煤炭矿井设计防火规范 GB51078-2015
4.3 注氮
4.3.1 采空区注氮应符合下列规定：
1 注入的氮气浓度不应小于97％。
2 注氮后采空区惰化指标应符合下列规定：
1) 惰化氧浓度不应大于煤自燃临界氧浓度，且含氧量不得大于7％；
2) 惰化灭火氧浓度不应大于3％；
3) 惰化抑制瓦斯爆炸氧浓度应小于12％。
3 应设置连续监测采空区气体成分变化的监测系统。
4 应设置固定或移动温度观测站(点)并采取监测措施。
4.3.2 制氮方法可采用变压吸附制氮、膜分离制氮和深冷空分制氮。
4.3.3 制氮系统可选用地面固定式和井下移动式，其选用原则应符合下列规定：
1 井下生产集中、氮气需求量较大时，宜集中布置地面固定式制氮站；同时生产的采区(盘区)相距较远、氮气需求量较大时，宜分区布置地面固定式制氮站。
2 氮气需求量小，地面输送距离长时，可选择井下移动式制氮站。
4.3.4 注氮方式的选择应符合下列规定：
1 宜采用开放式注氮，当工作面受火灾隐患影响严重时，可采用封闭式注氮。
2 在工作面开采初期、停采撤架期间或受地质构造、机电设备等影响造成工作面推进缓慢时，宜采用连续性注氮；工作面正常回采期间，可采用间断性注氮。
4.3.5 注氮方法应根据采空区或火灾隐患区、注氮方式等因素确定，可采用埋管注氮、拖管注氮、钻孔注氮、插管注氮和密闭注氮等。
4.3.6 氮气释放口的位置应依据氮气的扩散半径、工作面参数及采空区自然发火三带分布规律确定，注氮管释放口应保持在采空区的氧化带内。
4.3.7 回采工作面注氮量应按下式计算：
式中：QN——注氮流量(m³/h)；
Q0——采空区氧化带内的漏风量，可取5m³/min～20m³/min；
C1——采空区氧化带内的原始氧浓度，可取10％～15％；
C2——采空区防火惰化指标，可取7％；
CN——注入氮气中的氮气纯度，97％。
4.3.8 制氮设备选择宜按总注氮量乘以1.2～1.5的富余系数确定。
4.3.9 开采容易自燃煤层的矿井，制氮设备备用数量和能力应按不低于正常运行设备的50％确定。
4.3.10 输氮管路选择和敷设应符合下列规定：
1 从地面供氮时，输氮管路应选用无缝钢管。从井下供氮时，在满足输氮压力的条件下，可选用耐压橡胶软管，但进入采空区或火区的管路应采用无缝钢管。
2 输氮管路铺设应减少拐弯，并应保持平、直、稳，接头不应漏气。每节钢管的支点不应少于2点，每节软管吊挂不应少于4点。低洼处可设置放水阀；输氮管路的分岔处应设置三通和截止阀及压力表；输氮管路表面应做防锈处理。
3 输氮管路管径可按下式验算：
式中：P1——输氮管路供氮绝对压力(MPa)；
P2——输氮管路末端绝对压力，不小于0.2(MPa)；
Qmax——管路最大输氮量(m³/h)；
D0——基准直径，取150(mm)；
Di——实际输氮管路直径(mm)；
Li——相同直径管路的长度(km)；
λ0——基准管路的阻力损失系数，取0.026；
λi——实际输氮管路的阻力损失系数。
1 注入的氮气浓度不应小于97％。
2 注氮后采空区惰化指标应符合下列规定：
1) 惰化氧浓度不应大于煤自燃临界氧浓度，且含氧量不得大于7％；
2) 惰化灭火氧浓度不应大于3％；
3) 惰化抑制瓦斯爆炸氧浓度应小于12％。
3 应设置连续监测采空区气体成分变化的监测系统。
4 应设置固定或移动温度观测站(点)并采取监测措施。
4.3.2 制氮方法可采用变压吸附制氮、膜分离制氮和深冷空分制氮。
4.3.3 制氮系统可选用地面固定式和井下移动式，其选用原则应符合下列规定：
1 井下生产集中、氮气需求量较大时，宜集中布置地面固定式制氮站；同时生产的采区(盘区)相距较远、氮气需求量较大时，宜分区布置地面固定式制氮站。
2 氮气需求量小，地面输送距离长时，可选择井下移动式制氮站。
4.3.4 注氮方式的选择应符合下列规定：
1 宜采用开放式注氮，当工作面受火灾隐患影响严重时，可采用封闭式注氮。
2 在工作面开采初期、停采撤架期间或受地质构造、机电设备等影响造成工作面推进缓慢时，宜采用连续性注氮；工作面正常回采期间，可采用间断性注氮。
4.3.5 注氮方法应根据采空区或火灾隐患区、注氮方式等因素确定，可采用埋管注氮、拖管注氮、钻孔注氮、插管注氮和密闭注氮等。
4.3.6 氮气释放口的位置应依据氮气的扩散半径、工作面参数及采空区自然发火三带分布规律确定，注氮管释放口应保持在采空区的氧化带内。
4.3.7 回采工作面注氮量应按下式计算：
Q0——采空区氧化带内的漏风量，可取5m³/min～20m³/min；
C1——采空区氧化带内的原始氧浓度，可取10％～15％；
C2——采空区防火惰化指标，可取7％；
CN——注入氮气中的氮气纯度，97％。
4.3.8 制氮设备选择宜按总注氮量乘以1.2～1.5的富余系数确定。
4.3.9 开采容易自燃煤层的矿井，制氮设备备用数量和能力应按不低于正常运行设备的50％确定。
4.3.10 输氮管路选择和敷设应符合下列规定：
1 从地面供氮时，输氮管路应选用无缝钢管。从井下供氮时，在满足输氮压力的条件下，可选用耐压橡胶软管，但进入采空区或火区的管路应采用无缝钢管。
2 输氮管路铺设应减少拐弯，并应保持平、直、稳，接头不应漏气。每节钢管的支点不应少于2点，每节软管吊挂不应少于4点。低洼处可设置放水阀；输氮管路的分岔处应设置三通和截止阀及压力表；输氮管路表面应做防锈处理。
3 输氮管路管径可按下式验算：
P2——输氮管路末端绝对压力，不小于0.2(MPa)；
Qmax——管路最大输氮量(m³/h)；
D0——基准直径，取150(mm)；
Di——实际输氮管路直径(mm)；
Li——相同直径管路的长度(km)；
λ0——基准管路的阻力损失系数，取0.026；
λi——实际输氮管路的阻力损失系数。
条文说明
4.3.1 本条是关于注氮防灭火设计的基本要求，依据《煤矿安全规程》(2011版)和现行行业标准《煤矿用氮气防灭火技术规范》MT/T701的有关规定制定。
1 本款为强制性条文，必须严格执行。氮气是一种惰性气体，不助燃也不能供人呼吸。向采空区(或火区)等地点注入氮气，可起到十分明显的惰化采空区阻止煤炭氧化自燃、提高采空区的相对压力，使采空区呈正压状态，防止新鲜风流漏入，降低采空区温度，阻止煤炭氧化升温、降低瓦斯和氧气浓度防止瓦斯燃爆事故等的作用。实践证明，无论在防火还是在灭火方面，氮气较之与灌浆、阻化剂、均压等防灭火措施具有更多的优点，可以起到其他措施不可替代的作用。但在应用时必须严格遵守该条的相关规定，不然，可能由于注氮量过小、浓度过低等原因而达不到预期效果，输氮管路或采空区泄漏氮气而造成人员伤害(抚顺龙风矿就曾发生过氮气熏人事故)等。
无论选择何种制氮设备，采空区注入的氮气浓度均不得低于97％。采用空分深冷原理制取的氮气，其浓度不得低于99.5％，采用变压吸附和膜分离原理制取的氮气其浓度不得低于97％。
2 本款为强制性条文，必须严格执行。采空区注氮目的有三个，分别为预防自燃、灭火和抑制瓦斯爆炸。
采空区惰化防火指标：即煤的防火临界氧浓度。预防工作面采空区内煤炭自然发火，重点是将采空区氧化带进行惰化，使氧气浓度降到阻止煤炭氧化自燃的临界值以下，从而达到使氧化带内的煤炭处于不氧化或减缓氧化的状态。按煤炭氧化自燃的观点，采空区气体组分中除氧气外，氮气、二氧化碳等均可视为惰性气体，对煤炭的氧化起抑制作用。氧气是煤炭自燃的助燃剂，注氮后采空区氧化带内氧浓度的高低反映出注氮效果的好坏。国内外实验研究表明：当空气中氧气浓度降到7％～10％时煤就不易被氧化，因此注氮后采空区氧化带内氧气浓度应不大于7％，否则达不到预防采空区煤层自燃的目的。
采空区惰化灭火指标：即彻底扑灭火源并使其不再复燃的临界氧浓度。实验研究表明，气体成分中当氧气浓度低于5％时就能阻止煤炭的氧化和燃烧，因此，为防止采空区内可燃气体因明火而发生爆炸，将火区惰化指标定为氧气浓度不大于3％，否则将达不到消除采空区火灾的目的。
采空区惰化抑爆指标：即氧浓度降低到瓦斯失去爆炸条件时的临界氧浓度。实验表明，气体成分中当氧气浓度低于12％时就能达到抑制瓦斯爆炸的目的，否则将可能导致采空区瓦斯爆炸。
4.3.2 本条内容是关于制氮设备的选择。制氮方法主要有变压吸附制氮、膜分离制氮和深冷空分制氮等，目前国内主要使用变压吸附制氮和膜分离制氮设备，深冷空分制氮设备国内很少使用。膜分离制氮设备质量与国外产品存在一定差距，且膜分离制氮设备价格高，后期维护运行(膜组件更换)成本高，此外膜分离制氮对气源的除油、除水、除尘要求高。变压吸附制氮设备在技术上、经济上和后期维护上具有明显的优势，宜优先选择变压吸附制氮设备。
4.3.3 本条内容是关于制氮系统的选择。制氮系统一般分为地面固定式、地面移动式和井下移动式三类，通常根据井田范围大小、制氮装置能力大小及制氮装置服务范围等因素综合选择：
1 井下注氮地点相对集中、火灾隐患重、氮气需求量较大、制氮设备能力较大(＞1000m³/h)、井下运输及安设不便，宜集中布置地面固定式。井下多个采区同时生产，各采区相对分散(＞5km)，每一个采区氮气需求量较大，选择的制氮设备能力较大(＞1000m³/h)，井下运输及安设不便，宜分区布置地面固定式。
2 井下注氮地点分散、地表至井下工作面距离远(＞5km)、制氮设备能力较小(＜1000m³/h)的矿井宜选择井下移动式。若制氮设备布置在平板车上，其长宽高尺寸应满足井下运输要求。
4.3.4 本条内容是关于注氮方式的选择。
注氮方式按注氮区域的状态可分为开放式注氮和封闭式注氮，按注氮时间分为连续性注氮和间歇性注氮。开放式注氮是指在通风的情况下实施注氮，多用于工作面防火；封闭式注氮是指对火区或火灾隐患区域实施封闭的情况下注氮，适用于已密闭区域内的防灭火，多用于灭火。通常利用密闭墙上预留的专用注氮管或密闭墙钻孔向封闭区内的火源点或火灾隐患实施注氮，达到防灭火的目的。
4.3.5 本条内容是关于注氮方法的选择。注氮方法分为埋管注氮、拖管注氮、钻孔注氮、插管注氮和密闭注氮等。
埋管注氮适用于采煤工作面回采过程中预防采空区浮煤自燃的注氮方法。在回采工作面回采过程中，于进风侧沿采空区内预先埋设一条专用注氮管路(其长度由考察确定)。当埋设一定长度后便开始进行防火注氮，同时再预埋第二条注氮管路，二者出氮口的距离可通过考察确定。当第二条管路的出口处于采空区氧化带和冷却带交界部位时，也就是两条注氮管路出口间的采空区为氧化带时，第二注氮口开始注氮，同时停止第一管路的注氮，并再重新预埋注氮管路。如此循环，直至工作面回采结束。
拖管注氮也适用于回采工作面采空区的防火。基本做法是在工作面回采过程中在进风侧采空区预埋一定长度的厚壁钢管专用注氮管路，并与注氮主管保持相连通，其长度由考察采空区自然发火三带变化的宽度来确定。当预埋管路的出口处于采空区氧化带位置时开始注氮，随着工作面的推进预埋的注氮管路也同步前移。其移动的方法主要是借助工作面液压支架或运输机头、机尾以及工作面进风巷的回柱绞车作牵引动力，使该管路始终处于采空区的氧化带内注氮。该法的主要优点是节省注氮管路，而且保证注氮的位置始终在采空区的氧化带内。其缺点是实施注氮过程中工作烦琐，而且要求配合性较强。
钻孔注氮只适用于具备条件的煤矿的防灭火，其基本方法是在地面或井下某巷道内向井下火灾或具有火灾隐患的区域内打钻孔，然后通过钻孔向该区实施注氮，达到灭火或防火的目的。
插管注氮适用于处理工作面起采线、停采线或巷道高冒顶的火灾。其方法是向火源处直接插管，实施注氮。
4.3.7 本条是关于单个回采工作面注氮量计算的有关内容，依据现行行业标准《煤矿用氮气防灭火技术规范》MT/T701的有关规定制定。回采工作面注氮量按采空区氧化带内的漏风量大小计算注氮量，其实质是通过注氮将漏入采空区氧化带内风流氧浓度降低到惰化防火指标以下。工作面采空区氧化带的漏风量一般可取5m³/min～20m³/min。影响工作面采空区氧化带的漏风量主要有工作面风量、风阻、通风方式及采空区密闭性条件等因素，工作面风量越大、风阻越大、采空区密闭性条件越差，采空区氧化带的漏风量越大；工作面风量越小、风阻越小、采空区密闭性条件越好，采空区氧化带的漏风量越小。另外，工作面采用H型、W型、Y型等通风方式，采空区氧化带的漏风量增大，工作面采用U型通风方式，采空区氧化带的漏风量降低。
4.3.8 本条是选择制氮设备时能力备用系数的相关内容，依据现行行业标准《煤矿用氮气防灭火技术规范》MT/T701的有关规定制定。容易自燃煤层备用系数取大值，自燃和不易自燃煤层备用系数取小值。
4.3.9 本条是关于制氮设备备用的相关内容，目前国家其他标准尚无要求。经调研，目前煤矿正在使用的制氮设备大多未设置备用制氮设备，同时考虑制氮防火有别于主要通风机和瓦斯抽采泵等，因此本规范仅针对开采容易自燃煤层的矿井提出设置备用制氮设备的要求，要求备用设备数量和能力按不低于正常运行设备的50％，备用设备型号应尽量与正常运行设备一致。
4.3.10 本条是关于输氮管路选择和敷设的相关内容，依据现行行业标准《煤矿用氮气防灭火技术规范》MT/T701的有关规定制定。不同直径输氮钢管阻力损失系数见表4。
1 本款为强制性条文，必须严格执行。氮气是一种惰性气体，不助燃也不能供人呼吸。向采空区(或火区)等地点注入氮气，可起到十分明显的惰化采空区阻止煤炭氧化自燃、提高采空区的相对压力，使采空区呈正压状态，防止新鲜风流漏入，降低采空区温度，阻止煤炭氧化升温、降低瓦斯和氧气浓度防止瓦斯燃爆事故等的作用。实践证明，无论在防火还是在灭火方面，氮气较之与灌浆、阻化剂、均压等防灭火措施具有更多的优点，可以起到其他措施不可替代的作用。但在应用时必须严格遵守该条的相关规定，不然，可能由于注氮量过小、浓度过低等原因而达不到预期效果，输氮管路或采空区泄漏氮气而造成人员伤害(抚顺龙风矿就曾发生过氮气熏人事故)等。
无论选择何种制氮设备，采空区注入的氮气浓度均不得低于97％。采用空分深冷原理制取的氮气，其浓度不得低于99.5％，采用变压吸附和膜分离原理制取的氮气其浓度不得低于97％。
2 本款为强制性条文，必须严格执行。采空区注氮目的有三个，分别为预防自燃、灭火和抑制瓦斯爆炸。
采空区惰化防火指标：即煤的防火临界氧浓度。预防工作面采空区内煤炭自然发火，重点是将采空区氧化带进行惰化，使氧气浓度降到阻止煤炭氧化自燃的临界值以下，从而达到使氧化带内的煤炭处于不氧化或减缓氧化的状态。按煤炭氧化自燃的观点，采空区气体组分中除氧气外，氮气、二氧化碳等均可视为惰性气体，对煤炭的氧化起抑制作用。氧气是煤炭自燃的助燃剂，注氮后采空区氧化带内氧浓度的高低反映出注氮效果的好坏。国内外实验研究表明：当空气中氧气浓度降到7％～10％时煤就不易被氧化，因此注氮后采空区氧化带内氧气浓度应不大于7％，否则达不到预防采空区煤层自燃的目的。
采空区惰化灭火指标：即彻底扑灭火源并使其不再复燃的临界氧浓度。实验研究表明，气体成分中当氧气浓度低于5％时就能阻止煤炭的氧化和燃烧，因此，为防止采空区内可燃气体因明火而发生爆炸，将火区惰化指标定为氧气浓度不大于3％，否则将达不到消除采空区火灾的目的。
采空区惰化抑爆指标：即氧浓度降低到瓦斯失去爆炸条件时的临界氧浓度。实验表明，气体成分中当氧气浓度低于12％时就能达到抑制瓦斯爆炸的目的，否则将可能导致采空区瓦斯爆炸。
4.3.2 本条内容是关于制氮设备的选择。制氮方法主要有变压吸附制氮、膜分离制氮和深冷空分制氮等，目前国内主要使用变压吸附制氮和膜分离制氮设备，深冷空分制氮设备国内很少使用。膜分离制氮设备质量与国外产品存在一定差距，且膜分离制氮设备价格高，后期维护运行(膜组件更换)成本高，此外膜分离制氮对气源的除油、除水、除尘要求高。变压吸附制氮设备在技术上、经济上和后期维护上具有明显的优势，宜优先选择变压吸附制氮设备。
4.3.3 本条内容是关于制氮系统的选择。制氮系统一般分为地面固定式、地面移动式和井下移动式三类，通常根据井田范围大小、制氮装置能力大小及制氮装置服务范围等因素综合选择：
1 井下注氮地点相对集中、火灾隐患重、氮气需求量较大、制氮设备能力较大(＞1000m³/h)、井下运输及安设不便，宜集中布置地面固定式。井下多个采区同时生产，各采区相对分散(＞5km)，每一个采区氮气需求量较大，选择的制氮设备能力较大(＞1000m³/h)，井下运输及安设不便，宜分区布置地面固定式。
2 井下注氮地点分散、地表至井下工作面距离远(＞5km)、制氮设备能力较小(＜1000m³/h)的矿井宜选择井下移动式。若制氮设备布置在平板车上，其长宽高尺寸应满足井下运输要求。
4.3.4 本条内容是关于注氮方式的选择。
注氮方式按注氮区域的状态可分为开放式注氮和封闭式注氮，按注氮时间分为连续性注氮和间歇性注氮。开放式注氮是指在通风的情况下实施注氮，多用于工作面防火；封闭式注氮是指对火区或火灾隐患区域实施封闭的情况下注氮，适用于已密闭区域内的防灭火，多用于灭火。通常利用密闭墙上预留的专用注氮管或密闭墙钻孔向封闭区内的火源点或火灾隐患实施注氮，达到防灭火的目的。
4.3.5 本条内容是关于注氮方法的选择。注氮方法分为埋管注氮、拖管注氮、钻孔注氮、插管注氮和密闭注氮等。
埋管注氮适用于采煤工作面回采过程中预防采空区浮煤自燃的注氮方法。在回采工作面回采过程中，于进风侧沿采空区内预先埋设一条专用注氮管路(其长度由考察确定)。当埋设一定长度后便开始进行防火注氮，同时再预埋第二条注氮管路，二者出氮口的距离可通过考察确定。当第二条管路的出口处于采空区氧化带和冷却带交界部位时，也就是两条注氮管路出口间的采空区为氧化带时，第二注氮口开始注氮，同时停止第一管路的注氮，并再重新预埋注氮管路。如此循环，直至工作面回采结束。
拖管注氮也适用于回采工作面采空区的防火。基本做法是在工作面回采过程中在进风侧采空区预埋一定长度的厚壁钢管专用注氮管路，并与注氮主管保持相连通，其长度由考察采空区自然发火三带变化的宽度来确定。当预埋管路的出口处于采空区氧化带位置时开始注氮，随着工作面的推进预埋的注氮管路也同步前移。其移动的方法主要是借助工作面液压支架或运输机头、机尾以及工作面进风巷的回柱绞车作牵引动力，使该管路始终处于采空区的氧化带内注氮。该法的主要优点是节省注氮管路，而且保证注氮的位置始终在采空区的氧化带内。其缺点是实施注氮过程中工作烦琐，而且要求配合性较强。
钻孔注氮只适用于具备条件的煤矿的防灭火，其基本方法是在地面或井下某巷道内向井下火灾或具有火灾隐患的区域内打钻孔，然后通过钻孔向该区实施注氮，达到灭火或防火的目的。
插管注氮适用于处理工作面起采线、停采线或巷道高冒顶的火灾。其方法是向火源处直接插管，实施注氮。
4.3.7 本条是关于单个回采工作面注氮量计算的有关内容，依据现行行业标准《煤矿用氮气防灭火技术规范》MT/T701的有关规定制定。回采工作面注氮量按采空区氧化带内的漏风量大小计算注氮量，其实质是通过注氮将漏入采空区氧化带内风流氧浓度降低到惰化防火指标以下。工作面采空区氧化带的漏风量一般可取5m³/min～20m³/min。影响工作面采空区氧化带的漏风量主要有工作面风量、风阻、通风方式及采空区密闭性条件等因素，工作面风量越大、风阻越大、采空区密闭性条件越差，采空区氧化带的漏风量越大；工作面风量越小、风阻越小、采空区密闭性条件越好，采空区氧化带的漏风量越小。另外，工作面采用H型、W型、Y型等通风方式，采空区氧化带的漏风量增大，工作面采用U型通风方式，采空区氧化带的漏风量降低。
4.3.8 本条是选择制氮设备时能力备用系数的相关内容，依据现行行业标准《煤矿用氮气防灭火技术规范》MT/T701的有关规定制定。容易自燃煤层备用系数取大值，自燃和不易自燃煤层备用系数取小值。
4.3.9 本条是关于制氮设备备用的相关内容，目前国家其他标准尚无要求。经调研，目前煤矿正在使用的制氮设备大多未设置备用制氮设备，同时考虑制氮防火有别于主要通风机和瓦斯抽采泵等，因此本规范仅针对开采容易自燃煤层的矿井提出设置备用制氮设备的要求，要求备用设备数量和能力按不低于正常运行设备的50％，备用设备型号应尽量与正常运行设备一致。
4.3.10 本条是关于输氮管路选择和敷设的相关内容，依据现行行业标准《煤矿用氮气防灭火技术规范》MT/T701的有关规定制定。不同直径输氮钢管阻力损失系数见表4。
表4 不同直径输氮钢管阻力损失系数
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