23103綜放工作麵注氮防滅火專項設計
23103綜放工作麵注氮防滅火專項設計
我礦23103工作麵即將開始回采，工作麵通風係統為材料巷進風，措施巷、皮帶巷回風。因采用綜放工藝回采，其采空區遺煤較多、範圍廣、空間大，加之所采13#煤自燃傾向性等級為Ⅱ類，工作麵防滅火工作十分重要。參照煤炭科學研究總院沈陽研究院2010年5月編製的《斜溝煤礦主采煤層自然發火綜合防治方案設計》及集團公司其他礦井防滅火經驗，采用注氮防滅火措施的有效覆蓋率較高、適應性較好，能有效的保證工作麵回采期間防滅火安全。為了防止輸氮管路和采空區泄漏氮氣造成人員傷害、保證注氮防滅火效果，特編製如下專項設計。
一、工作麵概況
1、采煤工作麵位置：
工作麵位於21采區北翼，南鄰21采區三條上山，北部、東部、西部均為實煤區，上部為8#煤的18107、18109采空區，平均層間距為46.29m。
2、工作麵有關參數
走向長度：2420.9m，煤層厚度為5.95-16.68m，平均13.8m。
平均采高：機采3.6m，放煤高度10.2m。
瓦斯等級：低瓦斯，容重：1.44t/m3。
煤層硬度：f=2～5，煤質牌號：氣煤。
自燃傾向性：Ⅱ類自然，煤層傾角（度）：6.8°～10.7°，平均8.9°。
工作麵傾斜長： 214.34m。
一、注氮防滅火方案
氮氣是一種無色、無味、無嗅、無毒的氣體。由於氮氣分子結構穩定，其化學性質相對穩定，在常溫、常壓條件下氮氣很難與其它物質發生化學反應，所以它是一種良好的惰性氣體，隨著空氣中氮氣含量的增加，氧氣含量必然降低。當氧氣含量低到5～10％時，可抑製煤炭的氧化自燃；氧氣含量降至3％以下時，可以完全抑製煤炭等可燃物的陰燃與複燃。用氮氣防滅火和阻止瓦斯爆炸的過程稱為惰化，惰化後的火區因氧氣不足而不能燃燒和爆炸。氮氣的防滅火作用，即是使采空區等有關區域惰化。
具體地說，氮氣的防滅火作用和特點是：1）氮氣可以充滿任何形狀的空間並將氧氣排擠出去，從而使火區中因氧含量不足而將火源熄滅，或者使采空區中因氧含量不足而使遺煤不能氧化自燃；2）在有瓦斯和火存在的氣體爆炸危險區內，注入氮氣能使可燃性氣體失去爆炸性；3）向采空區或火區中大量注入氮氣後，可以增加采空區相對壓力，致使新鮮空氣難以漏入； 4）氮氣防滅火必須與均壓和其它堵漏風措施配合應用。否則，如果注入氮氣的采空區或火區漏風嚴重，氮氣必然隨漏風流失，難以起到防滅火作用。
基於上述氮氣的性質及煤的氧化機理，向采空區及遺煤帶注入氮氣，使其滲入到采空區冒落區、裂隙帶及遺煤帶，降低這些區域的氧含量，形成氮氣惰化帶，從而達到抑製采空區自燃和安全開采的目的。
因23103工作麵采空區遺煤較多、範圍廣、空間大，所采13#煤自燃傾向性等級為Ⅱ類，采用預先鋪設管路、連續注氮方式，同時應采取均壓通風措施、堵漏措施、工作麵及采空區氧氣監測措施。
2、氮氣來源選取的技術經濟03manbetx
目前，工業製取氮氣均以空氣作為原料氣，這種原料氣的供給是無限量的。煤礦井下移動式製氮機主要有變壓吸附法和薄膜分離法。根據煤炭科學研究總院沈陽研究院2010年5月編製的《斜溝煤礦主采煤層自然發火綜合防治方案設計》及集團公司其他礦井注氮防滅火係統使用情況，本設計采用DT型煤礦用移動式碳分子篩製氮裝置（變壓吸附法）。
3、供氮能力、輸氮管路的計算與選取
（1）供氮能力計算
注氮量是最重要的注氮參數，直接決定著注氮效果。注氮量太小因達不到惰化采空區氣體的目的而起不到防火的作用，注氮量太大造成經濟上的浪費。注氮量主要取決於被注地點的幾何體積、氧化空間大小、裂隙情況、漏風量大小以及氣體組分等。由於煤礦條件千差萬別，目前注氮量隻能按待注地點的幾何體積、工作麵的產量、噸煤注氮量、瓦斯量、氧化帶內的氧含量進行計算。
根據《煤礦用氮氣防滅火技術規範》（MT/T701-1997）第7.1條的規定：製氮設備或裝置的供氮能力應按礦井注氮工作麵防火需要選取，供氮能力（1個工作麵注氮量）可按下式計算：
式中：QN——供氮能力，m3/h；
K——備用係數，取1.2；
Q0——采空區氧化帶內漏風量，m3/min；采空區氧化帶的範圍受工作麵的通風狀況、采空區的冒落等諸多因素的影響而在很大的範圍內變化，因此采空區氧化帶的漏風量的變化範圍也較大，此範圍內的漏風量一般按工作麵風量的1/60～1/100選取；采取堵漏風措施後，采空區氧化帶內的漏風量取為6m3/min；
C1——采空區氧化帶內平均氧濃度，%；目前國內應用較普遍的是將采空區氧濃度在10～18%之間的區域視為氧化帶，因為氧化帶的範圍不同而平均氧濃度值也不同，一般可選為15%；
C2——采空區惰化防火指標，其值為煤自燃臨界氧濃度，%；煤的自燃臨界氧濃度值隨煤種、煤質、賦存條件等因素的不同而變化，其具體數值應根據實驗室試驗而取得，此值的範圍一般為7%～10%。根據《煤礦安全01manbetx
》中的規定：采用氮氣防火注入的氮氣濃度不得低於97%，注入後采空區內氧氣濃度不得大於7%，所以此值取7%；
CN——注入氮氣的氮氣濃度，%；根據《煤礦安全01manbetx
》中的規定：采用氮氣防火注入的氮氣濃度不得低於97%，注入後采空區內氧氣濃度不得大於7%。同時根據《煤礦用氮氣防滅火技術規範》（MT/T701-1977）第7.2條的關於氮純度的規定“向采空區注入氮氣的純度要視其能將采空區的氧濃度降低到煤自燃臨界氧濃度而定。而向火區注入氮氣濃度應不低於97%。”因此取97%；
根據以往國內外注氮滅火經驗，防火注氮量一般為5m3/min左右；滅火注氮量，原則上最初的注氮強度要大，然後逐漸降低注氮強度。若采用開放式注氮方式，則滅火注氮量需求更大。因此選擇製氮能力為1000m3/h DT-1000/6型煤礦用移動式碳分子篩製氮裝置一套。
（2）輸氮管路的選取
根據《煤礦用氮氣防滅火技術規範》(MT／T701-1997)第7.4.1條和7.4.2條的規定：從井下供氮時，除應采用鋼管外，在滿足輸氮壓力的情況下，可選用耐壓橡膠軟管，但進入采空區或火區的管路必須采用鋼管。輸氮管路的直徑應滿足最大輸氮流量和壓力的要求。供氮壓力可按下式進行計算：
式中：
P2——管路末端的絕對壓力，MPa（此值不應低於0.2MPa）；
Qmax——最大輸氮流量，m3／h；
D0——基準管徑，150mm；
Di——實際輸氮管徑，mm；
Li——相同直徑管路的長度，km；
λ0——基準管徑的阻力損失係數，0.026；
λi——實際輸氮管徑的阻力損失係數，對於不同的鋼管直徑，則有如表1的關係：
在實踐中，輸氮管路一般均選擇50～l00mm管徑的鋼管，因23103工作麵最遠注氮距離達2700m，製氮裝置所能提供的壓力P1按0.6Mpa計算，根據下式計算在此壓力下的注氮主管的最長輸氮距離為：
計算得最長輸氮距離：管徑為50mm時，L=0.180km；管徑為70mm時，L=1.028km；管徑為80mm時，L=2.068km；管徑為100mm時，L=6.747km。所以選擇管徑100mm輸氮管路完全能夠滿足工作麵注氮防滅火的要求。采空區埋設管路選用Φ100mm的無縫鋼管。轉彎處、進風隅角埋管處管路連接采用耐壓橡膠軟管。采空區埋設輸氮管路采用螺紋管接頭連接，並需有獨立的專用閥門。
（3）輸氮管路的鋪設要求
① 管路的鋪設應盡量減少拐彎，要求平、直、穩，接頭不漏氣。每節鋼管的支點不少於兩點，不允許在管路上堆放他物。低窪處可設置放水閥。
② 輸氮管路的分岔處應設置三通截止閥及壓力表。
③ 輸氮管路應進行防鏽處理。
④ 定期對輸氮管路進行試壓檢漏。
（4）注氮地點的安全通風量
根據《煤礦用氮氣防滅火技術規範》(MT／T701-1997)第11.2條的規定，注氮地點及與其相連巷道的安全通風量按下式計算：
式中：
Q0——工作場所的安全風量，m3／min；
QN——最大氮氣泄漏量，m3／min，取16.67 m3／min；
CN——泄露氮氣中的氮氣濃度，%，取97%；
C1——工作麵或巷道中原始氧氣濃度，取20.8%；
C2——工作場所的安全氧濃度指標，取18.5%；
在輸氮管路沿途或工作麵，假設所輸送1000m3/h的氮氣全部泄漏，能否造成泄漏區域缺氧。按工作場所安全氧濃度指標18.5%的要求，經計算，此時巷道的安全風量應為129.01m3/min(取150 m3/min)，通風人員應隨時監測23103材料巷、皮帶巷、措施巷風量，保證風量處於安全風量以上。
二、注氮防滅火工藝和方法
1、製氮設備
根據注氮能力和注氮壓力的計算，選用DT-1000/6型煤礦用移動式碳分子篩製氮裝置，有關性能指標參數如下：
（1）結構類型： 分體輪軌移動式
（2）氮氣產量： 1000m3/h
（3）氮氣純度： ≥97%（可調）
（4）氮氣輸出壓力： ≥0.6MPa（可調）
（5）電 壓： 660V/1140V
（6）電控係統電壓： 127V
（7）裝機功率： 370kW
（8）外形尺寸： 3800×1700×2150mm×4（製氮裝置）
3800×1380×2000mm×2（空壓機）
（9）總 重 量： 12.05t
2、注氮係統與製氮設備的安裝要求
移動製氮機安設地點位於23103材料巷外段的製氮機安設硐室中，管路從23103材料巷敷設至工作麵端頭埋入采空區。製氮裝置列車從裏往外依次為：MOGF32/8-185G型空壓機2台（一用一備）、空氣緩衝罐車1台、吸附塔車2台、儲氮罐車1台。
製氮機安設硐室應滿足以下要求：
（1）製氮裝置中的電氣設備，必須取得《防爆檢驗合格證》。
（2）製氮硐室設在進風巷道中，供風量取安全通風量150 m3/min和按AQ1056-2008計算得機電硐室配風量330 m3/min兩者大值，取330m3/min。
（3）製氮裝置必須有獨立的供電電源和饋電開關，硐室應設專用電話。
（4）安裝製氮裝置的硐室平、直而且支護良好；巷道頂及兩幫均用水泥砂漿噴塗加固，水泥砂漿厚度不小於2～3cm，底板用水泥砂漿抹平並留有專用水溝。
（5）製氮裝置硐室內必須掛有完善的管理牌板。
（6）製氮裝置硐室內必須按規定配齊消防材料。
3、注氮防滅火方式
（1）氮氣釋放口的位置
防滅火注氮地點選擇在工作麵進風側，注氮釋放管口應處於采空區氧化帶內。參考煤炭科學研究總院沈陽研究院2010年5月編製的《斜溝煤礦主采煤層自然發火綜合防治方案設計》，本設計把氮氣釋放口的位置暫定為距工作麵50m（48m）。沿材料巷向采空區埋設一條注氮管路，隨工作麵推進50m後開始注氮，同時埋入第二條注氮支管，當推過第二條注氮支管50m後，同時停止第一條管路的注氮，再重新埋設注氮管路，以此類推。
在具體實施過程中，應根據對采空區“三帶”的動態變化規律及采空區氣體分布規律的實時觀測03manbetx
做出合理確定和調整。氮氣釋放口應高於底板，注氮口距底板巷道高度應在300mm以上，90°彎拐向采空區，與工作麵保持平行；一般情況下，為防止注氮管口被砸或堵塞，盡量用石塊或木垛等加以保護，氮氣釋放口處管路可打1m花眼，並用鐵絲網包裹。工作麵注氮口位置如圖1所示。
（2）注氮方法
采用預先鋪設管路注氮方式，連續注氮方法。
三、勞動組織
23103工作麵注氮防滅火工程作業人員每班由5人組成，司機1人，負責開泵；組長1人，負責機組開停與巡查管路；專職電工1人，負責機組及其電器設備的維護；另2人配合司機啟動機組，並負責巡查管路。
五、管理製度
1、各生產隊組、科室應充分發揮其協作配合作用，不得私自拆移、破壞礦井注氮設施。礦井注氮防滅火係統、設施的拆移必須由通風科安排綜采隊注氮 組進行作業。
2、礦井注氮滅火材料、設備、資金應列入礦財務、供應和生產計劃中，並保證及時、足量供給。
3、礦通風、安監部門負責監督檢查本設計方案的貫徹實施。
4、使用注氮防滅火係統前，必須建立完善的束管監測係統，並由綜采隊負責及時延接束管監測管路，保證其連續正常工作。
5、注氮期間，23103工作麵必須設置專職瓦檢人員，加強采空區的氮氣泄漏情況與工作麵的氧氣濃度檢查。
6、每班的氮氣注入量不得隨意調整；需要調整時由通風科根據推進度、配風量等因素進行計算、經礦總工程師同意後進行調整。
7、注氮作業時，由綜采隊對工作麵上、下隅角采取打設風幛措施進行封堵，減少向采空區漏風。
8、在管路上安設觀察孔，定期測定注氮管路中的氧氣濃度，發現氧氣濃度大於3%時，應及時停止注氮，查明原因，進行處理。首次注氮時（含以後每次重新開啟製氮設備），應將管路中的空氣排空，待注氮管路中的氧氣濃度低於3%時，方可開始注氮。
9、注氮作業期間，由通風科組織對23103工作麵進行適度的均壓調節，減少采空區的氮氣泄漏。
10、注氮期間，通風科派專人檢查注氮滅火區及工作麵的氣體、氣溫、煤溫、出水溫度、鑽孔氣體等情況，並進行每周采氣樣化驗。03manbetx
注氮防滅火效果，包括注氮前、後的采空區的三帶變化情況、注氮量、注氮擴散半徑、注氮口移動步距等，定期提出分析報告。
11、注氮作業過程中，工作麵的氧氣不得低於20%，否則立即停止作業，撤出人員，同時降低注氮流量或停止注氮。
12、製氮設備的管理人員和注氮操作人員必須經過培訓，考試合格，並取得上崗證後，方可上崗。綜采隊注氮組必須建立01manbetx
01manbetx
、工種崗位責任製、機電設備維護檢修製度。
13、注氮管路連接好後，由空壓機加載空氣進行管路耐壓試驗，檢查泄漏，耐壓壓力必須達到0.8MPa。
14、注氮設備安裝完好後，由通風科幹部跟班進行首輪注氮試驗，試驗寬度不小於15m的氧化帶寬度。試驗期間，查找注氮設備及注氮方法當中存在的問題，提出改進、完善意見，進一步完善修改注氮專項設計。
15、首次注氮試驗，通風科幹部在進風隅角注氮連接口監控排出空氣直到輸出氮氣的過程，檢查輸氮管路閥門及注氮支管閥門的密封情況；采空區注氮支管閥門除正常注氮期間，其餘時間應處於長閉狀態。密切觀察工作麵風流中的氧氣濃度和各項氣體，氣體濃度異常時，必須及時撤人並調小注氮流量，確保安全生產。
16、進風隅角注氮連接口必須設置三通調節閥門，並保證連接牢固可靠。檢測氧氣濃度小於3%時，方可切換至注氮接口。當檢測釋放口附近巷道風流的氧氣濃度低於18%時，必須先關閉輸氮出口，並有專人觀察輸氮管路密封情況。
17、正常注氮期間，通風科幹部與瓦檢人員必須沿工作麵上隅角、回風流不斷巡回檢查，密切觀察各項氣體的動態湧出情況並每半小時記錄一次湧出數值。通風科技術組收集首輪注氮期間的各項數據，並繪製變化曲線。
18、首輪注氮期間，每天束管采集采空區氣樣進行化驗、分析。
19、正常注氮期間，瓦檢人員密切觀察工作麵上隅角氧氣濃度情況及各項氣體的湧出情況，氣體超限時，嚴禁人員進入，並標明範圍，懸掛警標。
20、回采期間一旦工作麵因遇地質構造推進速度緩慢停滯不前或監測到自然發火標誌氣體且呈現快速增長趨勢時，則應加大采空區注氮量，同時配合采取均壓、堵漏措施，並加強火區監測。
21、機電供應科負責編製注氮裝置供電設計和注氮管路吊掛設計（管路刷漆）；生產技術科負責編製注氮硐室設計。
22、綜采隊跟班隊長、當班工長、安全員、瓦檢員及其他流動作業人員、管理人員必須攜帶便攜式測氧儀器。
六、操作規定
1、注氮設備的安裝維護由綜采隊負責，礦調度必須在注氮裝置硐室及注氮口各安設一部專用電話，保持通信暢通。
2、注氮泵站司機、注氮工必須攜帶測氧儀。注氮司機在注氮設備的下風側測量風流中氧氣濃度，當濃度低於20%時，必須停止注氮設備運轉，查找泄露源並及時彙報通風調度，進行處理。
3、建立注氮防滅火記錄台帳，每班由注氮組當班組長負責填寫注氮防滅火記錄表。
4、接班後，全麵檢查維護注氮泵站及注氮管路係統，確保設備完好。及時衝洗、清理設備上的浮煤。
5、一切正常後，開啟空壓機：
（1）按啟動按鈕；
（2）撥動載荷開關至加載狀態；
（3）觀察是否異常。
6、當淨化空氣壓力表指示值>0.6MPa時：
（1）按製氮機啟動按鈕，設備進入自動運行階段；
（2）開啟流量計下遊球閥，調節流量值到所需數值；
（3）當氮氣濃度>97%時，將產氣閥切換到送氣管路。
7、注意事項：
（1）每10～20分鍾開啟各排汙球閥，排出水分（非常重要）；
（2）隨時觀察空壓機和製氮機的運轉情況。
8、關機操作：
（1）撥動載荷開關至卸載狀態；
（2）按製氮機停止按鈕，設備處於停止狀態；
（3）手動排淨吸附塔內的壓縮空氣；
（4）關閉各設備電源和水源。
9、注氮結束後，電話彙報當班組長，兩端同時關閉閥門，方可停機。
10、當班組長必須對注氮效果進行檢查，嚴防漏注，發現漏注必須及時進行補注。
11、每天工作結束後，必須關閉開關，切斷電源。填寫注氮防滅火記錄表，並進行簽字。
12、通風科、綜采隊的跟班隊幹下井必須對該麵的注氮效果進行檢查，發現問題及時處理。
13、製氮裝置使用嚴格執行《煤礦安全01manbetx
》、《煤礦用氮氣防滅火技術規範》（MT/T701-1997）及使用說明書要求。
14、注氮工程結束後，礦總工程師要組織有關人員對注氮前、後的滅火效果進行分析、評價。
15、注氮防滅火記錄表附後。
七、注意事項
1、注氮司機不得擅自離崗，不得任意開停製氮機。
2、注氮組要經常注意製氮機運行狀態，要經常檢查製氮機各部位接頭、管路的密封情況，加強維護。發現異常及時處理；當發生故障又無法處理時，應先停機，並通知注氮管路監測人員關閉各注氮支管閥門，故障排除後，應通知注氮管路監測人員，打開原規定的注氮支管閥門，待得到閥門開啟確切消息後，才允許啟動製氮裝置。
3、注氮工要經常檢查注氮主管與支管的運行狀態，隨時記錄各注氮支管孔板流量計的注氮量與注氮壓力，發現有泄漏及時檢修處理。當注氮主管或支管發生崩管時，要及時通知製氮機站，關閉製氮機，停止輸氮，。
4、注氮組組長要認真作好製氮裝置的運行記錄，每小時記錄一次製氮壓縮機的壓力和溫度，每兩小時記錄一次製氮機出口氮氣壓力，流量和濃度。
5、製氮機長期停用時，應分別將吸附塔、氮氣儲罐、空氣儲罐的壓力排泄，因分子篩怕油、水、粉塵的汙染，應定期排泄水分和油分。
6、注氮機組司機必須密切注意注氮機的壓力表及氮氣濃度的變化情況，如壓力和濃度發生突然變大、變小，要及時停機，並關閉機組閥門，停止往外輸出氮氣。
7、人員吸入氮氣處理措施
氮氣為無色無臭氣體，化學性質不活潑，不燃，微溶於水、乙醇。空氣中氮氣含量過高，使人員吸入氧氣分壓下降，會引起缺氧窒息。氮氣泄露，人員吸入氮氣濃度不太高時，最初感覺胸悶、氣短、疲軟無力；繼而有煩躁不安、極度興奮、亂跑、叫喊、神情恍惚、步態不穩，可進入昏睡或昏迷狀態。吸入高濃度，患者可迅速昏迷、因呼吸和心跳停止而死亡。
現場急救措施為：吸入氮氣後，迅速脫離現場至空氣新鮮處；保持呼吸道通暢，感覺呼吸困難者立即使用壓縮氧自救器；如呼吸心跳停止，立即進行人工呼吸和胸外心髒按壓術。初步的急救措施實施後，立即升井就醫。
8、避災路線
當采空區發生自然發火或注氮管路發生泄漏無法現場處理時，立即彙報礦調度，由跟班隊長、安全員、瓦檢員帶領人員迅速沿以下路線撤出：工作地點→23103材料巷→23103輔運聯絡巷。
