工作面采空区注氮防火的研究.ppt

工作面采空区注氮防火试验研究,太原理工大学矿业工程学院安全工程系,邢玉忠教授,内容纲要,一、绪论二、试验条件三、氮气防灭火系统四、注氮防（灭）火检测系统五、防漏工艺六、氮气防火试验七、氮气防火运行成本估算八、结论,一、绪论,1、本文的研究目的及意义2、国内外氮气防灭火研究状况3、论文的研究方法和主要内容,1、本文的研究目的及意义,矿井火灾是直接威胁矿井安全生产的主要灾害之一，本论文主要探讨了注氮防灭火技术的应用，研究了如何提高制氮装备的稳定性和可靠性，进一步完善采空区氮气浓度自动监控与制氮装置联动系统，并完成信号自动分析与传输，优化注氮工艺，使氮气防灭火系统更加完善。,2、国内外氮气防灭火研究状况,我国防灭火设备和技术的发展状况50年代起在煤矿推广黄泥灌浆防火技术60年代至70年代研究出了阻化剂防火、均压通风高倍数泡沫灭火等技术80年代至90年代则研究了矿井自然发火预测系统、惰气防灭火、快速高效堵漏风、带式输送机火灾防治等技术，并逐步形成适应普通采煤法和高产高效采煤法的综合防灭火技术我国火灾基础理论研究起步晚，防灭火关键设备和技术有待完善和配套，面临一批亟待解决的技术问题,氮气防灭火技术概述,注氮防灭火技术已被列入煤矿安全规程有关条文。注氮从理论上分析是降低了采空区的氧浓度，缩小氧化带范围，使采空区浮煤的氧化速度降低，煤氧化产生热量减少，自然发火期延长，从而达到预防和治理采空区自然发火的目的，并且采空区注氮除了能惰化采空区气体外，还能降低采空区瓦斯爆炸的危险性和可能性。,3、论文的研究方法,在前人对注氮防灭火工艺研究的基础上，运用流体力学、空气动力学和数值模拟方法及相关理论，系统的开展采场氮气运移规律与煤层最短自然发火期的预测研究，进行注氮防火技术研究。,论文的主要内容,本文采用理论分析、现场测试相结合的方法，以井下实测数据为基础，通过对采场风流流动过程的理论分析，研究采场氮气运移规律；用现场测试结果验证理论分析和数值模拟的正确性；同时根据采空区“三带”的范围，确定出保障工作面安全的最小推进速度；选择注氮方案，优化注氮工艺。,二、试验条件,制氮机组：制氮机组下井后，根据机组在地面中检验收的意见，新装了消音器；同时为避免空压机冷却油污染碳分子筛，在空气储罐中添加了活性碳。试验区概况：项目工业性试验在阳方口矿北坑52采区的5210放顶煤采煤工作面进行；该区5#煤层厚度为12.43m，倾角8左右，采用长壁式滑移支架放顶煤采煤法，采区采用前进式，工作面采用后退式开采。,制氮机组,制氮机组地面检测,根据井下移动式制氮机组中期验收意见在空压机改为原设计的风冷方式和又配备1台空压机的基础上，对机组进行了连续24小时的检测。,制氮机组地面检测结论,制氮机组产氮（气）量基本达到了设计要求200m3/h；氮气输出压力最大可达0.7Mpa（设计要求00.3可调），且在00.7Mpa之间可调；当氮气输出压力为0.3Mpa时，氮气流量为188.92216.9m3/h，平均流量202.91m3/h，氮气纯度为98%99.3%；当氮气输出压力为0.5Mpa时，氮气流量为219.35275.45m3/h，平均流量247.4m3/h，氮气纯度为97.5%99.5%；,氮气纯度达到设计要求97%（以实测测氧仪检测数据为准）；新安装的空压机冷却（风冷）系统，可以满足空压机冷却要求，温度最高为92，小于空压机供气温度额定值（95）；机组噪音102129dB。适用于煤矿井下采空区防灭火，使用地点浓度0.5%，环境温度26；相对湿度90%。,三、氮气防灭火系统,1、注氮工艺设计注氮系统布置注氮管网系统安装注氮量的确定注氮参数的估算氮气输送系统2、注氮管理,1、注氮工艺设计,氮气防灭火技术包括氮气的制取和输送，即产氮和注氮。氮气防灭火的实质是向采空区氧化带内或火区内注入一定量的氮气，使其氧含量降到7以下，从而抑制煤炭的氧化自燃，达到防灭火的目的。本次试验采用井下移动式制氮机组产氮，然后将氮气加压通过管路注入北坑5210放顶煤采煤工作面采空区进行防（灭）火。,注氮系统布置,制氮机组安装在石门运输大巷中，制出的氮气通过输氮钢管（50mm），经1169水平轨道下山、521采区皮带上山，至5210工作面进风顺槽，并伸入采空区。在进风顺槽中，注氮钢管沿底板下帮按单管加分支的方法，每隔30m安装一个三通注氮管和氮气释放口。氮气释放口要高于底板，以90弯管拐向采空区，于工作面平行，不可孔口向上，并用石块、木垛等妥善保护，防止煤、岩、泥、水等灌入管内或封堵孔口。当工作面推过一定距离，并形成明显的窒息带后，再打开在氧化带内的第二组三通档板注氮。注氮时，要求氮气释放孔（口）与工作面始终保持30m的距离。,1-氮气管；2-释放窗；3-释放室；4-网罩；5-木垛,进风顺槽氮气管路和释放孔示意图,注氮量的确定,注氮量是注氮工艺中最重要的参数。它关系着注入的氮气外泄量和外部向采空区漏风量的大小，采空区氧化带的惰化程度、工作面和回风巷的氧气能否保持正常含量，以及氮气消耗量的多少。1)参照国内经验数据选取:氮气能较稳定地滞留在采空区内（注氮量再大容易泄漏）；对采空区及其它空间的气体影响较小。,2)按影响注氮量的因素考虑：3)按平均吨煤注氮量计算:本设计以平均吨煤注氮量不低于6m3计算4)按制氮机的产氮（气）能力考虑:所用的制氮机组，额定产氮（气）能力为200m3/h，最大为250m3/h综合考虑上述因素，最终确定注氮量为：Q注=200m3/h，注氮防（灭）火时，需根据具体情况进行调整。,注氮参数的估算,1)采空区每天增加的容积:V=mLHC=411.6m32)在采空区注入氮气所需增加的浓度：Xn=（Xc/X0）-1=1.573)每天所需注氮量：Q=VXn=646.2m3/d4)每次所需注氮量：Qi=QT=19386m35)稀释时间（或每次连续注氮的时间）：t=k/（Qi/Q0）=126h(或5.25d）,氮气输送系统,1、管网直径的选择与计算:氮气管网直径的选择必须满足以下两个条件正常时期的最大输氮量;氮气管出口的压力要高于采场的压力，使采空区始终呈现正压状态.管径大小按下式计算：D=1128.6=77.1mm据此，应选用内径80mm，壁厚为4mm的橡胶软管作为输氮管；内径为80mm，壁厚为4mm的无缝钢管作为注氮管为宜,2、输送氮气压力的核算：制氮机组产生的压力（即机组氮气出口压力）能否克服管道阻力，将氮气送到注氮点；输氮管路的沿程摩擦阻力0.55Mpa，当注氮流量为200M3/h、机组氮气出口压力为0.6Mpa时，若采用直径50mm的输氮钢管、管路长为2200mm，则管道出口端（注氮口）绝对压力即氮气释放孔（口）的压力为0.05Mpa左右。,注氮管网系统安装注意事项,1)在管路局部拐弯处和低洼处设置正常放水装置，防止积水堵塞管路影响正常输氮；2)在靠近注氮点附近要设置调控阀门和安全放空管（口），以便调节注氮速度和必要时进行应急处理；3)埋设在采空区的注氮管深度为30m，注氮管之间采用螺纹连接，同时应紧贴底板敷设，管路用煤碴覆盖，以免冒顶时损坏；4)为了考察注氮效果，在靠近工作面附近的氮气管路上设置逆止阀、流量计和压差计等附属装置。,2、注氮管理,制氮机组、氮气输送管路及附属装置等注氮系统形成后，即可根据采空区气体成分的变化，利用启闭开关向采空区进行注氮、调节注氮或停止注氮。,1）注氮方式：,在正常生产情况下，实施开放性注氮，即工作面向前推进，通过进风顺槽注氮管道向采空区连续注氮；在工作面具有严重发火征兆停产时，则采用封闭注氮的方式，即在进、回风顺槽同时设置临时密闭，然后通过进风顺槽注氮管道向封闭空间注入氮气，直至工作面火灾征兆消失。尔后则可打开临时密闭，恢复正常生产。,2）注氮孔位置、孔间距及注氮孔转换周期：,随着采面向前推移，氧化自燃危险带一经形成，即刻于该带范围内布置注氮孔进行注氮，使之成为惰化带。工作面开切眼处较易发生自燃。第一个注氮孔可布置在该处，从第二个注氮孔算起，均可按注氮孔间距布置孔位。注氮孔间距和注氮孔转换周期可按下式计算：S=2RT=SV,采空区注氮孔转换动态图,3）注氮实施：4）注氮检测：只要正确及时地掌握采空区内气体的变化规律，适量地注氮就会人为地停止氧化带的扩大，或者使氧化带缩小以至消失，自燃发火就能够防止。,四、注氮防（灭）火检测系统,1、注氮前技术参数考察2、注氮检测系统3、氮气防火技术参数考察4、氮气防灭火注氮及检测系统所需设备和仪器,1、注氮前技术参数考察,1）注氮前采空区漏风考察：摸清采空区漏风状况，对预防采空区自然发火，确定最佳注氮量与调风措施（防止氮气泄漏）十分重要。2）正常通风时工作面最佳风量：只要工作面温度和氧含量、风速以及回风巷有害气体（和）含量符合煤矿安全规程，则工作面风量越小，越有利于减少漏风，也更有利于防灭火。,3）采空区“三带”分布考察：在注氮之前必须考察采空区“三带”（冷却带、氧化带和窒息带）的分布规律，以便合理布置注氮管口。“三带”的划分，以氧浓度7为氧化带的上界，以出现CO为氧化带的下界；并测定相应的温度变化规律，找出对应关系。,采空区“三带”分布考察示意图,15-测点；A-运输顺槽；B-回风顺槽；C-采样头；D-采样管路；E-气体采样泵,探头保护示意,1-温度传感器2-抽气单管,2、注氮检测系统,15-测点；A-运输顺槽；B-回风顺槽；C-采样头；D-采样管路；E-气体采样泵；F-注氮与输氮管路；G-氮气释放孔（口）；H-521运输上山；I521材料上山简易注氮检测系统示意图,3、氮气防火技术参数考察,1）注氮防火时采空区“三带”变化情况的考察：根据注氮防火工艺的要求，目前一般按气体组分含量不同将采空区沿煤层走向划分成氧化自燃非危险带、氧化自燃危险带和窒息带“三带”。考察的方法是：在测定温度变化的基础上，分析温度变化规律即可。实测时，采用多点综合划带的方法，即采用多测点测取采空区同一区域内的温度值，找出可能自燃带宽度。,2）制氮机组性能可靠性考察：主要考察制氮机组的技术经济指标，是否达到要求，能否满足防（灭）火用氮的需要。同时，与国内同类系统相比的优缺点。3）防火最佳注氮流量与注氮间隔时间的考察：以氧化带回风侧不出现CO作为注氮标准；与其相应的注氮量即为最佳防火注氮量。,4）防止氮气泄漏考察：一般采取的防止氮气泄漏的措施是：均压，以尽可能减少氮气泄漏通道两端的压差；堵漏，以增大氮气泄漏通道的风阻。5）注氮防火效果考察：考察标准为：以氧化带内不出现CO为准。,五、防漏工艺,氮气防灭火存在的问题是：采空区漏风严重时，氮气不易留存，因而采用该项技术必须与有效的防漏措施相配合。,常用的减少氮气泄漏的方法有：在工作面最佳风量的条件下，选择最佳的注氮流量，氮气泄漏较少；采空区回风侧放顶，进风侧挂风帘，地面塌陷坑回填，是减少采空区氮气泄漏的有效方法；,工作面实行均压能减少采空区氮气向工作面及回风巷泄漏。工作面与地面的最佳压差为+5mm水柱，此时氮气的泄漏可减少到不致使回风巷氧含量降低的程度；在注氮的同时辅之以泡沫封闭。国内外经验表明，这样可以减少注氮量，在经济上将更为合理。,1-局扇；2-调节风门工作面及注氮区的均压控制示意图,本设计按采煤工作面实行均压，减少漏风的方法进行设计。,六、氮气防火试验,1、试验工作面概况2、氮气防火工艺3、氮气防火参数考察与分析4、制氮机组井下性能测试5、注氮时期的安全保证,1、试验工作面概况,根据阳方口矿目前开采的实际情况，项目工业性试验决定在北坑52采区的5210放顶煤采煤工作面进行。5210工作面位于521采区最南端，南、东两侧均以河西断层为界，北为待掘的5211工作面，西与521采区的溜子、轨道两条上山相邻，再西为河西风井。,该工作面开采5#煤层，煤层倾角1315,煤层厚度810m，结构简单稳定，有明显20cm左右三层夹石。该煤层富硫、低水份、灰份在20%40%，挥发份较高36.09%。,5210工作面采用滑移支架放顶煤，炮采。工作面长68m，可采走向210m。工作面支架选用的北京矿务局HDY-2型滑移支架，架间距0.7m，支架数量100袈。采空区处理为全部垮落法，最大控顶距为4.5m，最小控顶距3.8m。,工作面采高2.02.2m，采放比为1:5，冒落高度自顶板算起为1517m。推进循环进度为0.7m，采用两采一放、每天一个循环的作业方式，采用多轮间隔放顶煤，放煤步距为1.4m。,工作面采用U型通风方式，回风顺槽安装有瓦斯探头，与矿调度室TF-200型煤矿安全监测系统相联。,2、氮气防火工艺,1）矿井氮气防灭火系统由制氮、输氮和注氮三部分组成，其放火工艺为：井下移动式制氮机组生产氮气，然后将氮气加压通过输氮管路和注氮管路，注入5210放顶煤采煤工作面采空区。,2）注氮管路设置：制氮机组安装在石门运输大巷中，制出的氮气通过输氮钢管（2、3和4管），经521采区运输上山，至5210工作面进风顺槽，并伸入采空区。在进风顺槽中，注氮钢管沿底板下帮按单管加分支的方法，每隔30m（实际施工为28m）设置一个氮气释放口。,具体做法是：靠近进风顺槽底板，先做木垛（释放室），高约0.81.0m，然后将注氮管插入木垛空隙（释放窗）中，管口即释放口，最后在释放室上面盖好金属网，以防止煤、岩、泥、水等灌入管内或封堵孔口。当工作面推过一定距离，并形成明显的窒息带后，再打开第二个氮气释放口注氮。注氮时，氮气释放孔（口）与工作面始终保持30m的距离。,3）管径的选择与计算：输氮管路直径的选择必须满足以下两个条件正常时期的最大输氮量；氮气管出口的压力要高于采场的压力，使采空区始终呈现正压状态。根据要求选用内径80mm，壁厚为4mm的无缝钢管作为输氮管为宜。实际施工中，铺设2管490m，3管320m和4管720m，管路全长1530m。,4）输送氮气压力的核算：当管道按上述直径和长度铺设时，则需要核实一下：制氮机组产生的压力（即机组氮气出口压力）能否克服管道阻力，将氮气送到注氮点。实测表明：一般情况下，机组氮气出口压力为45.5，氮气释放孔（口）的压力为0.020.04。,5）注氮实施：根据采空区气体成分的变化，利用启闭开关向采空区进行注氮、调节注氮或停止注氮。在具体实施中,是由坑口总值班（注氮防灭火领导组成员）按照工业性试验方案设计和实际情况安排进行的。实践证明，只要正确及时地掌握采空区内气体的变化规律，适量地注氮就会人为地停止氧化带的扩大，或者使氧化带缩小以至消失，自燃发火就能够防止。,3、氮气防火参数考察与分析,1）检测系统布置2）注氮前采空区漏风考察3）正常通风时工作面最佳风量4）采空区“三带”分布考察5）注氮防火时采空区“三带”变化规律的考察6）采空区内其它气体的考察7）防火最佳注氮流量与注氮间隔时间的考察8）注氮防火效果考察,为了保证和考察注氮效果，采用了以（原设计批准的）设置简易检测系统为主，人工井下巡回检查为辅的检测手段。检测内容主要包括：注氮前采空区“三带”分布考察，注氮时采空区“三带”变化规律、工作面区域（工作面与进、回风顺槽工人作业区）气体成份、制氮机组性能可靠性及注氮效果考察。,1）检测系统主要包括,5210工作面采空区“三带”检测系统；5210工作面回风顺槽的主注氮检测系统；5210工作面进风顺槽安设的辅助注氮检测系统。,探头保护示意,1-温度传感器2抽气单管3-聚氨脂泡沫,2）注氮前采空区漏风考察,实测结果：工作面进风176，回风178m3/min，工作面区域170m3/min左右。这表明，工作面采空区漏风约为68m3/min。,3）正常通风时工作面最佳风量,通常，只要工作面温度和氧含量、风速以及回风巷有害气体（和）含量符合煤矿安全规程，则工作面风量越小，越有利于减少漏风，也更有利于防灭火。根据阳方口煤矿北坑5210工作面自开采以来的通风安全报表和开采情况，该工作面正常通风时的最佳风量为176180。,4）采空区“三带”分布考察,氮气防火的原理是将氮气注入采空区，将采空区氧化带的氧含量降到10以下，抑制氧化带煤炭的氧化自燃。为此，在注氮之前必须考察采空区“三带”（冷却带、氧化带和窒息带）的分布规律，以便合理布置注氮管口。“三带”的划分，按照氧气浓度划分：冷却带，氧气浓度大于18；氧化带，氧气浓度在1810之间；窒息带，氧气浓度低于10；并测定相应的温度变化规律，找出对应关系。,阳方口矿北坑采空区“三带”分布表,5）注氮防火时采空区“三带”变化规律的考察,首先，根据埋设在采空区采样测得的数据，绘制出从工作面起沿煤层走向采空区氧气浓度变化曲线，并按惰化指标的规定值（如氧含量10）划定氧化带与窒息带之间的临界线，从而确定氧化带距工作面最大宽度。氧化带划定之后，再根据煤层自然发火期和工作面推进速度确定出氧化带内靠工作面一侧的不燃带，氧化带其余部分则为氧化自燃危险带。,阳方口矿北坑注氮后采空区“三带”分布表,6）采空区内其它气体的考察,7）防火最佳注氮流量与注氮间隔时间的考察,根据注氮前对采空区“三带”的考察，所得采空区氧化带的宽度。为了考察不同注氮流量降低氧气含量的效果，应将注氮口设在采空区进风侧氧化带边界中部，将采样口设在氧化带回风侧的中部。注氮时，只要在回风侧取样口测到低于10的氧含量，则证明已将整个氧化带惰化。本次试验表明：按照原设计的注氮流量200，完全可以满足注氮防火的要求。,4、制氮机组井下性能测试,经过考察，制氮机组的主要技术经济指标，包括机组产氮（气）量、氮气纯度、氮气输出压力及机组使用的安全性、可靠性均达到了原设计要求，能满足防（灭）火用氮的需要。与国内同类系统相比，具有井下移动减少管路铺设投资的显著优点。缺点是，体积较庞大、重量较重；机组的空压机有漏油现象，有时直接影响注氮工作的正常进行。,5、注氮时期的安全保证,为了保证注氮期间工作面区域的人员安全，对可能出现氧气浓度下降的区域，派专职瓦检员每班三次对进、回风顺槽离煤壁515m，工作面上、下隅角及工作面距回风顺槽515m等5处进行连续检测，检测结果记入阳方口矿北坑通风报表中。当发现氧浓度低于18后，瓦检员立即通知所在区域的工作人员停止工作撤到安全地区，并报坑口值班领导，通知机组停机。,制氮机组