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山西省晋神能源有限公司磁窑沟煤矿10-2#煤层10101综采工作面注氮方案编制单位：磁窑沟煤矿生产科编制时间：2011年2月6日1101综采工作面注氮方案设计审批栏编制人矿长助理生产科副总工程师调度室安监处安检科总工程师机电科生产矿长安全质量监察部矿长公司生产技术部公司总工审批意见2目录第一章矿井概况.................................................................................................................................1第二章氮气防灭火技术及装备.........................................................................................4第一节氮气防灭火原理..............................................................................................4第二节氮气的制取......................................................................................................5第三节氮气防灭火方案..............................................................................................61第一章矿井概况一、地理位置1、交通位置磁窑沟煤业有限公司位于河曲县城东南方向，直线距离18km，西距黄河6.5km，行政区划属河曲县鹿固乡所辖。井田地理坐标东经111°18′03″～111°20′15″，北纬39°16′29″～39°18′31″。井田范围内没有铁路，只有巡(镇)公路、前(川)公路从区内通过，直达本井田的洞沟公路，西行8km到达巡镇，与保(德)～河(曲)公路相接，从本区东行12km可达神(池)～河(曲)干线公路，井田距神河铁路火山煤台21km，沙泉煤台60km，三岔煤台94km，距神朔铁路50km，北到偏关，可达内蒙，南通保德、府谷可达陕西，向东通往朔州、大同，交通较为便利。2、地形地貌磁窑沟井田地处黄土高原干湿过渡带，西临黄河，地势变化总的趋势是东高西低，最高点位于区内杏树梁，标高1202.93m，最低点位于区内东沟河河底，标高为925.00m，最大相对高差278.00m，属中低山区。地面多为新生界黄土及红土覆盖，黄土丘陵是本区地貌形态的主体，以黄土梁峁为主，侵蚀强烈，造成沟谷成“V”字形羽状分布。地面植被稀少，地表冲刷剧烈，区内主要沟谷为东西走向的洞沟～磁窑沟一线。根据河曲县水文站资料，从井田西侧流过的黄河最大流量8000m³/s，最小流量50m³/s,河床坡降0.7%。勘探区中部的洞沟属黄河一级支流，平时无水，干枯，雨季时有洪水流过。县川河为黄河在区域内的最大支流，流域面积1610km²，平均水位882.50m，流量43200m³/d，其他支流为季节性河流。3．气象与地震本区属大陆性气候，据河曲县气象站资料，本井田气候特点是温凉干燥，四季分明，冬季少雪，春季干燥多风，夏季雨量集中，秋季短促凉爽。据统计，年平均气温8.8℃,冬季平均温度-9.4℃，最低气温在1月份，极端最低气温为-26.9℃(1977年、1980年)；夏季平均气温23.9℃，最高气温7月份，极端最高气温38.4℃。年降水量在211.40～714.30mm之间，年蒸发量为1805.70mm，蒸发量一般是降水量的4倍。每年3～4月为风季，风向多为西北风，风力一般3～5级，最大达7级。每年11月至次年3月为结冰期，冻土深度常在1.00m左右，历年最大冻土深度1.45m。2二、含煤地层本井田主要含煤地层为石炭系上统太原组，太原组厚度40.41～120.54m，平均厚度88.90m，含煤8层，可采煤层4层，主要可采煤层为10-1、10-2、11和13号煤层，按其岩性和煤层的特点，三、煤层及煤质㈠煤层1.含煤性磁窑沟井田含煤地层为石炭系中统本溪组(C2b)、上统太原组(C3t)和二叠系下统山西组(P1s)，共含煤11层，其中本溪组含煤2层，太原组含煤8层，山西组含煤1层，太原组为主要含煤地层。本溪组地层最大厚度12.24m，含16、17号2层煤层，厚度分别为0.50m、0.42m，煤层总厚0.92m，含煤系数为7.4%。山西组地层最大厚度78.94m,平均厚度35.10m,含8号煤1层煤层，厚0～1.65m，含煤系数不到1%。太原组地层平均厚88.90m，含煤8层，编号为9、10-1、10-2、11、12、13、14及15号煤厚分别为0.55m、2.68m、5.86m、1.44m、0.35m、11.05m、0.55m及0.20m，煤层总厚26.12m，含煤系数为29.4%。综观上述3组地层的含煤性，以太原组最好。2.可采煤层磁窑沟井田各组地层含煤虽然有11层，但可采只有4层，编号为10-1、10-2、11及13号煤层，其余皆为不可采煤层。①10-1号煤层：位于10号煤层的上半部，煤层厚1.40～4.13m，平均2.68m，纯煤厚度1.20～3.76m，平均2.26m，为稳定中厚煤层。结构较复杂，含矸0～4层，一般情况下，含矸1层，厚0.50m左右。顶底板岩性均为泥岩。2.10-2号煤层：位于10号煤层的下半部，煤层厚4.03～9.50m，平均5.86m，纯煤厚度3.45～7.95m，平均5.18m，为稳定厚煤层。结构较简单，含矸0～3层，普遍含2层矸石，厚度变化大。顶底板岩性均为泥岩。③11号煤层：位于太原组地层的中上部，煤层厚0～3.39m，平均1.44m，纯煤厚度0～3.39m，平均1.44m，为中厚煤层。煤厚变异系数为65%，可采性指数为0.87，属较稳定煤层。煤层结构简单，多数情况不含夹矸，偶见1层夹矸，夹矸最大厚度0.20m。3井田内层位较稳定，大部可采。煤厚变化规律很明显，从井田东南部向西北部逐渐增厚。东南部ZK5、ZK19钻孔煤厚为零，为无煤带，井田其他地区煤厚都在1.30m以上，最厚位于ZK4钻孔，煤厚可达3.39m。顶板岩性为泥岩，底板岩性为粉砂岩。11号煤层下距12号煤层(不可采)0～15.50m，平均7.95m，在12号煤层缺失的情况下，下距13号煤层22.07～51.80m。④13号煤层：位于太原组下部，是本井田的主要可采煤层。煤层厚9.05～16.72m，平均11.05m，纯煤厚度7.15～14.87m，平均9.87m，为特厚煤层。经计算煤厚变异系数为22.3%，可采性指数为1，属稳定全井田可采煤层。煤层结构较复杂，含矸0～7层，普遍含矸3～4层，总厚1.20～1.40m。顶板岩性为泥岩、中粗砂岩，底板岩性为泥岩。各可采煤层特征见表2-1-1。表2-1-1可采煤层特征表含煤地层煤层号见煤点厚度(m)最小-最大平均煤层间距(m)最小-最大平均夹石层数结构稳定性可采性倾角(度)顶板岩性底板岩性容重(t/m3)太原组10-11.40-4.132.680.55-8.652.442.60-6.504.6522.07-51.8032.080-4较复杂稳定全区可采2-5泥岩泥岩1.3810-24.03-9.505.860-3较简单稳定全区可采2-5泥岩泥岩1.38110-3.391.440-1简单较稳定局部可采2-5泥岩粉砂岩1.38139.05-16.7211.050-7复杂稳定全区可采2-5泥岩、中粗砂岩泥岩1.38四、煤的自燃井田各煤层煤的自燃发火期为3-6个月，地面有粉煤自燃现象，井田内各煤层采空区均有自燃现象，原四家塔井田西北部及南部10号煤层采空区自燃发火，原磁窑沟4井田北部10号煤层采空区自燃发火，原煤子塔井田中部10号煤层采空区自燃发火，现已安全密闭。原煤子塔井田及磁窑沟井田东部露头处，塔沟窑、十八窑、煤子塔旧井、沙湾湾、烂石头湾窑等老窑沿煤层露头开采13号煤层，因煤层自燃发火而停采，现仍在自燃。地表岩层因煤层自燃造成出现烧变现象。由山西省煤炭工业局综合测试中心对本矿和邻矿10号和13号煤层采样化验测试，煤的自燃倾向等级分别为自燃和容易自燃煤层。第二章氮气防灭火技术及装备第一节氮气防灭火原理氮气是一种无色、无味、无嗅、无毒的气体。由于氮气分子结构稳定，其化学性质相对稳定，在常温、常压条件下氮气很难与其它物质发生化学反应，所以它是一种良好的惰性气体，随着空气中氮气含量的增加，氧气含量必然降低。据有关资料介绍：当氧气含量低到5～10％时，可抑制煤炭的氧化自燃；氧气含量降至3％以下时，可以完全抑制煤炭等可燃物的阴燃与复燃。基于上述氮气的性质及煤的氧化机理，向综采面采空区及遗煤带注入氮气，使其渗入到采空区冒落区、裂隙带及遗煤带，降低这些区域的氧含量，形成氮气惰化带，从而达到抑制采空区自燃和安全开采的目的。具体地说，氮气的防灭火作用和特点是：1）氮气可以充满任何形状的空间并将氧气排挤出去，从而使火区中因氧含量不足而将火源熄灭，或者使采空区中因氧含量不足而使遗煤不能氧化自燃；2）在有瓦斯和火存在的气体爆炸危险区内，注入氮气能使可燃性气体失去爆炸性；3）向采空区或火区中大量注入氮气后，可以使其呈现正压状态，致使新鲜空气难以漏入；4）在氮气灭火过程中，不会损坏或污染机械设备和井巷设施，火区启封后，可较快地恢复生产；5）氮气防灭火必须与均压和其它堵漏风措施配合应用。否则，如果注入氮气的采空区或火区漏风严重，氮气必然随漏风流失，难以起到防灭火作用。氮气防灭火存在的主要问题：1）、氮气不易在防治区滞留，不如注沙、注浆那样“长期”覆盖、包裹或存积在可燃物或已燃物的表面上，其隔氧性较差。2）、注氮能迅速破灭火灾，但火区完全灭火时间相当长。因此，注氮灭火的同时，应辅以其他直接措施处理残火，以防止复燃。53）、注氮防火，氮气向采面或临近采空区泄露；注氮灭火，氮气通过密闭等通道泄露。因此，注氮防灭火的同时，应采取堵漏措施，使氮气泄露量控制在最低限度。4）、氮气本身虽无毒，但具有窒息性，对人体有害。据试验，井下场所氧气含量下限值为19%，所以氮气泄露的工作地点氧含量不得低于其下限值。第二节氮气的制取氮气是空气中的主要成分，是一种取之不尽、用之不竭的气体。加上它具有无毒、无臭和易于与空气相混和等优良特性，所以是一种理想的防灭火惰性气体。矿井防灭火工作中所用的氮气，都是通过对空气中的气体成份进行分离而制取的。基本制取方法有深冷空分、变压吸附和膜分离三种工艺技术。深冷空分是一种传统的空分技术，已有九十余年的历史，它的特点是产气量大，产品氮纯度高，但设备装机功率大，工艺流程复杂，占地面积大，基建费用高，需专门的维修力量，操作人员较多，产气周期长（18～24h），显然不适合煤矿选用。变压吸附制氮是以空气为原料，用碳分子筛作吸附剂，利用碳分子筛对空气中的氧和氮选择吸附的特性，运用变压吸附原理（加压吸附，减压解吸并使分子筛再生）且在常温下使氧和氮分离制取氮气。变压吸附制氮与深冷空分制氮相比，具有明显的优点：吸附分离是在常温下进行，工艺简单，设备紧凑，占地面积小，开停方便，启动迅速，产气快（一般在30min左右），能耗小，产品氮纯度可在一定范围内调节，产氮量≤2000m3／h。主要缺点是碳分子筛在气流冲击下，极易粉化和饱和，运转和维护费用高。膜分离制氮是以空气为原料，在一定的压力下，利用氧和氮在中空纤维膜中的不同渗透速率来使氧、氮分离制取氮气。它与上述两种制氮方法相比，具有设备结构更简单、体积更小、无切换阀门、操作维护也更为简便、产气更快（3min以内）、增容更方便等特点，但中空纤维膜对压缩空气清洁度要求更严，膜易老化而失效。根据磁窑沟煤矿实际情况，采用碳分子筛制氮工艺技术制取氮气，选用一台DT-600/8矿用碳分子筛制氮装置作为井下综采工作面边采、边注、边防火的措施。D