我礦23103工作面即將開始回采，工作面通風系統為材料巷進風，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、范圍廣、空間大，加之所采13#煤自燃傾向性等級為Ⅱ類，工作面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月編制的《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，能有效的保證工作面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，特編制如下專項設計。
??????? 一、工作面概況
??????? 1、采煤工作面位置：
??????? 工作面位于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、工作面有關參數
??????? 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°。
??????? 工作面傾斜長： 214.34m。
??????? 一、注氮防滅火方案
??????? 1、注氮防滅火措施的適應性和有效性分析
??????? 氮氣是一種無色、無味、無嗅、無毒的氣體。由于氮氣分子結構穩定，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，可抑制煤炭的氧化自燃；氧氣含量降至3％以下時，可以完全抑制煤炭等可燃物的陰燃與復燃。用氮氣防滅火和阻止瓦斯爆炸的過程稱為惰化，惰化后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并將氧氣排擠出去，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后，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。
??????? 基于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，從而達到抑制采空區自燃和安全開采的目的。
??????? 因23103工作面采空區遺煤較多、范圍廣、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、工作面及采空區氧氣監測措施。
??????? 2、氮氣來源選取的技術經濟分析
??????? 目前，工業制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。煤礦井下移動式制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月編制的《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系統使用情況，本設計采用DT型煤礦用移動式碳分子篩制氮裝置（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。注氮量主要取決于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。由于煤礦條件千差萬別，目前注氮量只能按待注地點的幾何體積、工作面的產量、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范》（MT/T701-1997）第7.1條的規定：制氮設備或裝置的供氮能力應按礦井注氮工作面防火需要選取，供氮能力（1個工作面注氮量）可按下式計算：
??????? 式中：QN--供氮能力，m3/h；
??????? K--備用系數，取1.2；
??????? Q0--采空區氧化帶內漏風量，m3/min；采空區氧化帶的范圍受工作面的通風狀況、采空區的冒落等諸多因素的影響而在很大的范圍內變化，因此采空區氧化帶的漏風量的變化范圍也較大，此范圍內的漏風量一般按工作面風量的1/60～1/100選取；采取堵漏風措施后，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，因為氧化帶的范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，此值的范圍一般為7%～10%。根據《煤礦安全規程》中的規定：采用氮氣防火注入的氮氣濃度不得低于97%，注入后采空區內氧氣濃度不得大于7%，所以此值取7%；
??????? N--注入氮氣的氮氣濃度，%；根據《煤礦安全規程》中的規定：采用氮氣防火注入的氮氣濃度不得低于97%，注入后采空區內氧氣濃度不得大于7%。同時根據《煤礦用氮氣防滅火技術規范》（MT/T701-1977）第7.2條的關于氮純度的規定“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于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，然后逐漸降低注氮強度。若采用開放式注氮方式，則滅火注氮量需求更大。因此選擇制氮能力為1000m3/h DT-1000/6型煤礦用移動式碳分子篩制氮裝置一套。
??????? （2）輸氮管路的選取
??????? 根據《煤礦用氮氣防滅火技術規范》(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（此值不應低于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系數，0.026；
??????? λi--實際輸氮管徑的阻力損失系數，對于不同的鋼管直徑，則有如表1的關系：
??????? 在實踐中，輸氮管路一般均選擇50～l00mm管徑的鋼管，因23103工作面最遠注氮距離達2700m，制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面注氮防滅火的要求。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，并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于兩點，不允許在管路上堆放他物。低洼處可設置放水閥。
??????? ② 輸氮管路的分岔處應設置三通截止閥及壓力表。
??????? ③ 輸氮管路應進行防銹處理。
??????? 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范》(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--工作面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面，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，保證風量處于安全風量以上。
??????? 二、注氮防滅火工藝和方法
??????? 1、制氮設備
??????? 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制氮裝置，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）電控系統電壓： 127V
??????? （7）裝機功率： 370kW
??????? （8）外形尺寸： 3800×1700×2150mm×4（制氮裝置）
??????? 3800×1380×2000mm×2（空壓機）
??????? （9）總 重 量： 12.05t
??????? 2、注氮系統與制氮設備的安裝要求
??????? 移動制氮機安設地點位于23103材料巷外段的制氮機安設硐室中，管路從23103材料巷敷設至工作面端頭埋入采空區。制氮裝置列車從里往外依次為：MOGF32/8-185G型空壓機2臺（一用一備）、空氣緩沖罐車1臺、吸附塔車2臺、儲氮罐車1臺。
??????? 制氮機安設硐室應滿足以下要求：
??????? （1）制氮裝置中的電氣設備，必須取得《防爆檢驗合格證》。
??????? （2）制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）制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）安裝制氮裝置的硐室平、直而且支護良好；巷道頂及兩幫均用水泥砂漿噴涂加固，水泥砂漿厚度不小于2～3cm，底板用水泥砂漿抹平并留有專用水溝。
??????? （5）制氮裝置硐室內必須掛有完善的管理牌板。
??????? （6）制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面進風側，注氮釋放管口應處于采空區氧化帶內。參考煤炭科學研究總院沈陽研究院2010年5月編制的《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面50m（48m）。沿材料巷向采空區埋設一條注氮管路，隨工作面推進50m后開始注氮，同時埋入第二條注氮支管，當推過第二條注氮支管50m后，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。