一种煤矿巷道防灭火系统技术领域
本发明涉及采矿安全，特别是涉及煤矿自燃发火治理。
背景技术
近些年来，随着我国综合放顶煤采煤技术的发展，我国的煤炭产量逐年增加。但是
与此同时，随着综采放顶煤技术的推广应用，矿井的开采强度也越来越大，采空区遗煤也越
来越多，漏风越来越严重。这些因素加大了采空区遗煤自燃的可能性。给矿山的安全生产带
来了极大的挑战。根据相关资料统计分析可以看出，在我国国有重点煤矿中，煤炭自燃火灾
次数占整个矿井火灾次数的90％以上，其中，采空区遗煤自燃次数占整个矿井煤炭自燃火
灾次数的60％以上。因此，对防治采空区遗煤自燃的研究将对矿山的安全生产起到至关重
要的作用。目前，防治采空区遗煤自燃的技术主要有灌浆防灭火技术、胶体防灭火技术、三
相泡沫防灭火技术、注氮防灭火技术等。其中，注氮防灭火技术是防治采空区遗煤自燃最有
效的措施之一。
发明内容
1.一种煤矿巷道防灭火系统，其特征在于，矿用氮气的制备方法主要有深冷空分，
变压吸附和膜分离3种；3种方法的原理都是将大气中的氧气和氮气进行分离来提取氮气；
深冷空分式是使用滤净化后的空气进入空气压缩机，经过数级压缩和冷却后，在净化脱水，
纯净器纯化，膨胀机膨胀降压，经过热交换反复换热，再经节流降压进入分馏塔液化，精馏，
从空气中分离出氮气。可用于煤矿自燃发火治理。
2.根据权利要求1所述一种煤矿巷道防灭火系统，其特征在于，这种方法生产的氮
气纯度高，但是这种方法从开始启动机器到生产出氮气的时间跨度比较长，一般需要8h～
12h，而且机组需要在高压的环境下使用，设备不易维护，耗能较多。
3.根据权利要求1所述一种煤矿巷道防灭火系统，其特征在于，(1)因将注氮管铺
设在进风顺槽中，注氮释放口设在采空区中；(2)氮气释放口应高于底板，以90°弯拐向采空
区，与工作面保持平行，并用石块或木剁等加以保护；(3)氮气释放口之间的距离，应根据采
空区三带宽度，注氮方式和注氮强度，氮气有效扩散半径，工作面通风量，自燃发火期，工作
面推进度以及采空区冒落情况等因素综合确定；(4)选择合理的注氮参数；(5)确定最佳通
风量；其原则是把采空区内的氧气浓度限制到最小程度，氮气浓度达到最大，工作面瓦斯不
超限，不产生浮游煤尘。
4.根据权利要求1所述一种煤矿巷道防灭火系统，其特征在于，确定最佳注氮量，
其原则是在有效防治采空区自燃发火的条件下，氮气使用量最少，最大限度地降低防火成
本；确定最佳注氮释放口，其原则是释放口应位于氮化带的中心部位或设在入风平巷底板
上。
5.根据权利要求1所述一种煤矿巷道防灭火系统，其特征在于，采空区注氮量的确
定：按吨煤注氮量5m3计算：q＝5×A/(300×24)×k；按瓦斯含量计算：q＝60×(Q×C)/(1－
C)；按采空区氧化带含氧量计算：
6.根据权利要求1所述一种煤矿巷道防灭火系统，其特征在于，注氮口位置应该根
据如下条件确定：煤炭自然倾向性的大小和自燃发火期的长短；氮气的有效扩散半径；工作
面通风方式和通风量大小；采空区三带宽度大小；注氮方式和注氮强度大小等。
具体实施方式
1.制氮方法
矿用氮气的制备方法主要有深冷空分，变压吸附和膜分离3种。3种方法的原理都
是将大气中的氧气和氮气进行分离来提取氮气。深冷空分式是使用滤净化后的空气进入空
气压缩机，经过数级压缩和冷却后，在净化脱水，纯净器纯化，膨胀机膨胀降压，经过热交换
反复换热，再经节流降压进入分馏塔液化，精馏，从空气中分离出氮气。这种方法生产的氮
气纯度高，但是这种方法从开始启动机器到生产出氮气的时间跨度比较长，一般需要8h～
12h，而且机组需要在高压的环境下使用，设备不易维护，耗能较多。变压吸附法是20世纪70
年代后新开发的一项技术，利用氮气和氧气的气体扩散速度不同来分离氮气，这种方法工
艺简单，从启动机器到分离出氮气时间较短，但是氮气回收率低，制作成本高。膜分离技术
是最新的制氮技术，这种方法氮气回收率高，但是所需配套设备多，维修量大。
2.注氮防灭火工艺
根据矿井具体条件，可选择如下注氮方式。
注氮从时间上可以分为连续性注氮和间断性注氮，工作面在回采初期和停采撤架
期间，或因遭到地质破碎带，机电设备等原因造成工作面推进缓慢，宜采用连续性注氮，工
作面正常回采期间，宜采用间断性注氮。
根据注氮通道划分有埋管注氮和托管注氮。
埋管注氮是在工作面的进风侧采空区埋设一条注氮管道，当埋入一定长度后开始
注氮，同时在埋入第二条注氮管路，当第二条注氮管路口埋入采空区氧化带与冷却带的交
界部位时向采空区注氮，同时停止第一条管路的注氮，并重新埋设注氮管路，如此循环，直
至工作面采完为止。
托管注氮是在工作面的进风侧采空区埋设一定长度的注氮管，它的移动主要利用
工作面的液压支架，或工作面运输机头，机尾，或工作面进风侧的回柱绞车做牵引。注氮管
路随工作面的推进而移动，使其始终埋入采空区氧化带内。
无论是埋管注氮还是托管注氮，注氮管的埋设及氮气释放口的位置应符合如下要
求：
(1)因将注氮管铺设在进风顺槽中，注氮释放口设在采空区中。
(2)氮气释放口应高于底板，以90°弯拐向采空区，与工作面保持平行，并用石块或
木剁等加以保护。
(3)氮气释放口之间的距离，应根据采空区三带宽度，注氮方式和注氮强度，氮气
有效扩散半径，工作面通风量，自燃发火期，工作面推进度以及采空区冒落情况等因素综合
确定。
(4)选择合理的注氮参数。
(5)确定最佳通风量；其原则是把采空区内的氧气浓度限制到最小程度，氮气浓度
达到最大，工作面瓦斯不超限，不产生浮游煤尘
确定最佳注氮量；其原则是在有效防治采空区自燃发火的条件下，氮气使用量最
少，最大限度地降低防火成本。
确定最佳注氮释放口；其原则是释放口应位于氮化带的中心部位或设在入风平巷
底板上。
3.采空区注氮参数的确定
(1)采空区注氮量的确定
采空区防灭火注氮量可以分别按吨煤注氮量，瓦斯含量，氧化带内氧含量计算，并
按作业场所氧浓度核算。
按吨煤注氮量5m3计算
q＝5×A/(300×24)×k
式中:q-注氮强度(m3/h)；
k-采煤产量占总产量的比例。
按瓦斯含量计算
q＝60×(Q×C)/(1－C)
式中:q-注氮强度(m3/h)；
Q-采面风量(m3/min)；
C-采面回风道中瓦斯浓度(％)。
按采空区氧化带含氧量计算
式中 Q0—采空区氧化带内漏风量，m3/min；
C1—采空区内氧化带平均氧含量，取为15％；
C2—采空区氧化带防火惰化指标，取为7％；
Cn—注氮防火时氮气纯度，取为98％；
k—输氮管路损失系数，为1.1～1.2，取为1.1
n—工作面推进度系数，小于20m/月时为2；20m/月～30m/月时为1.5；30m/月～40m/月
时为1.2；大于40m/月为1；取为1；
r—煤层自然发火期，1～3个月为1.3，3～6个月为1，6个月以上为0.8；取为1.3。
(2)注氮口位置的确定
注氮口位置应该根据如下条件确定：
①煤炭自然倾向性的大小和自燃发火期的长短；
②氮气的有效扩散半径；
③工作面通风方式和通风量大小；
④采空区三带宽度大小；
⑤注氮方式和注氮强度大小等。
4.注氮防灭火注意事项
(1)保证充足的氮气供应。要保证有足够稳定的氮气供应源，一般应有不小于正常
用量的1倍以上的备氮源。
(2)正确选择氮气的输送方式及管网的合理设计。氮气只有被按时按量的送入指
定地点，才能起到有效的防灭火作用。在进行注氮系统的设计时应保证管线达到注入点的
距离应最短，平直使沿程阻力损失最小和管线消耗量小。
(3)选择适宜的注氮技术及工艺。
(4)选择合理的注氮参数。
(5)防止采空区氮气的泄露，氮气泄露一方面对采空区防灭火工作不利，另一方面
有可能造成人员窒息等事故的发生。因此，做好采空区氮气防泄漏工作十分重要。通常，防
止采空区氮气泄露的方法是对采空区及两平巷特别是进风平巷靠近工作面一侧进行封堵。