注氮防灭火设计.docx

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注氮防灭火设计

板石煤矿注氮防灭火专项设计

煤炭科学研究总院抚顺分院、吉林东北煤炭工业环保研究有限公司分别于2010年、2013年、2014年对我矿19#、19b#、20#、22#、22a#、23#、23a#煤层煤炭自然倾向鉴定，属于Ⅰ类容易自然煤层。

板石煤矿采取的防灭火措施为注氮防灭火，特编制《板石煤矿注氮防灭火设计》，设计如下：

一、氮气防灭火原理及特点

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。

氮气在常温下常压下是无色、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以下框图：

氮气防灭火的特点为：

氮气比空气略轻，可以充满封闭范围内的所有空间，特别有利于工作面采空区上部和巷道冒顶区的防灭火。

通过管道输送，不需用水，输送方便。

灭火过程中不损坏井巷设备，使灾后恢复工作简单。

氮气本身无毒，使用安全。

使用方便，投入防灭火速度快，采空区有发火征兆时，只需开启阀门，便可迅速向采空区注入氮气。

灭火速度快，能迅速降低封闭区的氧含量使火区窒熄。

目标注氮时，能迅速降低巷道冒顶区的一氧化碳含量，保证灭火人员的安全。

能提高火区内气体压力，减小火区漏风。

火区漏风过多时效果下降，故氮气灭火时需一定程度的严密性。

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。

二、注氮防灭火措施和有效性分析

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然；氧气含量降至3％以下时，可以完全抑制煤炭等可燃物的引燃与复燃。

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，即时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：

（一）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然。

（二）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。

（三）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。

（四）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然和安全开采的目的。

三、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。

煤矿制氮机主要有变压吸附法和薄膜分离法。

本矿采用QTD1200/97型固定式碳分子筛制氮装置（采用变压吸附法，注氮量可调，最大注氮量：

1200m3/h）。

四、氮气防灭火参数及设计依据

（一）氮气纯度及惰化指标

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%。

采空区氧化带防火惰化指标：

根据煤矿安全规程，采空区氧化带防火惰化指标为O2≤7%。

火区注氮惰化指标：

进风密闭内O2≤3%（停氮时），回风密闭内O2≤2%。

（二）设计依据

板石煤矿2018年生产能力为240万t，包括3个综采工作面，综采工作面最高生产能力为175万t，加上掘进出煤达到设计产量，因此，按现有回采工作面523a05的生产能力来计算注氮防灭火流量，在实际生产过程中，3个综采面同时着火的可能性很小，本着满足523a05综采面注氮防灭火需要，又兼顾全矿达产后防灭火的需要，制氮能力的确定主要依据MT/T701-1997《煤矿用氮气防灭火技术规范》，现依据523a05综采面剩余产量为13万吨，“三八”工作制，根据采掘接续计划表，523a05工作面剩余产量计划回采59天，日产原煤2203t。

五、注氮能力计算

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。

（一）防火注氮流量计算

1、按采空区氧化带氧含量计算

采空区合理的防灭火注氮流量根据理论计算和矿井工作面防灭火注氮实践考察而确定

防火注氮流量的计算和工作面的风量、产量、采空区体积、瓦斯涌出量及煤炭发火程度有关。

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（１个采煤工作面注氮量），此法计算的实质是将采空区氧化带内的原始氧含量降到防火惰化指标以下，按下式计算注氮流量。

m3/h

式中：

QN——供氮能力，m3/h；

K——备用系数，取1.1；

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；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，因此选15%；

C2——采空区惰化防火指标，其值为煤自然临界氧浓度，%；煤的自然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5%～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%；

CN——注入氮气的氮气浓度，%；根据新版《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然临界氧浓度而定。

而向火区注入氮气浓度应不低于97%”。

取98%。

（二）灭火注氮流量计算

扑灭采空区火区或巷道发火点所需氮气量，主要取决于发火区域的几何形状、空间大小、漏风量、火源范围和燃烧时间的长短等因素。

1、扑灭巷道火灾所需氮气量

对于巷道火灾，可主要按空间量及漏风量计算。

2、扑灭巷道火灾所需氮气量

扑灭采空区火灾可按下式进行估算：

m3

式中：

QN——注氮量，m3;

V0——火区体积，m3;

C1——火区原始氧浓度，%；

C2——注氮时达到的氧浓度，取3%。

一般按灭火时间3～5d确定灭火注氮流量，即为：

≈510m3/h

3、防灭火注氮流量的确定为634m3/h。

通过上述计算，依据国内外应用氮气防灭火的经验，结合板石煤矿综采工作面的开采条件，将防灭火注氮流量确定为634m3/h。

因此选择制氮能力1200m3/h－QTD1200/97煤矿用固定式碳分子筛制氮装置。

六、输氮管路的选取

（一）注氮管路铺设

注氮机厂房设在地面工业广场主井附近，注氮管路铺设情况：

1、地面注氮机房→主井（6寸）→平安车巷（4寸）→暗主井（4寸）→东翼回风巷（4寸）→523a05回风联巷（4寸）→523a05联巷（4寸）→523a05下顺采空区（4寸）

2、地面注氮机房→主井（6寸）→平安车巷（4寸）→暗主井（4寸）→东翼回风巷（4寸）→东翼六联巷（4寸）→52301下顺采空区（4寸）

3、地面注氮机房→主井（6寸）→平安车巷（4寸）→19层材料下山（4寸）→119b06下顺采空区（4寸）

（二）管路铺设要求

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。

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。

（三）注氮管路输送压力计算

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：

0.37Mpa

式中：

P2——管路末端的绝对压力，0.1MPa；

Qmax——最大输氮流量，850m3/h；

D0——基准管径，150mm；

Di——实际输氮管径，100mm

Li——相同直径管路的长度，0.83km；3.8km

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：

上述计算说明：

主管径选用Ф150mm无缝钢管作主输氮管路，支管路选用Ф100无缝钢管，输送距离4.63km，管口末端压力为0.1MPa的情况下，制氮设备的供氮压力只需0.37MPa，就可将850m3/h的氮气送到523a05综采面采空区，因此制氮设备供氮压力0.6MPa可以满足输送压力要求。

七、注氮设备选型

（一）制氮设备

根据注氮能力和注氮压力的计算，选用QTD1200/97煤矿用固定式碳分子筛制氮装置，有关性能指标参数如下：

1、注氮机型号及名称：

QTD1200/97煤矿用固定式碳分子筛制氮装置。

2、主要性能指标参数

产N2量：

1200N2m3／h

N2：

纯度：

≥97%

N2：

压力：

0～0.6MPa（可调）

2、注氮系统与制氮设备的安装要求

注氮机安设在地面永久注氮机房内，制氮装置从里往外依次为：

空压机、空气缓冲罐车、吸附塔车、储氮罐车。

3、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）制氮装置必须有独立的供电电源和馈电开关，机房内应设专用电话。

（3）制氮机房内必须挂有完善的管理牌板。

（4）制氮机房内必须按规定配齐消防材料。

八、注氮防灭火工艺和方法

（一）采煤工作面防火注氮工艺：

采用入风顺槽埋管注氮工艺；采煤工作面防火注氮方法：

开放式间断性注氮。

具体作法是：

在采煤工作面的下顺沿采空区埋设一趟注氮管路。

当埋入一定深度后（20米）开始注氮，同时又埋入第二趟注氮管路。

当第二趟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，同时停止第一趟管路的注氮，并又重新埋设注氮管路，如此循环。

对于采煤工作面的日常防火注氮采取开放式、间断性注氮方式和入风顺槽埋管注氮工艺（详见下图）。

（二）采煤工作面灭火注氮工艺：

采用密闭注氮工艺；采煤工作面灭火注氮方法：

灭火初期采用封闭式连续性注氮方法；火情扑灭后，采用封闭式间断性注氮方法。

具体作法是：

对采煤工作面上下顺进行封闭，火点位置预留注氮管路，灭火初期采取连续注氮方式，当密闭内氧气浓度降至5%以下，密闭内一氧化碳浓度降至0.0024%以下，且密闭上下顺同时呈正压状态后，采取间断性注氮方式，注氮时间每天不小于16小时。

（详见下图）

（三）防火密闭防火注氮工艺：

采用密闭注氮工艺；防火密闭注氮方法：

采用封闭式间断性注氮方法。

具体作法是：

当密闭内氧气浓度降至5%以下，密闭内一氧化碳浓度降至0.0010%以下，且密闭上下顺同时呈正压状态后，采取间断性注氮方式，注氮时间每天不小于8小时。

（四）防火密闭灭火注氮工艺：

采用密闭注氮工艺；防火密闭注氮方法：

采用封闭式连续性注氮方法。

具体作法是：

当密闭内出现自燃发火现象时，采取封闭式连续性注氮方式。

九、注氮时机

根据《珲春项目防灭火设计方案修改稿》中板石煤矿采空区“三带”的数据分析，确定采煤工作面及密闭注氮时间：

（一）当采煤工作面采空区内温度超过35度，采面上尾巷内一氧化碳浓度超过0.0024%时，采取防火性注氮，利用入风顺槽埋管，采取开放式、间断性注氮方式，注氮时间每天不小于16小时，直到采煤工作面采空区温度降至35度以下，上尾巷内一氧化碳气体为0.00%时，停止注氮。

（二）采煤工作面月推进速度小于36米，采取防火性注氮，利用入风顺槽埋管，采取开放式、间断性注氮方式，注氮时间每天不小于16小时，直至采煤工作面恢复正常推进速度后停止注氮。

（三）当井下防火密闭内温度超过35度，密闭内一氧化碳浓度超过0.0010%，密闭内氧气超过5%时，对密闭采取封闭式、间断性注氮方式，注氮时间每天不小于8小时。

（四）当采煤工作面采空区温度持续升高（30度－130度），一氧化碳浓度随煤温升高呈上升趋势（0.0024%－0.0080%），或出现乙烯、乙炔气体时，必须立即对采煤工作面进行封闭，采取采用封闭式连续性注氮方法。

十、火灾监测系统

根据新版《煤矿安全规程》第二百七十一条规定，采用氮气防灭火时，必须有能连续监测采空区气体成分变化的监测系统。

板石煤矿采用注氮防灭火方式，采用矿井火灾束管监测系统、人工取样地面色谱分析和便携式检测相结合的方式，对矿井进行自然发火预测预报工作。

（一）建立地面色谱束管火灾监测系统

与氮气防灭火配套的最重要措施就是火灾检测系统。

一是《煤矿安全规程》规定，采用氮气防灭火必须有能连续不断地检测采空区气体成分变化的检测系统；二是必须准确地监测采空区和火区的气体成分的变化及其态势，才能比较准确进行自然发火预测预报；三是采空区发火一般不易发现，必须及时监测采空区发火征兆，为采取相应的防灭火措施提供依据。

因此，需要建立束管监测系统。

目前国内用于监测火灾的系统有两种：

一是井下型火灾束管监测系统；二是地面色谱束管火灾监测系统，前者是将真空泵、气体采样分析柜和控制箱安置于井下工作面附近的联络巷或机电峒室内，电信号通过传输电缆送到地面计算机，并进行数据处理，存贮，火灾系数分析，爆炸危险性判断，报表打印等，具有系统管理和维护简单的优点。

后者是将井下采空区或封闭区内的气体通过束管抽到地面，然后通过气相色谱仪分析，具有分析组分多的优点，其缺点是井下和地面存在温度差，束管内容易积水，另外，井下束管铺设路线长，管理和维护不易。

经综合分析比较，设计选用JSG-8型矿井火灾束管监测系统。

（二）测点的设置及监测方法

根据采煤工作面及防火密闭注氮情况，将束管接至采煤工作面上尾巷或防火密闭观测孔。

通过束管监控系统对注氮地点气体成分进行实时监控或由人工取气样，利用束管监控系统进行化验分析，当采煤工作面或密闭注氮时，为防止氮气泄露，导致人员窒息，采煤工作面采空区注氮时，瓦检员每班必须到采煤工作面及下尾巷对氧气进行检测（检查次数不得小于3次），当密闭进行注氮时，派专人每班到注氮的防灭火密闭前对氧气浓度进行检测，氧气浓度均不得低于18%。

当工作面推进15m，采用钢管作套管，在回风巷沿采空区各埋设一趟取气管路，回风侧设1个测点；当埋入采空区50m后，再埋第二趟，如此交替埋设，直至采完为止。

埋入采空区的束管管口取样点处，应用大块矸石或木跺防护，以防止浮煤堵塞束管取样口。

（三）人工检测

人工检测是指瓦检员每班使用便携仪巡回测定工作面、上隅角、回风巷等处的O2、CH4、CO和采空区温度，发现问题及时报告，以便采取相应措施进行处理。

十一、注氮安全技术措施

（一）在采空区进行注氮防火或在火区进行注氮灭火时，必须编制相应的安全技术措施，经矿总工程师审批后，方可实施。

（二）注氮过程中，工作场所的氧气浓度不得低于18.5%，否则应立即停止作业撤除人员，同时降低注氮量或停止注氮。

（三）制氮设备的管理人员和操作人员，必须经培训，考试合格，并取得结业证和上岗证后，方可上岗。

（四）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20m3/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850m3/h的氮气全部泄漏，按工作场所安全氧浓度指标18.5%的要求，523a05工作面巷道的风量为802m³/min，52301工作面巷道的风量为886m³/min，119b06工作面巷道的风量为744m³/min，各采煤作业地点的风量均≥154.78m³/min，采煤工作面采取开放式注氮方法时，采面安全风量符合要求。

采面上下顺封闭后产生盲巷，利用局部通风机供风，在注氮过程中，一旦局扇停风，严禁任何人员进入，防止出现人员窒息事故。

　　（五）密闭采用防灭火注氮时，密闭外必须设置全断面栅栏，密闭前设置氧气传感器，报警值为18%。

（六）注氮司机不得擅自离岗，不得任意开停制氮机。

（七）注氮人员要经常注意制氮机运行状态，要经常检查制氮机各部位接头、管路的密封情况，加强维护。

发现异常及时处理；当发生故障又无法处理时，应先停机，并通知注氮管路监测人员关闭各注氮支管阀门，故障排除后，应通知注氮管路监测人员，打开原规定的注氮支管阀门，待得到阀门开启确切消息后，才允许启动制氮装置。

（八）注氮工要经常检查注氮主管与支管的运行状态，随时记录各注氮支管孔板流量计的注氮量与注氮压力，发现有泄漏及时检修处理。

当注氮主管或支管发生崩管时，要及时通知制氮机站，关闭制氮机，停止输氮。

（九）制氮机长期停用时，应分别将吸附塔、氮气储罐、空气储罐的压力排泄，因分子筛怕油、水、粉尘的污染，应定期排泄水分和油分。

（十）注氮机组司机必须密切注意注氮机的压力表及氮气浓度的变化情况，如压力和浓度发生突然变大、变小，要及时停机，并关闭机组阀门，停止往外输出氮气。

（十一）人员吸入氮气处理措施

氮气为无色无臭气体，化学性质不活泼，不燃，微溶于水、乙醇。

空气中氮气含量过高，使人员吸入氧气分压下降，会引起缺氧窒息。

氮气泄露，人员吸入氮气浓度不太高时，最初感觉胸闷、气短、疲软无力；继而有烦躁不安、极度兴奋、乱跑、叫喊、神情恍惚、步态不稳，可进入昏睡或昏迷状态。

吸入高浓度，患者可迅速昏迷、因呼吸和心跳停止而死亡。

现场急救措施为：

吸入氮气后，迅速脱离现场至空气新鲜处；保持呼吸道通畅，感觉呼吸困难者立即使用压缩氧自救器；如呼吸心跳停止，立即进行人工呼吸和胸外心脏按压术。

初步的急救措施实施后，立即升井就医

（十二）避灾路线

当采空区发生自然发火或注氮管路发生泄漏无法现场处理时，立即汇报矿调度，由安全员、瓦检员带领人员迅速沿以下路线撤出：

523a05工作面：

工作地点→523a05运输顺槽→东翼六联巷→东翼轨道巷→585车场→b01下顺返送→平安车巷→-325车场→副井井筒→地面。

52301工作面：

工作地点→52301运输顺槽→52301运煤联巷→东翼六联巷→东翼轨道巷→585车场→b01下顺返送→平安车巷→-325车场→副井井筒→地面。

119b06工作面：

工作地点→119b06运输顺槽→19层材料下山→平安车巷→-325车场→副井井筒→地面。