南山煤矿通风区 黑龙江鹤岗 154100
摘要：根据最新资料，按《煤矿安全规程》第228条“煤的自燃倾向性等级分类”，南山煤矿采煤层皆有自燃发火倾向，18号煤层自燃倾向性为容易自燃发火煤层。煤矿呈现“越采越深、越采越空、越采越难”的局面，火灾灾害给安全生产带来的压力越来越大，所以矿井通风在煤矿安全防止方面变得尤为重要。基于此，本文主要对易自燃特厚煤层与冲击地压灾害耦合矿井注氮防火设计进行分析探讨。
关键词：易自燃特厚煤层；冲击地压灾害；耦合矿井；注氮防火设计。
前言
向采空区连续注入氮气，防治煤的自燃是一种有效的防火技术措施。南山煤矿始建于1937年，1949年～1957年为建设恢复期，设计生产能力130万吨/年。经多次系统升级和环节改造，核定生产能力为300万吨/年。矿井为斜井群改扩建建立，立井单水平上下山开拓，采用走向长壁采煤法，综采放顶煤工艺，全部垮落法管理顶板。
1、矿井通风情况及主要灾害分析
1.1矿井通风情况
矿井有完善独立的通风系统，通风方式为两翼对角抽出式，通风方法为机械式通风，矿井共设4个入风井，两个排风井，即南风井、北风井，使用四台主扇，其中二台运转，二台备用。采煤工作面均采用“U”型通风，下顺槽进风，上顺槽回风；掘进工作面均采用压入式通风，采掘工作面实行独立通风。
1.2矿井主要灾害分析
1.2.1瓦斯情况
该煤矿为突出矿井。根据2019年7月份瓦斯等级鉴定结果知：矿井绝对瓦斯涌出量为16.18m3/min，矿井相对瓦斯涌出量为3.35m3/t。
1.2.2煤尘爆炸指数
2018年7月经龙煤瓦斯地质研究院对矿井所采煤层煤尘爆炸性进行鉴定，煤尘具有爆炸性。
1.2.3自然发火倾向
2018年7月经龙煤瓦斯地质研究院对该矿所采煤层自燃倾向性进行鉴定，煤层具有自燃倾向性。
2、33181工作面注氮系统设计
2.1注氮灭火技术可行性分析
33181综放工作面，开采煤层为18煤，属容易自然发火煤层，回采期间采空区会有部分遗煤，容易引起自然发火，做好采空区自然发火防治工作对该工作面具有十分重要安全意义。基于氮气的性质及煤的氧化机理，向工作面采空区注入氮气后，可以有效降低采空区内氧含量，并形成氮气惰化带，使采空区遗煤因缺氧无法氧化自燃，从而达到防止采空区遗煤自燃的防火目的。
2.2供氮能力、输氮管路的计算与选取
2.2.1注氮需要量的计算：
由于采空区空间较大，若注氮量不足则无法完全达到降氧的目的，无法实现防火效果，若注氮量太大则又容易造成浪费，甚至导致氮气溢出至工作面影响职工安全，因此氮气注入量需要进行详细计算。
首先对制氮设备的供氮能力进行计算：
式中：D——注氮管内径，m；Q——管内氮气流量，取4.5m3/min；V——氮气在管内的平均流速，取13m/s。计算D=0.0857m=85.7mm
以上计算结果为临界流速管径，实际流速管径应略大于临界流速以保证氮气的输送和获得最经济的管径。故工作面注氮管路选择管径为100mm的钢管。
2.2.3注氮能力验算
制氮机供氮能力：注氮实际效果及一定的安全备用系数（1.2～1.5），考虑1.3的备用系数。则QMAX＝1.3×270.17＝351.22m3/h。
根据输氮管路的直径应满足最大输氮流量和压力的要求。供氮压力能否满足要求，按下式进行计算：
式中：P1——管道供氮压力，MPa；P2——管路末端的绝对压力，取0.2MPa；QMAX——最大输氮流量，取351.22m3／h；D0——基准管径，150mm；Di——实际输氮管径，100mm；Li——相同直径管路的长度，取2.54km；λ0——基准管径的阻力损失系数，0.026；λi——实际输氮管径的阻力损失系数，取0.029。经计算P1=0.23MPa目前12采区制氮机房制氮机单台流量为1000m3/h，压力0.6Mpa，注氮能力满足要求。
2.3注氮防灭火工艺和方法
该煤矿在主井地面工业场地建有制氮机房，安装有PSA－1000型变压吸附制氮机两台，单台流量1000m3/h，主要担负向井下12采区输送氮气。氮气通过主井、12采区皮带大巷、12采区回风下山铺设Φ100mm管道，回采工作面敷设Φ100mm管道，至12采区各防灭火工作地点。下隅角密闭与下隅角注氮：在工作面下隅角砌袋墙密闭；在下隅角袋墙以里预埋管路注氮气，减少破碎煤体周围的氧气并利用氮气的惰性延长煤的自然发火期。
2.4安全风量验算
氮气本身虽无毒，但具有窒息性，对人体有害。为防止注氮时氮气溢出，工作场所的氧气浓度不得低于18.5%，否则应立即停止作业撤除人员，同时调整风量或停止注氮。注氮地点及与其相连巷道的安全通风量，按以下公式计算：
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式中：Q0——工作场所的安全通风量，m3/min；
QN——最大氮气泄漏量，取4.5m3/min。
CN——泄漏氮气中的氮气浓度，取98.33%
C1——工作面或巷道中原始氧气浓度，一般取20.8%；
C2——工作场所的安全氧浓度指标，18.5%
则：Q0=31.43m3/min
按工作场所安全氧浓度指标18.5%的要求，经计算，此时巷道的安全风量应为31.43m3/min，则工作面配风量需满足安全风量要求，确保安全。
2.5注氮防灭火的实施效果
2.5.1通风部门每天应在井下氮气使用地点预设的三通阀门处（如：采煤工作面下巷氮气管内）采集氮气气样，对气样进行化验，分析氮气浓度及气体成分，发现气样异常及时汇报。
2.5.2按规定在上巷回风流、工作面安装CO探头，对工作面CO进行监测，分析CO气体情况，验证工作面注氮效果。
2.5.3通风部门每天在工作面上隅角处采集气样，进行化验，分析氧气浓度及气体成分，当氧气浓度低于18.5%时，应立即组织撤人，减少、停止注氮，大于18.5%时，开始注氮。
2.5.4注氮过程中，要随时巡视管路系统，发现有漏气要及时处理。
3、结论
本设计的编制遵循“系统完善、装备精良、技术先进、管理规范”的原则，立足于科学性、针对性、可操作性。在生产过程中，依照设计指导工作面防灭火综合治理工作，持续加大火灾防治工作力度，积极开展火灾防治研究，不断提高防治水平，继续探索完善适合该煤矿火灾防治行之有效的新思路、新方法，确保矿井实现安全持续发展。
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