23103综放工作面注氮防灭火专项设计
〔2019〕通设号
编制单位：****煤矿通风科
编制时间：2019年10月25日
23103综放工作面注氮防灭火专项设计审批：
矿总工程师：
生产副总：
地测副总：
矿调度：
安监处：
生产技术科：
通风科：
机电供应科：
综采队：
编制：
23103综放工作面注氮防灭火专项设计
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《****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《****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：
Q N =60KQ
1
2
2
1
-
+
-
C
C
C
C
N
式中：Q
N
——供氮能力，m3/h；
K——备用系数，取1.2；
Q
——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6m 3/min ；
C 1——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%；
C 2——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%；
C 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%；
可计算得供氮能力：8641
-0.070.970.070.1561.260=+-⨯
⨯⨯=Q N
(m 3
/h)
根据以往国内外注氮灭火经验，防火注氮量一般为5m 3/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1000m 3/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：
⎥⎥
⎦
⎤⎢⎢⎣
⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⎪⎭⎫
⎝⎛∑=P L D D Q P i i i 2
2005
max 2
10000056.02
1
1
λλ 式中：
P 2——管路末端的绝对压力，MPa （此值不应低于0.2MPa ）；
Q max ——最大输氮流量，m 3／h ； D 0——基准管径，150mm ； D i ——实际输氮管径，mm ；
