L=2.068km；管径为100mm时，L=6.747km。所以选择管径100mm输氮管路完全能够满足工作面注氮防灭火的要求。采空区埋设管路选用Φ100mm的无缝钢管。转弯处、进风隅角埋管处管路连接采用耐压橡胶软管。采空区埋设输氮管路采用螺纹管接头连接，并需有独立的专用阀门。
（3）输氮管路的铺设要求
① 管路的铺设应尽量减少拐弯，要求平、直、稳，接头不漏气。每节钢管的支点不少于两点，不允许在管路上堆放他物。低洼处可设置放水阀。
② 输氮管路的分岔处应设置三通截止阀及压力表。
③ 输氮管路应进行防锈处理。
④ 定期对输氮管路进行试压检漏。
（4）注氮地点的安全通风量
根据《煤矿用氮气防灭火技术规范》(MT／T701-1997)第11.2条的规定，注氮地点及与其相连巷道的安全通风量按下式计算：
式中：
Q0--工作场所的安全风量，m3／min；
QN--最大氮气泄漏量，m3／min，取16.67 m3／min；
CN--泄露氮气中的氮气浓度，%，取97%；
C1--工作面或巷道中原始氧气浓度，取20.8%；
C2--工作场所的安全氧浓度指标，取18.5%；
在输氮管路沿途或工作面，假设所输送1000m3/h的氮气全部泄漏，能否造成泄漏区域缺氧。按工作场所安全氧浓度指标18.5%的要求，经计算，此时巷道的安全风量应为129.01m3/min(取150 m3/min)，通风人员应随时监测23103材料巷、皮带巷、措施巷风量，保证风量处于安全风量以上。
二、注氮防灭火工艺和方法
1、制氮设备
根据注氮能力和注氮压力的计算，选用DT-1000/6型煤矿用移动式碳分子筛制氮装置，有关性能指标参数如下：
（1）结构类型： 分体轮轨移动式
（2）氮气产量： 1000m3/h
（3）氮气纯度： ≥97%（可调）
（4）氮气输出压力： ≥0.6MPa（可调）
（5）电 压： 660V/1140V
（6）电控系统电压： 127V
（7）装机功率： 370kW
（8）外形尺寸： 3800×1700×2150mm×4（制氮装置）
3800×1380×2000mm×2（空压机）
（9）总 重 量： 12.05t
2、注氮系统与制氮设备的安装要求
移动制氮机安设地点位于23103材料巷外段的制氮机安设硐室中，管路从23103材料巷敷设至工作面端头埋入采空区。制氮装置列车从里往外依次为：MOGF32/8-185G型空压机2台（一用一备）、空气缓冲罐车1台、吸附塔车2台、储氮罐车1台。
制氮机安设硐室应满足以下要求：
（1）制氮装置中的电气设备，必须取得《防爆检验合格证》。
（2）制氮硐室设在进风巷道中，供风量取安全通风量150 m3/min和按AQ1056-2008计算得机电硐室配风量330 m3/min两者大值，取330m3/min。
（3）制氮装置必须有独立的供电电源和馈电开关，硐室应设专用电话。
（4）安装制氮装置的硐室平、直而且支护良好；巷道顶及两帮均用水泥砂浆喷涂加固，水泥砂浆厚度不小于2～3cm，底板用水泥砂浆抹平并留有专用水沟。
（5）制氮装置硐室内必须挂有完善的管理牌板。
（6）制氮装置硐室内必须按规定配齐消防材料。
3、注氮防灭火方式
（1）氮气释放口的位置
防灭火注氮地点选择在工作面进风侧，注氮释放管口应处于采空区氧化带内。参考煤炭科学研究总院沈阳研究院2010年5月编制的《斜沟煤矿主采煤层自然发火综合防治方案设计》，本设计把氮气释放口的位置暂定为距工作面50m（48m）。沿材料巷向采空区埋设一条注氮管路，随工作面推进50m后开始注氮，同时埋入第二条注氮支管，当推过第二条注氮支管50m后，同时停止第一条管路的注氮，再重新埋设注氮管路，以此类推。
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