一、實施背景
??? 綜采放頂煤開采方法是當今我公司15#煤層的主要采煤方法。與分層開采相比較，不但可以大幅度提高采煤工作面的單產(chǎn)，而且還能降低噸煤掘進率和工作面的搬家次數(shù)，降低噸煤成本實現(xiàn)高產(chǎn)高效。但從防治采空區(qū)自然發(fā)火的角度來看，由于綜采放頂煤工序較多，推進速度相對較慢，回采率較低，采空區(qū)丟煤較多，漏風空間較大等，這些因素都明顯增加了采空區(qū)自然發(fā)火的危險。而綜采放頂煤開采所形成的采空區(qū)空間體積較大，使得注粉煤灰漿、噴灑阻化劑等防滅火措施難以取得預期的效果。
??? 二、目的和任務
??? 注氮防滅火技術是防治綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火的有效方法之一。由于氮氣比空氣輕，所以當?shù)獨庾⑷氩煽諈^(qū)后，不但可以向上浮動而且可以向四周擴散并充滿整個采空區(qū)，降低采空區(qū)的氧氣濃度，從而達到抑制采空區(qū)自然發(fā)火的目的。
??? 三、實施方案依據(jù)
??? 采用注氮防滅火技術防治綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火，首先要掌握采空區(qū)的“三帶”分布狀況，它對于選擇合理的注氮防滅火工藝是至關重要的。因此要求我們在實施注氮防滅火工作之前，首先要觀測分析出綜采放頂煤工作面開采區(qū)域的采空區(qū)“三帶”分布規(guī)律，從而相應地做出注氮防滅火工藝設計，使氮氣注入到采空區(qū)最容易自然發(fā)火的區(qū)域，并且形成合理的氮氣惰化帶，達到抑制采空區(qū)自然發(fā)火的目的。
??? 3.1采空“三帶”分布規(guī)律
??? 3.1.1、采空區(qū)“三帶”概述
??? 對于非充填采空區(qū)的回采工作面來說，隨著工作面向前推移，切頂線之后附近的采空區(qū)頂板逐漸開始垮落，在這一范圍內(nèi)形成比較松散的冒落區(qū)，因而漏風比較嚴重。這一區(qū)域內(nèi)的浮煤在氧氣的作用下開始發(fā)生氧化反應，并釋放出微量的熱量。但由于該區(qū)域漏風量較大，氧化所產(chǎn)生熱量的絕大部分被風流帶走，因此無法積聚，從而不能發(fā)生自然發(fā)火。這一區(qū)域就是通常所說的“散熱帶”。
??? 隨著工作面的繼續(xù)推移，這些松散的冒落區(qū)也逐漸被壓實，其間的漏風通道減小，漏風量亦隨之減小。此時的漏風，一方面攜帶著足夠的氧氣供給浮煤，保證浮煤氧化的繼續(xù)進行，另一方面適量的微風已不能過多地帶走氧化所生成的熱量。這樣氧化熱可以不斷積聚，反過來又為浮煤的氧化提供了能量，加速浮煤的氧化，使煤的氧化反應不斷地加速，最終發(fā)展到加速氧化和激烈氧化階段，直到出現(xiàn)明火燃燒現(xiàn)象。這一區(qū)域就是“氧化帶”。
??? “氧化帶”再往里延伸，冒落區(qū)已基本壓實，漏風也基本消失。漏風流經(jīng)“氧化帶”時，其中所含的氧氣已大大消耗，再加之只有很少一部分漏風能抵達這一壓實區(qū)域。因此，這一區(qū)域內(nèi)的遺煤由于漏風供氧不足而處于窒息狀態(tài)。為此這一區(qū)域被稱為“窒息帶”。如下圖所示。
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??? 3.1.2、采空區(qū)“三帶”劃分
??? “散熱帶”與“氧化帶”之間的主要區(qū)別主要是看漏風量的大小能否形成聚熱條件，如果漏風量過大，破壞了聚熱條件，則處于“散熱帶”范圍。如果漏風量適中，具備了聚熱條件，則處于“氧化帶”范圍。因此“散熱帶”與“氧化帶”之間的界線應以漏風量作為主要指標來劃分。在實踐中我們通常選取O2濃度>18%作為“散熱帶”的劃分范圍。
??? “氧化帶”與“窒息帶”之間的主要區(qū)別是看浮煤周圍的氧氣濃度能夠否滿足采空區(qū)浮煤氧化的需要，這就有一個臨界氧濃度的概念(即能夠使浮煤氧化自燃的最低氧濃度值)。如果浮煤周圍的氧氣濃度高于臨界氧濃度，浮煤的氧化就能夠持續(xù)進行，此時則處于“氧化帶”范圍。反之，如果浮煤周圍的O2濃度低于臨界O2濃度，浮煤的氧化就會因缺氧而停止，此時則處于“窒息帶”范圍。因此，確定“氧化帶”與“窒息帶”的劃分范圍應以臨界氧濃度為主要指標進行劃分為宜。在實踐中我們通常選取18%≥O2濃度≥10%作為“氧化帶”的劃分范圍。以O2濃度<10%作為“窒息帶”的劃分范圍。
??? 3.1.3、采空區(qū)“氧化帶”自燃危險分析
??? 眾所周知，采空區(qū)浮煤氧化自燃，必須同時具備以下4個條件：①煤層具有自燃傾向性；②具有連續(xù)不斷的供氧條件；③具有持續(xù)的蓄熱環(huán)境；④氧化時間超過自然發(fā)火期。而采空區(qū)“氧化帶”則存在自然發(fā)火的危險性。
??? 采空區(qū)“氧化帶”是指具有一定量的浮煤、氧氣濃度大于臨界氧濃度的區(qū)域。我們也可以這樣理解“氧化帶”的含義：“氧化帶”區(qū)域具有浮煤氧化自燃的條件，但并不一定會自然發(fā)火。因為煤的自燃還需要經(jīng)歷一個緩慢氧化蓄熱和氧化加速發(fā)展的過程，也就是說還需要一定的時間，這就是通常所說的自然發(fā)火期。當工作面以推進速度V向前推進時，工作面后部采空區(qū)中某一點也以相同的速度遠離工作面，這個固定點要在一定的時間(т)內(nèi)依次經(jīng)過采空區(qū)“散熱帶”和“氧化帶”進入“窒息帶”。如果開采煤層的最短自然發(fā)火期為тmin，則當т>тmin時，則時間超過了自然發(fā)火期，采空區(qū)中這個固定點仍位于“氧化帶”內(nèi)，因此采空區(qū)自然發(fā)火的危險性較大；當т<тmin時，則在自然發(fā)火期內(nèi)工作面后部采空區(qū)中這個固定點已經(jīng)進入“窒息帶”，所以采空區(qū)自然發(fā)火危險性較小。因此加快綜放面的推進度，使工作面后部采空區(qū)原“氧化帶”在自然發(fā)火期內(nèi)進入新形成的“窒息帶”內(nèi)，同樣也是防治綜放面采空區(qū)自然發(fā)火的有效方法。
??? 3.1.4根據(jù)其他礦經(jīng)驗，采空區(qū)自燃火災往往發(fā)生在頂板或冒落區(qū)內(nèi)較高的位置，而采用注漿、噴灑阻化劑等常規(guī)防滅火手段，防滅火材料往往不能到達發(fā)火的區(qū)域，起不到有效的防滅火作用。而向采空區(qū)內(nèi)注入氮氣恰恰能夠有效地充填到這一區(qū)域，起到惰化防滅火的作用。
??? 3.1.5注氮防滅火惰化指標
??? 　　采空區(qū)惰化氧濃度指標不大于煤自然臨界氧濃度。
??? 　　惰化滅火氧濃度指標不大于3%。
??? 惰化抑制瓦斯爆炸氧濃度指標小于12%
??? 四、綜采放頂煤工作面采空區(qū)注氮防滅火設備及工藝
??? 4.1注氮系統(tǒng)
??? 4.1.1制氮設備
??? 我國煤礦防滅火目前所選用的制氮設備有：地面固定式深冷制氮氣設備；礦用地面固定式、地面移動式和井下移動式變壓吸附制氮設備，以及礦用地面固定式、地面移動式和井下移動式膜分離制氮設備。按空分原理可將其分為深冷式、變壓吸附式和膜分離式。近幾年來，尤以變壓吸附和膜分離制氮設備在煤礦現(xiàn)場應用得最多。
??? 變壓吸附制氮設備具有流程簡單，控制點僅為2-3個，大大提高了設備的安全運行系數(shù)；配套設備少，體積??；耗氣量小，能耗低；采用了專利新型流程，氮氣回收率高，制氮成本低等特點。