CN112282843A - 一种快速控制采空区氧化带宽度的风流隔断注氮方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种快速控制采空区氧化带宽度的风流隔断注氮方法，在采空区构筑隔离墙可以有效地控制采空区漏风流场的范围，是防止采空区自燃的有效措施；隔离墙设计在综放工作面运顺、回顺隅角的切顶线处，每隔10m砌筑一道；用固体泡沫喷注，高度等于采高；同时在综放工作面进风巷安设注氮系统，管路埋入工作面下隅角采空区内，管口末端设计一个直角转接头连接注氮管路，管路与工作面呈平行状埋入采空区，每隔一段距离开一个花眼，在工作面下隅角采空区前后平行埋设两条管路，前后交错20‑25m，埋入采空区长度到达40‑50m时关闭前一个管路，如此循环直到工作面煤炭采完为止；本发明可以在有效控制漏风的同时，降低氧化带的宽度，从而降低采空区自然发火概率。

Description

一种快速控制采空区氧化带宽度的风流隔断注氮方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全领域，具体涉及一种快速控制采空区自燃氧化带宽度的风流隔断注氮方法。

背景技术

矿井火灾是煤矿生产中的主要自然灾害之一；矿井火灾的危害极大，不仅会损失大量的煤炭资源，而且还会对井下采煤设备造成破坏；同时，矿井火灾会产生大量有毒有害气体，严重危及井下人员的生命安全；并且常诱发瓦斯、煤尘爆炸等事故，容易形成耦合灾害，进一步扩大影响范围。

随着近年来国内广泛地采用综采放顶煤开采技术，生产效率大幅提高，瓦斯涌出量也大幅度减少，但是，客观上也造成了采空区遗煤过多、漏风严重，容易导致自燃火灾的发生，给矿井带来巨大的经济损失和事故隐患；因此，矿井煤层自燃的早期防治技术，成为了制约煤矿安全生产的重点难点问题和亟待研究解决的问题。

自然发火是有自燃倾向性的煤层被开采破碎后在常温下与空气接触发生氧化，产生热量使其温度升高，出现冒烟和发火的现象；煤炭的氧化自燃必须同时具备煤层具有自燃倾向性且呈破碎状态堆积，连续的通风供氧条件和持续的蓄热环境这三个条件；采空区的煤氧化自燃区域划分为三带，包括散热带、氧化带、窒息带；其中散热带供氧充足但漏风速度也较大，因此即便具有很好的氧化生热环境，但因为缺少蓄热条件，所以不易自燃；而氧化带供氧充足，同时受开采的过程的影响，导致采空区氧化带区域的漏风减少，从而形成较好的蓄热环境，因此该区域的煤易自燃；处于窒息带的遗煤受采空区岩石冒落影响，裂隙较小，漏风较为微弱，导致其氧气浓度下难以引起煤自燃；因此控制采空区氧化带的宽度以及漏风状况对防止采空区遗煤自燃来说是至关重要的。

在采空区遗煤自燃防治工作中，由于注氮防灭火具有效果明显且成本相对较低等优点，因此常被作为采空区防灭火的重要技术手段；一方面，采空区注氮可以显著降低遗煤温度，降低采空区氧气浓度，有效缓解采空区漏风，抑制遗煤与氧气反应；另一方面，还可以通过向采空区注氮降低采空区氧化带宽度；但传统的采空区防灭火注氮技术是布置制氮机，利用管道沿着工作面进风巷接到采空区进行埋管注氮，在注氮管路埋入采空区一定长度后开始注氮，同时准备铺设第二条注氮管路，当第二条注氮管路铺设在采空区散热带与氧化带的接触部位时开始向采空区注氮，此时停止第一趟管路的注氮，如此循环进行下去；由于传统方法注氮区域较小，因此不能快速控制氧化带的宽度，且工作面正常供风时，会将氧气送入采空区，造成采空区氧气浓度过高而引起自燃。

发明内容

本发明提供一种快速控制采空区自燃氧化带宽度的风流隔断注氮方法，在采空区运输巷构筑隔离墙可以有效地控制采空区漏风流场的范围，是防止采空区自燃的有效措施；其中，隔离墙设计在综放工作面运顺、回顺的隅角的切顶线处，每隔10-15m砌筑一道2-3m的隔离墙；隔离墙用固体泡沫喷注或采用装满碎煤的草袋子砌筑，向采空区倾斜上下方向的长度延长，至少超过顺槽的宽度，高度等于采高；在构筑隔离墙的同时埋管注氮，输氮管路沿着工作面进风巷连接到采空区，铺设输氮管路进行埋管注氮；在综放工作面进风巷安设注氮系统，管路埋入工作面下隅角采空区内，输氮管路加装三通接头，管口末端设计一个直角转接头，连接注氮管路，注氮管路与工作面呈平行状埋入采空区，注氮管路每隔一段距离开一个花眼，作为出气孔，在工作面下隅角采空区前后交错平行埋设两条管路，前后交错20-25m左右，注氮管路埋入采空区长度到达40-50m时关闭前一个管路，如此循环直到工作面煤炭采完为止；因此，本发明可以在有效控制漏风的同时，降低氧化带的宽度，从而降低采空区自然发火概率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种快速控制采空区自燃氧化带宽度的风流隔断注氮方法，包括砌筑风流隔断墙和注氮技术。

所述的风流隔断墙采用固体泡沫喷注或装满碎煤的草袋子砌筑；隔离墙砌筑在综放工作面运顺、回顺的隅角的切顶线处，每隔10-15m砌筑一道，向采空区倾斜上下方向的长度尽可能延长，需超过顺槽的宽度，所砌高度应等于采高。

所述的新型注氮技术包括了注氮系统、制氮机组、输氮管路、注氮管路、三通接头。

所述的注氮系统布置在综放工作面进风巷，采用下隅角采空区注氮方式惰化采空区，防治遗煤自燃。

所述的制氮机组布置在车厂变电所或采区的集中轨道巷内，选用的制氮机既要满足防灭火注氮流量的要求，又要实现经济技术上的合理性；所制氮气纯度应满足《煤矿安全规程》的规定，制氮机最大流量应大于所需的注氮流量。

所述的输氮管路应按照平、直、稳得原则铺设，铺设时应该尽量减少拐弯，接头连接不要漏气，注氮管路沿地板铺设，每节钢管的支点应为3-5点，禁止在管路上堆放他物，低洼处应设置放水阀，选取的输氮钢管供氧压力应满足输氮工作的需求。

所述的输氮管路与布置在底板处的注氮管连接，工作面自开采线埋设第一趟注氮管路，管路末端连接直角接头，转接另一根注氮管平行于工作面布置，氮气释放口的铺设方位应与工作面保持平行且成直角弯拐向采空区，注氮口的高度必须高于底板的高度，同时在注氮管路每隔一段距离打上花眼，另外为避免在某些情况下注氮管口被砸或堵塞，可以使用木垛或较大的石块等坚固物加以保护，在花眼处可用铁丝网包裹。

所述的三通接头用以连接输氮管路注氮管路，注意连接处要紧密相连，不能有漏气现象发生。

所述的所制氮气纯度应为97%-98%，是根据《煤矿安全规程》中的规定：注入的氮气浓度应不低于97%，注入后采空区的氧气浓度不能大于7%。

所述的制氮机注氮流量，按照照式（1）进行计算：

(1)

式中：Q_N为注氮流量，m³/h；Q₀为采空区氧化带内漏风量，m³/h；C₁采空区氧化带内平均氧浓度，%；C₂为采空区惰化防火指标，%；C₂为注入氮气中的氮气浓度，%；K为备用系数。

一种快速控制采空区自燃氧化带宽度的风流隔断注氮方法，采用风流隔断墙及注氮技术来实现，其具体步骤如下：

步骤一、在综放工作面运顺、回顺的隅角切顶线处每隔10-15m砌筑一道2-3m隔离墙，布置如图1所示；风流隔断墙用以固体泡沫喷注或采用采用装满碎煤的草袋子砌筑，向采空区倾斜上下方向的长度尽可能延长，需超过顺槽的宽度，所砌高度应等于采高。

步骤二、在构筑隔离墙的基础上进行开放方式埋管注氮，将制氮机组布置在车厂变电所或采区的集中轨道巷内，将注氮机与输氮管路紧密相连，输氮管路应按照平、直、稳得原则铺设，铺设时应该尽量减少拐弯，接头连接不要漏气，注氮管路沿地板铺设，每节钢管的支点为3-5点，禁止在管路上堆放他物，低洼处应设置放水阀或放水器。

步骤三、按照以上原则输氮管路沿着工作面进风巷接到采空区，在输氮管路的分岔处设置好三通接口、截止阀。

步骤四、输氮管铺设到距离工作面 20-25 m 为止，与布置在底板处的注氮管路相连接。注氮管路设置长度为20-25 m，布置时注氮口的高度必须高于底板的高度，为了避免在某些情况下注氮管口被砸或堵塞，可以用使用木垛或较大的石块等坚固物加以保护；从注氮管末端使用直角接头连接另一根注氮管路，拐向采空区，与工作面平行，管路长度设置为50-80m，在长度上间隔0.3 -0.5m连续打花眼，孔径为30-40 mm，所有孔连续均匀分布排列，在花眼处可用铁丝网包裹妥当；这样既可以有效增大注氮扩散面积，同时也保护钢管不会轻易被垮落的岩石砸变形。

步骤五、在工作面下隅角采空区前后交错平行埋设另一条管路，前后交错20-25m，注氮管路埋入采空区长度到达40-50m时关闭前一个管路，如此循环直到工作面煤炭采完为止。

步骤六、每隔一段时间作业人员需要对氮气输送管路进行试压捡漏作业，制氮装置与注氮管路的管理应该严格执行《煤矿安全规程》及有关机电设备操作规程的规定。

所述步骤四氮气输送管道的直径应满足最大氮气输送流量和压力以及氮气供应压力的要求，按照如下公式进行计算：

(2)

式中：P₂为管末端绝对压力，Mpa；Qmax为最大输氮流量，m³/h；D₀为基准管径，mm；D_i为实际输氮管径，mm；L_i为相同直径管径的长度，m；λ₀为管阻力损失系数；λ_i为实际管径的阻力损失系数。

本发明的有益效果是：在防止采空区自燃的工作中，通过在工作面采空区砌筑风流隔离墙，形成风流绕流现象，从而有效控制采空区漏风流场范围，使其氧化带宽度范围减小；同时在此基础上实施新形态注氮技术，增加采空区注氮范围，实现了快速控制采空区自燃氧化带宽度、降低发火概率的功能；与传统的采空区防自燃技术相比，具有注氮范围广，速度快，工作效率高的特点，明显控制了漏风现象以及采空区自燃氧化带宽度，降低了发火概率。

附图说明：

图1为一种快速控制采空区自燃氧化带宽度的风流隔断注氮方法布置示意图；

图1中各编号依次为：1-进风大巷、2-回风大巷、3-输氮管路、4-注氮管路、5-注氮管路、6-风流隔断墙、7-三通接头、8-直角接头、9-花眼、10-采空区、11-工作面。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1所示，本发明实施例提供一种快速控制采空区自燃氧化带宽度的风流隔断注氮方法，能够快速控制采空区氧化带的宽度，降低采空区自燃发火概率；以下进行详细说明。

实施例为红庙煤矿综掘面采空区，应用本发明快速控制采空区自燃氧化带宽度，主要包括以下过程。

红庙煤矿综掘面位于五采区南翼，开采5-2煤层，煤层厚度7.73m，煤层倾角18°；工作面设计倾斜长160m，走向可采450m，采用走向长壁后退式综采放顶煤采煤方法，全部垮落法控制采空区顶板；工作面开采煤种为老年褐煤，煤的自燃发火期为20天左右，由于采用综采放顶煤技术，采空区遗煤相对较多，有自然发火隐患。

步骤一、如图1所示，在综放工作面运顺、回顺的隅角切顶线处每隔10-15m砌筑一道3m风流隔离墙5；风流隔断墙用以固体泡沫喷注砌筑，向采空区倾斜上下方向的长度延长，超过顺槽的宽度，所砌高度等于采高。

步骤二、在步骤一的基础上进行开放方式埋管注氮，将制氮机组布置在240车场变电所内，将注氮机与输氮管路3紧密相连，沿着工作面进风巷1接到采空区9进行埋管注氮，输氮管路按照式（2）计算应采用4寸钢管，管路按照平、直、稳得原则铺设，铺设时尽量减少拐弯，接头连接避免漏气，输氮管路沿地板铺设，每节钢管的支点为3点，禁止在管路上堆放他物，在低洼处设置放水阀。

步骤三、所述的制氮机的选用应根据制氮能力既能满足防灭火注氮流量的要求，又能实现经济技术上的合理性两个方面，根据式（1）计算注氮流量为345m³/h，所以本矿井选择了DM-400型井下移动式膜分离制氮装置，制氮能力为400m³/h，出口压力不低于0.2Mpa，完全能够满足采空区注氮防灭火的要求。

步骤四、所述输氮管路3应根据式（2）计算输氮管路末端绝对压力为 0.32Mpa，通过验算采用4寸钢管，供氧压力不低于0.4Mpa，不大于1.2Mpa，其管路末端的绝对压力应不低于0.2Mpa。

步骤五、按照以上原则输氮管路沿着工作面进风巷连接到采空区，在输氮管路的分岔处设置好三通接口6。

步骤六、所述的三通接口6用以连接输氮管路3注氮管路4，注意要连接紧密，不漏气。

步骤七、将输氮管3铺设到距离工作面11到20 m为止，将其与布置在底板处的注氮管路4相连接，注氮管路设置长度为20m。

步骤八、从注氮管4末端使用直角接头连接另一根注氮管路5，拐向采空区10，与工作面11平行，管路长度设置为50m，在长度上间隔0.3 m连续打花眼9，孔径为30 mm，所有孔连续均匀分布排列，布置时注氮口的高度高于底板的高度，为了避免在某些情况下注氮管口被砸或堵塞，使用较大的石块加以保护，在花眼处用铁丝网包裹妥当。

步骤九、在注氮系统布置完成后，开启制氮机进行注氮，安设专业人员进行制氮机的操作与维护。

步骤十、在工作面11下隅角采空区10前后交错平行埋设另一条管路，前后交错20m，注氮管路5埋入采空区长度到达40m时关闭前一个管路，停止注氮，同时开启新连接的注氮管路，如此循环直到工作面煤炭采完为止。

步骤十一、所述的输氮管路3注氮管路4设专人负责管路的检查与维护，经常检查注氮管路3与支管运行状态，发现有泄漏处应及时检修。当注氮主管3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。

步骤十二、注氮期间，在工作面11保持相应的通风量和合理调整埋管注氮口位置，以防止氮气泄露到工作面，保证工作面氧气浓度不低于《煤矿安全规程》规定。

步骤十三、现场采用束管系统实测，应用本发明后采空区氧化带宽度较传统方法明显减少，控制了漏风现象，降低了发火概率。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本专利进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明专利各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种快速控制采空区自燃氧化带宽度的风流隔断注氮方法，其特征在于：包括风流隔断墙和注氮技术，所述风流隔断墙和注氮技术包括隔断墙、注氮系统、制氮机组、输氮管路、注氮管路、三通接头。

2.根据权利1所述的一种快速控制采空区自燃氧化带宽度的风流隔断注氮方法，其特征在于所述的风流隔断墙采用固体泡沫喷注或装满碎煤的草袋子砌筑；隔离墙砌筑在综放工作面运顺、回顺的隅角的切顶线处，每隔10-15m砌筑一道，向采空区倾斜上下方向的长度尽可能延长，需超过顺槽的宽度，所砌高度应等于采高。

3.根据权利1所述的一种快速控制采空区自燃氧化带宽度的风流隔断注氮方法，其特征在于所述的注氮系统布置在综放工作面进风巷，采用下隅角采空区注氮方式惰化采空区，防治遗煤自燃。

4.根据权利1所述的一种快速控制采空区自燃氧化带宽度的风流隔断注氮方法，其特征在于所述的制氮机组布置在车厂变电所或采区的集中轨道巷内，选用的制氮机既要满足防灭火注氮流量的要求，又要实现经济技术上的合理性；所制氮气纯度应满足《煤矿安全规程》的规定，制氮机最大流量应大于所需的注氮流量。

5.根据权利1所述的一种快速控制采空区自燃氧化带宽度的风流隔断注氮方法，其特征在于所述的输氮管路应按照平、直、稳得原则铺设，铺设时应该尽量减少拐弯，接头连接不要漏气，注氮管路沿地板铺设，每节钢管的支点应为3-5点，禁止在管路上堆放他物，低洼处应设置放水阀，选取的输氮钢管供氧压力应满足输氮工作的需求；

所述的输氮管路与布置在底板处的注氮管连接，工作面自开采线埋设第一趟注氮管路，管路末端连接直角接头，转接另一根注氮管平行于工作面布置，氮气释放口的铺设方位应与工作面保持平行且成直角弯拐向采空区，注氮口的高度必须高于底板的高度，同时在注氮管路每隔一段距离打上花眼，另外为避免在某些情况下注氮管口被砸或堵塞，可以使用木垛或较大的石块等坚固物加以保护，在花眼处可用铁丝网包裹；

所述的三通接头用以连接输氮管路注氮管路，注意连接处要紧密相连，不能有漏气现象发生；

所述的所制氮气纯度应为97%-98%，是根据《煤矿安全规程》中的规定：注入的氮气浓度应不低于97%，注入后采空区的氧气浓度不能大于7%；

所述的制氮机注氮流量，按照照式（1）进行计算：

(1)

式中：Q_N为注氮流量，m³/h；Q₀为采空区氧化带内漏风量，m³/h；C₁为采空区氧化带内平均氧浓度，%；C₂为采空区惰化防火指标，%；C₂为注入氮气中的氮气浓度，%；K为备用系数。

6.一种快速控制采空区自燃氧化带宽度的风流隔断注氮方法，其特征在于采用风流隔断墙及注氮技术通过以下步骤实现：

步骤一、在综放工作面运顺、回顺的隅角切顶线处每隔10-15m砌筑一道2-3m隔离墙，布置如图1所示；风流隔断墙用以固体泡沫喷注或采用采用装满碎煤的草袋子砌筑，向采空区倾斜上下方向的长度尽可能延长，需超过顺槽的宽度，所砌高度应等于采高；

步骤二、在构筑隔离墙的基础上进行开放方式埋管注氮，将制氮机组布置在车厂变电所或采区的集中轨道巷内，将注氮机与输氮管路紧密相连，输氮管路应按照平、直、稳得原则铺设，铺设时应该尽量减少拐弯，接头连接不要漏气，注氮管路沿地板铺设，每节钢管的支点为3-5点，禁止在管路上堆放他物，低洼处应设置放水阀或放水器；

步骤三、按照以上原则输氮管路沿着工作面进风巷接到采空区，在输氮管路的分岔处设置好三通接口、截止阀；

步骤四、输氮管铺设到距离工作面 20-25 m 为止，与布置在底板处的注氮管路相连接；注氮管路设置长度为20-25 m，布置时注氮口的高度必须高于底板的高度，为了避免在某些情况下注氮管口被砸或堵塞，可以用使用木垛或较大的石块等坚固物加以保护；从注氮管末端使用直角接头连接另一根注氮管路，拐向采空区，与工作面平行，管路长度设置为50-80m，在长度上间隔0.3 -0.5m连续打花眼，孔径为30-40 mm，所有孔连续均匀分布排列，在花眼处可用铁丝网包裹妥当；这样既可以有效增大注氮扩散面积，同时也保护钢管不会轻易被垮落的岩石砸变形；

步骤五、在工作面下隅角采空区前后交错平行埋设另一条管路，前后交错20-25m，注氮管路埋入采空区长度到达40-50m时关闭前一个管路，如此循环直到工作面煤炭采完为止；

步骤六、每隔一段时间作业人员需要对氮气输送管路进行试压捡漏作业，制氮装置与注氮管路的管理应该严格执行《煤矿安全规程》及有关机电设备操作规程的规定；

所述步骤四氮气输送管道的直径应满足最大氮气输送流量和压力以及氮气供应压力的要求，按照如下公式进行计算：

(2)

式中：P₂为管末端绝对压力，Mpa；Qmax为最大输氮流量，m³/h；D₀为基准管径，mm；D_i为实际输氮管径，mm；L_i为相同直径管径的长度，m；λ₀为管阻力损失系数；λ_i为实际管径的阻力损失系数。

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