煤矿液氮防灭火、降温一体化技术装备与应用研究＊

马灵军 李玉民 周光华 董 伟 史波波

（1.神华宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏回族自治区银川市，750011；2.神华宁夏煤业集团有限责任公司羊场湾煤矿，宁夏回族自治区灵武市，751409；3.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116）

近年来，随着煤炭高强度、集约化开采的推广应用，浅部资源日益减少乃至枯竭，我国煤炭资源开采已相继进入了深部开采阶段。深部煤岩体的力学行为表征更趋复杂，煤岩破碎程度更高，破碎范围大，为自然发火提供了供氧、蓄热条件，煤炭自然发火更加频繁。随着采深增加，地温增高，煤层原始温度也越高，相应自然发火期缩短。随着围岩层温度的增高，改变了自燃的蓄热条件，煤体与环境风流温差进一步加大，增大了漏风供氧动力热风压，导致煤体自身的耗氧速度和氧化放热强度增加，最终导致煤体自燃危险性增大。所以，将矿井防灭火与降温工作协同处理，开展灾害防治的技术与装备的研究，对我国煤矿的安全生产具有重要的示范作用及推广应用价值。

1 液氮防灭火、降温的可行性

液氮具有降温、抑爆、窒息、安全可靠、操作简单等优点，因此，液氮作为一种高效的防灭火剂具有可行性，已在我国煤矿防灭火工作中试验并加以利用。如神华宁夏煤业集团与中国矿业大学合作，应用液氮进行矿井防灭火工作。

在矿井降温方面，液氮作为一种冷媒，汽化过程中需要从外界吸收大量的热量，即本身释放出大量冷能。每汽化1Nm3的液氮，空气可以从中获得约327kJ的冷能。液氮与其他制冷剂的物性参数对比如表1所示。

表1 常压下饱和液氮物性与其他制冷剂的比较

2 防灭火、降温一体化装备的设计

2.1 系统的设计原理

2.1.1 矿井降温

矿井降温采用空浴式的液氮换热装置，液氮通过换热装置的管道及星型翅片与矿井中的空气进行热交换，即液氮通过该装置从空气中吸收热量，向空气中释放冷能。矿用空冷式液氮降温装置通常需要安装于矿井的进风巷口，或者在需要局部降温的区域安装局部通风机，能够把冷能带入工作面，从而达到给矿井工作面降温、消除热害的目的。其流程为：地面液氮储罐→地表液氮钻孔→井下液氮硐室→液氮输送管路→空冷汽化器→降低作业环境温度。

2.1.2 矿井防灭火

在矿井防灭火方面，经换热气化后的低温氮气一部分通往采空区，另一部分通往矿井的总回风巷。为确保安全，在工作面回风隅角设有氧气浓度检测仪，当氧含量低于18%时，关闭采空区氮气切断阀，打开进入回风巷氮气的切断阀，将多余氮气引入回风巷系统，之后经回风巷排入大气。经与矿井内空气换冷后的氮气出口温度保证在0℃以上。其流程为：地面液氮储罐→地表液氮钻孔→井下液氮硐室→液氮输送管路→ （空冷汽化器→低温氮气→）工作面采空区防火。

煤矿液氮防灭火降温系统工艺流程如图1所示。

2.2 液氮用量的设计原则

（1）冷量设计用量按照式 （1）的计算方法得到液氮的灌注量：

式 中：q降温＊——降 温 所 需 液 氮 的 灌 注 量，Nm3／h；

Q——矿井所需要的冷量，kJ／h；

cp——空气的定压比热容，kJ／kg℃；

ρ——空气的密度，kg／m3；

V——矿井的通风量，m3／h；

Δt——设计的降温温度，℃；

H——液氮温度汽化为某一氮气温度的焓值，kJ／kg；

MN2——氮气的分子质量；

ξ——液氮冷量损耗系数。

（2）灭火剂设计用量按照式 （2）的计算方法得到液氮的灌注量：

式中：q防灭火＊——防灭火所需液氮的灌注量，Nm3／h；

Q0——采空区氧化带漏风量，m3／h；

C1——采空区氧化带平均氧含量，%；

C2——采空区氧化带惰化指标，%；

CN2——注入氮气的浓度，%。

（3）最终的液氮用量按照式 （3）得到：

式中：q＊——液氮汽化量，Nm3／h。

图1 煤矿液氮防灭火降温系统工艺流程图

3 羊场湾煤矿的工业性试验

3.1 矿井概况

神华宁夏煤业集团羊场湾煤矿位于宁夏回族自治区，是一座设计生产能力为1500万t／a的大型煤矿。其中I、II级热害区大面积存在，平均地温梯度3～4.5℃／100m，所辖一号井12采区下部属于II级热害区域，采煤工作面开采初期气温一般为31～34℃，夏季工作面回风巷道内温度达到34℃，相对湿度达95%以上，尤其是越深的开采工作面，高温热害问题越发严重。加之所采2＃煤层属易自燃煤层，自然发火等级Ⅰ级，自然发火期为1～3 个月，最短自然发火期23d，着火点为305℃，在地温及煤自燃灾害的双重威胁下，矿井的防灭火难题突出。

120205 工作面位于羊场湾井田一号井中部，液氮降温系统运行前，120205 综采工作面配风量1346m3／min，工作面距离停采线160m，现场实测进风流温度21℃，工作面上口温度22℃，工作面回风流温度26℃。

3.2 施工参数的确定

根 据 式 （3） 计 算 需 要 液 氮 汽 化 量10400Nm3／h。空冷式液氮汽化器的技术参数：汽化流量1300Nm3／h，设计温度-196℃，进口温度-196℃，出口温度0℃，设计压力2.0 MPa，工作压力1.6 MPa。为此，需要8 台空冷式汽化器。经过热交换的低温空气用2台2×45kW 的局部通风机送至120205工作面进行降温。液氮汽化后的氮气部分沿管路输送至工作面采空区防灭火，剩余的部分通过管路排至地面。

2012年11月1日-25日，通过液氮降温系统连续注液氮1260t，降温系统运行安全可靠、降温效果明显。液氮降温系统运行期间，在120205工作面共布置3个测点，测点位置分别为工作面进风巷、工作面、回风巷。以11月1日为例，液氮降温系统运行期间通过现场温度计实测，120205 进风巷温度可由21℃降至11℃，降温达到一定程度后，温度稳定在13℃左右，回风流温度可由26℃降至22℃，工作面平均降温6℃左右。通过对11月13日-21日期间，未灌注液氮的试验对比可以看出，进风巷、回风巷以及工作面的温度又重新恢复至原温度，说明液氮的降温效果非常明显，如图2所示。以11 月1 日-2 日为例，工作面湿度由93%降至83%，降温后工作环境得到了明显改善，如图3所示。

地表钻孔输液氮降温及防灭火技术先后在120205工作面实施后，取得了成功实际工程经验和良好的降温效果。综采工作面进风流温度可降低9℃，综采工作面温度可降低6℃左右；经空冷器气化后的氮气温度低于8℃，氮气浓度超过99.99%，与机械制氮相比具有温度低、浓度高的优点，系统运行期间工作面上隅角CO 浓度始终保持在0.00002%以下，采空区 “三带”范围明显缩短，工作面降温及防灭火效果显著。

图2 120205工作面温度变化曲线

图3 120205工作面 （11月1日-2日）湿度变化曲线

4 结论

煤矿工作面采空区采用液氮防灭火系统，不仅丰富了大采高工作面的防灭火技术手段，而且为易自燃煤层防治积累了丰富的经验；由于采用副产品液氮进行防灭火具有原料充足、价格便宜、工艺简单等优点，在节能减排方面社会效益显著，应用前景十分广阔，值得在条件类似的矿井中推广应用，将产生巨大的经济效益和社会效益。

羊场湾煤矿地表钻孔输液氮降温系统电能消耗为零，地表钻孔注液氮降温及防灭火工业性试验项目的成功实施，提供了一种全新型的集矿井降温和防灭火为一体的综合降温方式，填补了国内千万吨现代化矿井热害治理空白，为神宁集团及国内类似的矿井热害治理积累了成功经验。

［1］ 周福宝 .瓦斯与煤自燃共存研究 （I）：致灾机理［J］.煤炭学报，2012 （5）

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