十一矿氮气防灭火设计平煤集团十一矿二○○一年十一月十三日1 前言为了使平顶山矿务局11矿的氮气防灭火技术安全可靠,投资省和防灭火成本低,特进行本设计。

本设行的依据为:a.煤层自然发火期:1～2月;b.每年自然发火征兆次数:3～4次;c.工作面产量:2875t/d;d.工作面长度:125m ;e.工作面数量;1;f.工作面回采高度:5.5 m;g.工作面推进度:3.6m/d;h.工作面距井筒距离:900～1900m .本设计的要点为:a.矿井氮气防灭火工艺系统为井下移动式;b.矿井制氮机为膜分离制氮机,其产量为400m3/h;c.矿井工作面采用间歇注氮防火,注氮方法为拖管注氮。

d.矿井工作面输氮管路和埋管的管径均为87 mm。

2 氮气防火的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、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下框图：氮气防灭火的特点为：a.氮气比空气略轻，可以充满封闭范围内的所有空间，特别有利于综放面采空区上部和巷道冒顶区的防灭火。

b.通过管道输送，不需用水，输送方便。

c. 灭火过程中不损坏井巷设备，使灾后恢复工作简单。

d.氮气本身无毒，使用安全。

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

f.灭火速度快，能迅速降低封闭区的氧气含量使火区窒熄。

g.目标注氮时，能迅速降低巷道冒顶区的CO含量，保证灭火人员的安全。

h.提高火区内气体压力，减少火区漏风。

i.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。

3 选择合理的氮气防灭火系统目前，国内外的氮气防灭火系统种类较多，如果选择不当，不仅防灭火效果差，而且系统故障多，成本高，为此，按防灭火有效，经济合理的原则选择平顶山11矿氮气防灭火系统。

目前,国内煤矿已使用的氮气防灭火系统如下框图所示:首先按制氮原理选择平顶山矿务局11矿制氮系统。

深冷式制氮系统由于所占厂房面积大,操作人员多,起动时间长,因此目前选这种系统防灭火的煤矿不多;膜分离制氮系统与碳分子筛变压吸附制氮系统相比,具有起动时间短（约10min），操作人员少（约6～10人），氮气压力高,厂房面积小和体积小等优点，故选膜分离制氮系统为平顶山矿务局11矿制氮系统。

按防灭火形式选：由于移动式和固定式制氮系统的制造成本基本相同,而移动式比固定式服务的矿井多,一旦矿务局其它矿急需灭火,还可支援其它矿灭火,故选为井下移动式。

综上所述，11矿制氮系统选为膜分离井下移动式制氮系统。

4. 建立氮气防灭火系统平顶山矿务局11矿氮气防灭火系统由制氮机、输氮管路和采空区埋管组成。

4.1制氮机制氮机的型号为-400型，由北京长安自动化集团制造，其主要技术指标为：氮气产量（Nm³/h） 400氮气纯度（％）≥97出口压力（Mpa） 0.9起动时间（min） 10装机容量（kw） 185制氮机由气源部份，气源净化部份，制氮部份和氮气缓冲部份组成。

(１)压缩空气源空气经压缩机将压力提高的10.0Mpa。

(２)气源净化处理压缩空气经干燥除水，过滤器除尘和油水分离器除油后，得到洁净的空气。

(３)膜分离系统洁净的压缩空气进入膜组件时，氧气被吸附，氮气流到出口端，连续输出氮气，整个过程由微电脑控制。

(4) 氮气缓冲部份膜组件出来的氮气流入平衡罐,压力稳定后再流入输氮管路。

4.2 制氮站及输氮管路方案一制氮站设在工作面附近进风巷道或洞室,其体积大于:长12m,宽1.8m,高1.7m，制氮机房内设置井下移动式膜分离制氮机一台，制氮站应满足制氮机185Kw用电和压缩机冷却用水的要求。

输氮管路的敷设路线为：井下制氮站→工作面进风顺槽（Φ89mm）→采空区埋管（Φ89mm×10mm厚壁地质管）。

方案二由于工作面离井口近(仅2000m ),制氮机出口压力高达0.9Mpa,因此可将制氮站设在地面井口或风井口附近,当需要注氮时,制氮机出来的氮气通过灌浆管路输送到顺槽输氮管路再通过采空区埋管注入采空区,如果工作面采用埋管注浆,则制氮机与注浆管路相连,即可将氮气注入采空区。

两种方案比较:将制氮站设在井下,有专用的输氮管路,注氮时不影响注浆,但井下空气湿度大,对制氮机的维护要求高;地面制氮站输氮管路与注浆管路合用一趟,注氮时不能注浆,但地面空气较好,更适合制氮机制氮,且操作和维修均比地面方便;从防灭火工艺考虑,注浆时间短,注完浆后可以立即恢复注氮,因此本设计倾向将制氮站设在地面的方案。

输氮管路的管径由下式计算:D=145.7(Q max/v)=145.7(6.6/15)=64mm式中: Q max---最大注氮流量,m3/h;D---注氮管路最小直径,mm;v---管道内氮气允许流速,为15m/s根据计算,选取管径为89mm,壁厚为4 mm的无缝钢管为11矿氮气防灭火输氮管路。

5 氮气防灭火参数5.1 氮气纯度及惰化指标(１)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％。

(2)氮气灭火纯度：根据重庆煤科院实验室考察，火区明火在氧气含量为3％时能阴燃，故注入火区中的氮气纯度应高，根据制氮机不能制取高纯度氮气的特点，将灭火氮气纯度定为≥98.5％。

(３)采空区氧化带防火惰化指标：由于工作面风量较大,采空区氧化带较宽,根据重庆煤科院实验室煤样氧化试验,在氧浓度≤10％时,能抑制煤样氧化,因此将采空区氧化带惰化指标定为氧浓度≤10％。

(４)火区惰化指标：进风密闭内氧气浓度≤３％（停氮时），回风密闭内氧气浓度≤２％。

5.2.4.2氮气防灭火注氮流量采空区防灭火注氮流量必须在试验工作面防灭火注氮实践中考察，但在考察之前的注氮防火中和在确定制氮机的制氮能力时，都必须有依据，为此必须先计算注氮防火所需的理论流量。

a.按采空区氧化带氧含量计算Q N=60Q0（c1-c2）/（c N+c2-100） ---------(1)式中：Q0－－采空区氧化带内漏风量，根据经验，按工作面风量的1/100取，取为10m³／min；c1－－采空区内氧化带平均氧含量，取为15％；c2－－采空区氧化带防火惰化指标，取为10％；c N－－注氮防火时氮气纯度，取为98％；将以上数据代入（1）式得出：Q N=60×10×(15-10)/(98+10-100)=375 m³/hb.按采出空间计算按采出空间计算的实质就是向采空区注入一定流量的氮气,惰化每天采煤所形成的空间体积,使其氧气浓度降到惰化指标所需的注氮流量,可按下式计算:Q=A/24rtk1k2×(c1/c2-1) ---------(2)式中:Q—注氮流量 m3/h;A—年产量,取为900000t;t—年工作日,取为300d;r—煤的容重,为1.32t;k1 --管路输氮效率,取为0.9;k2 --注氮效率,取为0.8;c1 --采空区氧化带平均氧含量,取为15%;c2 --采空区氧化带防火惰化指标,为10%将以上数字代入(2)式,计算得:Q=900000/1.32×300×0.9×0.5×24×(0.15/0.1-1)=420m3/h(２)灭火注氮流量封闭注氮扑灭采空区火灾时的注氮量按公式（3）计算： Q N= nQ0c1/c2-Q0 -------------------(3)式中：Q N－－灭火注氮量；Q0－－火区体积；n---回采率,取为0.85;c1－－火区原始氧含量，根据实际经验，取为6％；c2－－灭火注氮的氧气含量惰化指标，取为3％，火区体积Q0按下式计算：Q0＝（a＋b＋c）sh （3）式中：a－回采工作面宽度，７m；b－采空区冷却带宽度，取为20m；c－采空区氧化带宽度，取为60m；s－回采工作面长度，125m；h－回采高度，5.5m；将以上数据代入（２）、（３）式得出：Q0＝0.85(7＋20＋60)×125×5.5＝50840 m³Q N＝50840×0.06/0.03-50840=50840 m³灭火时间取为5d（120h），则灭火注氮流量为423 m³／h。

综合几种公式计算结果,选取11矿防灭火注氮流量为400m³/h。

6氮气防灭火方法6.1 氮气灭火方法矿井火灾的发生是一个复杂的过程，火灾发生的原因不同，地点不同，发火严重程度不同，注氮灭火的方法亦不同。

平顶山矿务局11矿各类型的火灾可采取下列注氮灭火方法。

巷道冒顶区发生高顶火灾时，采取向冒顶区插管或打钻孔目标注氮灭火；当火势较大，灭火人员不能进入巷道目标注氮灭火时，则封闭巷道注氮气灭火；当采空区发生火灾时，可临时封闭工作面注氮气灭火。

6.1.1 巷道目标注氮灭火技术目标注氮灭火工艺为：巷道发生煤层自燃，不封闭巷道，直接向火源打钻注氮，氮气释放口离火源目标的距离不超过5m，钻孔打在火源的进风侧，孔距为2m，注氮流量为400m3/h,在火源的回风侧可打1～2个钻孔作为取样孔，通过取样孔监测火源的气体和温度值。

目标注氮的时间一般为2～4d,在注氮时必须连续注氮，在目标注氮时，工作面照常生产。

目标注氮的优点为：巷道冒顶区自燃时,如果火源及高温煤体面积较大,位置较高, 火源较隐敝,会给灭火带来很大的难度,因为注凝胶需打钻孔, 钻孔在短时间内很难全部到位控制整个火区,而此时如果插管注氮,即使氮气释放口离火源有一段距离,由于氮气比空气略轻,会迅速向上扩散到整个冒顶区,抑制火势的发展，迅速降低火源的温度和CO气体含量，虽然目标注氮不能彻底扑灭火源，但目标注氮能抑制火势的发展，为打钻注凝胶营造宽松的时间。

6.1.2 巷道封闭注氮灭火技术巷道内突然发生大火，不能用常规方法扑灭时，为防止火势扩大，应立刻封闭巷道注氮气灭火。

灭火时先将通往火灾地点的支巷口封闭，待输氮管路接通后再封闭主要进、回风口。

在发生火灾时，应尽早封闭火区，以保持封闭范围最小，为了抑制火势的发展，可先用板闭临时封闭火区注氮，迅速降低火区内氧气含量和扑灭明火，并同时在板闭外构筑砖闭，在砖闭上应分别设置注氮管（位于砖闭下部）、取气管（位于砖闭上部）和水柱计管（位于砖闭上部）。

火区经过连续注氮，当火区一氧化碳气体含量降为0，进风密闭内氧气含量降到3%以下，回风密闭内氧气含量降到2%以下时，可由救护队员在锁风状态下进入火区侦察，如果火源还有余温，则应立即用水浇灭高温煤炭，因为用氮气降温是不经济的。