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我礦23103工作面即將開始回采，工作面通風系統(tǒng)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(qū)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(xué)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(fā)火綜合防治方案設(shè)計》及集團公司其他礦井防滅火經(jīng)驗，采用注氮防滅火措施的有效覆蓋率較高、適應(yīng)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?shù)苈泛筒煽諈^(qū)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(shè)計。
        一、工作面概況
        1、采煤工作面位置：
        工作面位于21采區(qū)北翼，南鄰21采區(qū)三條上山，北部、東部、西部均為實煤區(qū)，上部為8#煤的18107、18109采空區(qū)，平均層間距為46.29m。
        2、工作面有關(guān)參數(shù)
        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(zhì)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(yīng)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，在常溫、常壓條件下氮氣很難與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(fù)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(qū)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(qū)等有關(guān)區(qū)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(qū)中因氧含量不足而將火源熄滅，或者使采空區(qū)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(qū)內(nèi)，注入氮氣能使可燃性氣體失去爆炸性；3）向采空區(qū)或火區(qū)中大量注入氮氣后，可以增加采空區(qū)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(yīng)用。否則，如果注入氮氣的采空區(qū)或火區(qū)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(zhì)及煤的氧化機理，向采空區(qū)及遺煤帶注入氮氣，使其滲入到采空區(qū)冒落區(qū)、裂隙帶及遺煤帶，降低這些區(qū)域的氧含量，形成氮氣惰化帶，從而達到抑制采空區(qū)自燃和安全開采的目的。
        因23103工作面采空區(qū)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(yù)先鋪設(shè)管路、連續(xù)注氮方式，同時應(yīng)采取均壓通風措施、堵漏措施、工作面及采空區(qū)氧氣監(jiān)測措施。
        2、氮氣來源選取的技術(shù)經(jīng)濟分析
        目前，工業(yè)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(jù)煤炭科學(xué)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(fā)火綜合防治方案設(shè)計》及集團公司其他礦井注氮防滅火系統(tǒng)使用情況，本設(shè)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?shù)苈返挠嬎闩c選取
        （1）供氮能力計算
        注氮量是最重要的注氮參數(shù)，直接決定著注氮效果。注氮量太小因達不到惰化采空區(qū)氣體的目的而起不到防火的作用，注氮量太大造成經(jīng)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(chǎn)量、噸煤注氮量、瓦斯量、氧化帶內(nèi)的氧含量進行計算。
        根據(jù)《煤礦用氮氣防滅火技術(shù)規(guī)范》（MT/T701-1997）第7.1條的規(guī)定：制氮設(shè)備或裝置的供氮能力應(yīng)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(shù)，取1.2；
        Q0--采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風量，m3/min；采空區(qū)氧化帶的范圍受工作面的通風狀況、采空區(qū)的冒落等諸多因素的影響而在很大的范圍內(nèi)變化，因此采空區(qū)氧化帶的漏風量的變化范圍也較大，此范圍內(nèi)的漏風量一般按工作面風量的1/60～1/100選??；采取堵漏風措施后，采空區(qū)氧化帶內(nèi)的漏風量取為6m3/min；
        C1--采空區(qū)氧化帶內(nèi)平均氧濃度，%；目前國內(nèi)應(yīng)用較普遍的是將采空區(qū)氧濃度在10～18%之間的區(qū)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(qū)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(zhì)、賦存條件等因素的不同而變化，其具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)實驗室試驗而取得，此值的范圍一般為7%～10%。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》中的規(guī)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(qū)內(nèi)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(jù)《煤礦安全規(guī)程》中的規(guī)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(qū)內(nèi)氧氣濃度不得大于7%。同時根據(jù)《煤礦用氮氣防滅火技術(shù)規(guī)范》（MT/T701-1977）第7.2條的關(guān)于氮純度的規(guī)定“向采空區(qū)注入氮氣的純度要視其能將采空區(qū)的氧濃度降低到煤自燃臨界氧濃度而定。而向火區(qū)注入氮氣濃度應(yīng)不低于97%。”因此取97%；
        根據(jù)以往國內(nèi)外注氮滅火經(jīng)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?shù)苈返倪x取
        根據(jù)《煤礦用氮氣防滅火技術(shù)規(guī)范》(MT／T701-1997)第7.4.1條和7.4.2條的規(guī)定：從井下供氮時，除應(yīng)采用鋼管外，在滿足輸?shù)獕毫Φ那闆r下，可選用耐壓橡膠軟管，但進入采空區(qū)或火區(qū)的管路必須采用鋼管。輸?shù)苈返闹睆綉?yīng)滿足最大輸?shù)髁亢蛪毫Φ囊?。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(yīng)低于0.2MPa）；
        Qmax--最大輸?shù)髁浚琺3／h；
        D0--基準管徑，150mm；
        Di--實際輸?shù)軓?，mm；
        Li--相同直徑管路的長度，km；
        λ0--基準管徑的阻力損失系數(shù)，0.026；
        λi--實際輸?shù)軓降淖枇p失系數(shù)，對于不同的鋼管直徑，則有如表1的關(guān)系：
        在實踐中，輸?shù)苈芬话憔x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(jù)下式計算在此壓力下的注氮主管的最長輸?shù)嚯x為：
        計算得最長輸?shù)嚯x：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?shù)苈吠耆軌驖M足工作面注氮防滅火的要求。采空區(qū)埋設(shè)管路選用Φ100mm的無縫鋼管。轉(zhuǎn)彎處、進風隅角埋管處管路連接采用耐壓橡膠軟管。采空區(qū)埋設(shè)輸?shù)苈凡捎寐菁y管接頭連接，并需有獨立的專用閥門。
        （3）輸?shù)苈返匿佋O(shè)要求
        ① 管路的鋪設(shè)應(yīng)盡量減少拐彎，要求平、直、穩(wěn)，接頭不漏氣。每節(jié)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(shè)置放水閥。
        ② 輸?shù)苈返姆植硖帒?yīng)設(shè)置三通截止閥及壓力表。
        ③ 輸?shù)苈窇?yīng)進行防銹處理。
        ④ 定期對輸?shù)苈愤M行試壓檢漏。
        （4）注氮地點的安全通風量
        根據(jù)《煤礦用氮氣防滅火技術(shù)規(guī)范》(MT／T701-1997)第11.2條的規(guī)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?shù)苈费赝净蚬ぷ髅妫僭O(shè)所輸送1000m3/h的氮氣全部泄漏，能否造成泄漏區(qū)域缺氧。按工作場所安全氧濃度指標18.5%的要求，經(jīng)計算，此時巷道的安全風量應(yīng)為129.01m3/min(取150 m3/min)，通風人員應(yīng)隨時監(jiān)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(shè)備
        根據(jù)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(guān)性能指標參數(shù)如下：
        （1）結(jié)構(gòu)類型： 分體輪軌移動式
        （2）氮氣產(chǎn)量： 1000m3/h
        （3）氮氣純度： ≥97%（可調(diào)）
        （4）氮氣輸出壓力： ≥0.6MPa（可調(diào)）
        （5）電 壓： 660V/1140V
        （6）電控系統(tǒng)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(tǒng)與制氮設(shè)備的安裝要求
        移動制氮機安設(shè)地點位于23103材料巷外段的制氮機安設(shè)硐室中，管路從23103材料巷敷設(shè)至工作面端頭埋入采空區(qū)。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(shè)硐室應(yīng)滿足以下要求：
        （1）制氮裝置中的電氣設(shè)備，必須取得《防爆檢驗合格證》。
        （2）制氮硐室設(shè)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(guān)，硐室應(yīng)設(shè)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(nèi)必須掛有完善的管理牌板。
        （6）制氮裝置硐室內(nèi)必須按規(guī)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(cè)，注氮釋放管口應(yīng)處于采空區(qū)氧化帶內(nèi)。參考煤炭科學(xué)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(fā)火綜合防治方案設(shè)計》，本設(shè)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(qū)埋設(shè)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(shè)注氮管路，以此類推。