磁窯溝煤礦制氮 設(shè)計

1、 山西省晉神能源有限公司磁窯溝煤礦10-2#煤層10101綜采工作面注氮方案編制單位：磁窯溝煤礦生產(chǎn)科編制時間：2011年2月6日101綜采工作面注氮方案設(shè)計審批欄編制人礦長助理生產(chǎn)科副總工程師調(diào)度室安 監(jiān) 處安檢科總工程師機電科生產(chǎn)礦長安全質(zhì)量監(jiān)察部礦 長公司生產(chǎn)技術(shù)部公司總工審 批 意 見目 錄第一章 礦井概況1第二章 氮氣防滅火技術(shù)及裝備4第一節(jié) 氮氣防滅火原理4第二節(jié) 氮氣的制取5第三節(jié) 氮氣防滅火方案6第一章 礦井概況一、地理位置1、交通位置磁窯溝煤業(yè)有限公司位于河曲縣城東南方向，直線距離18km，西距黃河6.5km，行政區(qū)劃屬河曲縣鹿固鄉(xiāng)所轄。井田地理坐標東經(jīng)111°18

2、03111°2015，北緯39°162939°1831。井田范圍內(nèi)沒有鐵路，只有巡(鎮(zhèn)) 公路、前(川)公路從區(qū)內(nèi)通過，直達本井田的洞溝公路，西行8km到達巡鎮(zhèn)，與保(德)河(曲)公路相接，從本區(qū)東行12km可達神(池)河(曲)干線公路，井田距神河鐵路火山煤臺21km，沙泉煤臺60km，三岔煤臺94km，距神朔鐵路50km，北到偏關(guān)，可達內(nèi)蒙，南通保德、府谷可達陜西，向東通往朔州、大同，交通較為便利。2、地形地貌磁窯溝井田地處黃土高原干濕過渡帶，西臨黃河，地勢變化總的趨勢是東高西低，最高點位于區(qū)內(nèi)杏樹梁，標高1202.93m，最低點位于區(qū)內(nèi)東溝河河底，標高為925

3、.00m，最大相對高差278.00m，屬中低山區(qū)。地面多為新生界黃土及紅土覆蓋，黃土丘陵是本區(qū)地貌形態(tài)的主體，以黃土梁峁為主，侵蝕強烈，造成溝谷成“V”字形羽狀分布。地面植被稀少，地表沖刷劇烈，區(qū)內(nèi)主要溝谷為東西走向的洞溝磁窯溝一線。根據(jù)河曲縣水文站資料，從井田西側(cè)流過的黃河最大流量8000m³/s，最小流量 50m³/s,河床坡降0.7%?？碧絽^(qū)中部的洞溝屬黃河一級支流，平時無水，干枯，雨季時有洪水流過?？h川河為黃河在區(qū)域內(nèi)的最大支流，流域面積1610km²，平均水位882.50m，流量43200m³/d，其他支流為季節(jié)性河流。 3氣象與地震本區(qū)屬大陸

4、性氣候，據(jù)河曲縣氣象站資料，本井田氣候特點是溫涼干燥，四季分明，冬季少雪，春季干燥多風，夏季雨量集中，秋季短促涼爽。據(jù)統(tǒng)計，年平均氣溫8.8,冬季平均溫度-9.4，最低氣溫在1月份，極端最低氣溫為-26.9(1977年、1980年)；夏季平均氣溫23.9，最高氣溫7月份，極端最高氣溫38.4。年降水量在211.40714.30mm之間，年蒸發(fā)量為1805.70mm，蒸發(fā)量一般是降水量的4倍。每年34月為風季，風向多為西北風，風力一般35級，最大達7級。每年11月至次年3月為結(jié)冰期，凍土深度常在1.00m左右，歷年最大凍土深度1.45m。二、含煤地層本井田主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組，太原組厚

5、度40.41120.54m，平均厚度88.90m，含煤8層，可采煤層4層，主要可采煤層為10-1、10-2、11和13號煤層，按其巖性和煤層的特點，三、煤層及煤質(zhì)煤層1.含煤性磁窯溝井田含煤地層為石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、上統(tǒng)太原組(C3t)和二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)，共含煤11層，其中本溪組含煤2層，太原組含煤8層，山西組含煤1層，太原組為主要含煤地層。本溪組地層最大厚度12.24m，含16、17號2層煤層，厚度分別為0.50 m、0.42 m，煤層總厚0.92 m，含煤系數(shù)為7.4%。山西組地層最大厚度78.94 m,平均厚度35.10 m,含8號煤1層煤層，厚01.65 m，含煤系數(shù)

6、不到1%。太原組地層平均厚88.90 m，含煤8層，編號為9、10-1、10-2、11、12、13、14及15號煤厚分別為0.55 m、2.68 m、5.86 m、1.44 m、0.35 m、11.05 m、0.55 m及0.20 m，煤層總厚26.12 m，含煤系數(shù)為29.4%。綜觀上述3組地層的含煤性，以太原組最好。2.可采煤層磁窯溝井田各組地層含煤雖然有11層，但可采只有4層，編號為10-1、10-2、11及13號煤層，其余皆為不可采煤層。10-1號煤層：位于10號煤層的上半部，煤層厚1.404.13 m，平均2.68 m，純煤厚度1.203.76 m，平均2.26 m，為穩(wěn)定中厚煤層。

7、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含矸04層，一般情況下，含矸1層，厚0.50 m左右。頂?shù)装鍘r性均為泥巖。2.10-2號煤層：位于10號煤層的下半部，煤層厚4.039.50 m，平均5.86 m，純煤厚度3.457.95 m，平均5.18 m，為穩(wěn)定厚煤層。結(jié)構(gòu)較簡單，含矸03層，普遍含2層矸石，厚度變化大。頂?shù)装鍘r性均為泥巖。11號煤層：位于太原組地層的中上部，煤層厚03.39 m，平均1.44 m，純煤厚度03.39 m，平均1.44 m，為中厚煤層。煤厚變異系數(shù)為65%，可采性指數(shù)為0.87，屬較穩(wěn)定煤層。煤層結(jié)構(gòu)簡單，多數(shù)情況不含夾矸，偶見1層夾矸，夾矸最大厚度0.20m。井田內(nèi)層位較穩(wěn)定，大部可采。煤厚

8、變化規(guī)律很明顯，從井田東南部向西北部逐漸增厚。東南部ZK5、ZK19鉆孔煤厚為零，為無煤帶，井田其他地區(qū)煤厚都在1.30 m以上，最厚位于ZK4鉆孔，煤厚可達3.39m。頂板巖性為泥巖，底板巖性為粉砂巖。11號煤層下距12號煤層(不可采)015.50 m，平均7.95 m，在12號煤層缺失的情況下，下距13號煤層22.0751.80 m。13號煤層：位于太原組下部，是本井田的主要可采煤層。煤層厚9.0516.72 m，平均11.05 m，純煤厚度7.1514.87 m，平均9.87 m，為特厚煤層。經(jīng)計算煤厚變異系數(shù)為22.3%，可采性指數(shù)為1，屬穩(wěn)定全井田可采煤層。煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含矸07層

9、，普遍含矸34層，總厚1.201.40m。頂板巖性為泥巖、中粗砂巖，底板巖性為泥巖。各可采煤層特征見表2-1-1。表2-1-1 可采煤層特征表 含煤地層煤層號見煤點厚度(m)最小-最大平均煤層間距(m)最小-最大平均夾石層數(shù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可采性傾角(度)頂板巖性底板巖性容重(t/m3)太原組10-11.40-4.132.682.444.6532.080-4較復(fù)雜穩(wěn)定全區(qū)可采2-5泥巖泥巖1.3810-25.860-3較簡單穩(wěn)定全區(qū)可采2-5泥巖泥巖1.38110-3.391.440-1簡單較穩(wěn)定局部可采2-5泥巖粉砂巖1.381311.050-7復(fù)雜穩(wěn)定全區(qū)可采2-5泥巖、中粗砂巖泥巖1.38四、

10、煤的自燃井田各煤層煤的自燃發(fā)火期為3-6個月，地面有粉煤自燃現(xiàn)象，井田內(nèi)各煤層采空區(qū)均有自燃現(xiàn)象，原四家塔井田西北部及南部10號煤層采空區(qū)自燃發(fā)火，原磁窯溝井田北部10號煤層采空區(qū)自燃發(fā)火，原煤子塔井田中部10號煤層采空區(qū)自燃發(fā)火，現(xiàn)已安全密閉。原煤子塔井田及磁窯溝井田東部露頭處，塔溝窯、十八窯、煤子塔舊井、沙灣灣、爛石頭灣窯等老窯沿煤層露頭開采13號煤層，因煤層自燃發(fā)火而停采，現(xiàn)仍在自燃。地表巖層因煤層自燃造成出現(xiàn)燒變現(xiàn)象。由山西省煤炭工業(yè)局綜合測試中心對本礦和鄰礦10號和13號煤層采樣化驗測試，煤的自燃傾向等級分別為自燃和容易自燃煤層。第二章 氮氣防滅火技術(shù)及裝備第一節(jié) 氮氣防滅火原理氮氣

11、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。據(jù)有關(guān)資料介紹：當氧氣含量低到510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。基于上述氮氣的性質(zhì)及煤的氧化機理，向綜采面采空區(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。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)

12、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，可以使其呈現(xiàn)正壓狀態(tài)，致使新鮮空氣難以漏入；4）在氮氣滅火過程中，不會損壞或污染機械設(shè)備和井巷設(shè)施，火區(qū)啟封后，可較快地恢復(fù)生產(chǎn)；5）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。氮氣防滅火存在的主要問題：1）、氮氣不易在防治區(qū)滯留，不如注沙、注漿那樣“長期”覆蓋、包裹或存積在可燃物或已燃物的表面上，其隔氧性較差。2）、注氮能迅速

13、破滅火災(zāi)，但火區(qū)完全滅火時間相當長。因此，注氮滅火的同時，應(yīng)輔以其他直接措施處理殘火，以防止復(fù)燃。3）、注氮防火，氮氣向采面或臨近采空區(qū)泄露；注氮滅火，氮氣通過密閉等通道泄露。因此，注氮防滅火的同時，應(yīng)采取堵漏措施，使氮氣泄露量控制在最低限度。4）、氮氣本身雖無毒，但具有窒息性，對人體有害。據(jù)試驗，井下場所氧氣含量下限值為19%，所以氮氣泄露的工作地點氧含量不得低于其下限值。第二節(jié) 氮氣的制取氮氣是空氣中的主要成分，是一種取之不盡、用之不竭的氣體。加上它具有無毒、無臭和易于與空氣相混和等優(yōu)良特性，所以是一種理想的防滅火惰性氣體。礦井防滅火工作中所用的氮氣，都是通過對空氣中的氣體成份進行分離而制

14、取的。基本制取方法有深冷空分、變壓吸附和膜分離三種工藝技術(shù)。深冷空分是一種傳統(tǒng)的空分技術(shù)，已有九十余年的歷史，它的特點是產(chǎn)氣量大，產(chǎn)品氮純度高，但設(shè)備裝機功率大，工藝流程復(fù)雜，占地面積大，基建費用高，需專門的維修力量，操作人員較多，產(chǎn)氣周期長（1824h），顯然不適合煤礦選用。變壓吸附制氮是以空氣為原料，用碳分子篩作吸附劑，利用碳分子篩對空氣中的氧和氮選擇吸附的特性，運用變壓吸附原理（加壓吸附，減壓解吸并使分子篩再生）且在常溫下使氧和氮分離制取氮氣。變壓吸附制氮與深冷空分制氮相比，具有明顯的優(yōu)點：吸附分離是在常溫下進行，工藝簡單，設(shè)備緊湊，占地面積小，開停方便，啟動迅速，產(chǎn)氣快（一般在30mi

15、n左右），能耗小，產(chǎn)品氮純度可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，產(chǎn)氮量2000m3h。主要缺點是碳分子篩在氣流沖擊下，極易粉化和飽和，運轉(zhuǎn)和維護費用高。膜分離制氮是以空氣為原料，在一定的壓力下，利用氧和氮在中空纖維膜中的不同滲透速率來使氧、氮分離制取氮氣。它與上述兩種制氮方法相比，具有設(shè)備結(jié)構(gòu)更簡單、體積更小、無切換閥門、操作維護也更為簡便、產(chǎn)氣更快（3min以內(nèi)）、增容更方便等特點，但中空纖維膜對壓縮空氣清潔度要求更嚴，膜易老化而失效。根據(jù)磁窯溝煤礦實際情況，采用碳分子篩制氮工藝技術(shù)制取氮氣，選用一臺DT-600/8礦用碳分子篩制氮裝置作為井下綜采工作面邊采、邊注、邊防火的措施。DT-600/8礦用碳分子篩

16、制氮裝置，本制氮裝置為組合式結(jié)構(gòu)，主要由氣源車、凈化車、制氮車和緩沖車四個單元組成。氣源車選用隔爆兼本安型礦用無油或微油螺桿空壓機（已安裝在101綜采工作面移變列車的平板車上）。凈化車主要由除油凈化器、精過濾器、超精過濾器、除油過濾器、除油器、角座閥、1只礦用澆封型電磁閥等組成，通過配管將其組裝在槽鋼底盤上。制氮車主要由四只吸附塔（內(nèi)裝滿進口碳分子篩，并在吸附塔的頂部各設(shè)置4條氣囊）、消聲器及其10只ZSGP管道式氣動閥和10只礦用澆封型電磁閥組成，通過配管將其組裝在槽鋼底盤上。緩沖車主要由氮氣緩沖罐、粉塵過濾器、減壓閥、流量計（金屬管浮子流量計或玻璃轉(zhuǎn)子流量計）、甲烷氧氣兩參數(shù)測定器、節(jié)流閥

17、等通過配管將其組裝在槽鋼底盤上。移動式制氮設(shè)備主要性能指標：1型 號： DT-600/82氮氣流量： 600Nm3/h3氮氣純度： 97%（殘氧3%）4氮氣壓力： (0.5-0.8)MP5氮氣出口最高壓力 0.6MP6啟動時間 30min7氮氣回收率： 45%8. 工作電壓： 660v/1140v±10%v，50±1HZ9. 輪軌軌距： 600mm或900mm或無軌膠輪平板車第三節(jié) 氮氣防滅火方案一、主管路選擇與鋪設(shè)在磁窯溝煤礦10-2#煤層101綜采面膠運順槽設(shè)備列車上，氮氣通過氮氣輸送管路系統(tǒng)輸?shù)阶⒌攸c，主管路選用4英寸普通鋼管，工作面進風順槽管路采用沿地敷設(shè)。由制氮

18、機組鋪設(shè)注氮管路至101綜采面，管路鋪設(shè)路線為：101綜采工作面設(shè)備列車制氮機組101膠運順槽工作面上端頭采空區(qū)。管網(wǎng)總長度約550m；管徑：4英寸。二、注氮氣管路的布置在施工中采用單管注入氮氣，注氮管路延進風順槽101膠運巷北側(cè)底板敷設(shè)埋入采空區(qū)內(nèi)，管路采用法蘭盤聯(lián)接，并每隔30米接一個三通，作為氮氣釋放口，其位置應(yīng)高于煤層底板2030CM且三通口要正對采工區(qū)罩上金屬網(wǎng),并采用石塊或木垛加以妥善保護，以防砸壞或孔口堵塞，影響注氮。若要考察管道的注氮氣量，還應(yīng)安裝流量計。三、注氮氣量向采空區(qū)注氮氣的目的，就是要用高濃度的氮氣來充滿需要惰化的采空區(qū)冒落空間，因此，注氮氣量與采空區(qū)每日冒落空間大小

19、、工作面推進速度等有關(guān)。A、按產(chǎn)量計算在單位時間內(nèi)注氮充滿采煤所形成的空間，使氧氣濃度降到防滅火惰化指標以下，其經(jīng)驗計算公式為：QN=A/1440tn1n2×（C1/C2-1）式中：QN注氮流量，m3/min；A年產(chǎn)量，t；t年工作日，取330d；煤的容重，t/m3；n1管路輸?shù)剩?；n2采空區(qū)注氮效率，%；C1空氣中的氧濃度，取20.8%；C2采空區(qū)防火惰化指標，取7.0%。則QN=1200000/1440×1.4×330×90%×80%×（20.8%/7.0% -1） =4.97 m3/min B、按采空區(qū)氧化帶氧濃度計算將采空區(qū)氧化帶內(nèi)的原始氧氣濃度降到防滅火惰化指標以下，按