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注氮流量的计算 |
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近年来，注氮防灭火已被列为综采放顶煤采煤法主要的防灭火措施，由于每个矿井的地质构造、煤层开采条件及外围因素各不相同，因此确定制氮设备的能力就成为一个比较棘手的问题。从理论上讲，注氮流量越大，防灭火（特殊是灭火）的效果就越好，反之就越差，甚至不起作用。要使选择的制氮设备既能满足防灭火的注氮流量要求，又能充分体现经济技术上的合理性，根据目前国内20余个局矿应用氮气防灭火的经验，我们认为，在设计时应着重考虑以下几个指标。
（一）采空区防火惰性指标
预防综放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，使氧含量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气浓度的高低反映出注氮效果的好坏，因此把氧含量临界值作为惰化指标是合理的。根据国内外实验研究表明：当空气中氧含量降低到7%～10%时煤就不易被氧化，我国《煤矿安全规程》也明确规定，注氮后采空区氧化带含量应小于7%。；因此在拟定采空区防火惰化指标时应以7%作为设计依据。
（二）火区惰化指标
采空区或巷道一旦发生火灾，采用注氮方法灭火时，在注氮初期注氮流量要大，这是因为一方面要迅速将火区空间惰化，另一方面注入的氮气还要惰化漏进的新鲜风流。火区惰化后，继续注入的氮气主要起惰化漏风的作用，注氮流量就相应减少。国外如德国和法国，灭火注氮流量一般每分钟为几十至几百立方米，总耗氮量达数十到数百万立方米，若据此计算，我国制氮设备的制氮能力和煤矿自身的经济承受能力是无法满足的。通常灭火注氮量可按封闭火区体积的3倍左右计算。
实验研究表明：气体成为中当氧含量低于5%时就能阴止煤炭的氧化和燃烧，为防止采空区内可燃性气体因明火而发生爆炸，火区惰化指标应以氧含量低于3%为设计指标。
（三）采空区防火注氮流量的理论计算
由于煤矿条件千差万别，目前没有统一的且也不可能有统一的计算公式，目前只能按综放面（综采面）的产量、吨煤注氮量、瓦斯量、氧化带内氧含量进行计算。
1、按产量计算
此法计算的实质是在单位时间内注氮充满采煤所形成的空间，使氧气浓度降到惰化指标以下，其经验计算公式为：
QN=[A/(1440ρtn1n2)]×(C1/C2-1) (1)
式中:
QN——注氮流量，m3/min;
A ——年产量，T；
t ——年工作量，取300d；
ρ ——煤的密度，t/m3；
n1——管路输氮效率，%；
n2——采空区注氮效率，%；
C1——空气中的氧含量，取20.8%；
C2——采空区防火惰化指标，取7%。
2、按吨煤注氮量计算
此法计算是指综放面（综采工作面）每采出一吨煤所需要的防火注氮量。根据国内外的经验每吨煤需5m3氮气量，可按下式计算注氮流量：
QN =5AK/300×60×24
(2)
式中:
QN——注氮流量，m3/min;
A ——年产量,T;
K ——工作面回采率。
3、按瓦斯量计算
QN=QOC/（10-C）
(3)
式中:
QN——注氮流量，m3/min;
Q0——综放面（综采面）通风量，m3/min;
C——综放面（综采面）回风流中的瓦斯浓度。
4、按采空区氧化带氧含量计算
此法计算的实质是将采空区氧化带内的原始氧含量降到防火惰化指标以下，按下式计算：
QN={(C1-C2) Qv}/(
Cn+C2-1)
(4)
式中: QN——注氮流量,
m3/min；
QV——采空区氧化带的漏风量，m3/min;
C1——采空区氧化带内原始氧含量，(取平均值);
C2——注氮防火惰化指标,取7%;
CN——注入氮气中的氮气纯度。
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