适用读者： 煤矿矿长、总工程师、通防副总、通风科长、防灭火队长、制氮车间主管

作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学矿山自燃火灾防治科研团队技术支持

一、行业痛点与技术难点：采空区隐蔽自燃与注氮盲区危机

采空区遗煤自燃是威胁高产高效综放与综采矿井安全的严重隐患。

在陕北榆林神木、府谷、彬长以及新疆、内蒙古等矿区，煤层开采普遍具有“大采高（采高 $4.5 \sim 7.5\text{m}$）、工作面推进速度波动、采空区浮煤堆积厚度大（$0.8 \sim 1.5\text{m}$）”的特征：

  1. 采空区漏风供氧促使遗煤蓄热：在矿井全负压通风作用下，新鲜风流经工作面进风顺槽向采空区持续漏风，为高活性遗煤持续供给氧气，氧化升温带宽度常达 $60 \sim 180\text{m}$；
  2. 注氮参数缺乏科学定量设计：部分矿井注氮存在“盲目注、凭感觉注”现象，注氮流量偏小（仅 $200 \sim 400\text{ m}^3/\text{h}$）、注氮管路埋设位置过深或过浅，导致注入的高纯氮气被风流短路带入回风巷，采空区深部自燃火源点无法有效惰化；
  3. 停采撤架期间爆发性发火：工作面停采封闭或末采贯通时，工作面推进速度归零，氧化升温时间突破最短自然发火期（$30 \sim 45\text{d}$），极易发生 $\text{CO}$ 浓度骤增甚至明火燃烧。
工作面推进放顶 + 采空区大量碎煤堆积
  ↓ 全矿通风负压抽吸形成漏风流场
新鲜风流向采空区渗透（氧气浓度 O_2 ≥ 10%~18%）
  ↓ 遗煤发生低温氧化释放热量并持续蓄积
落实《煤矿防灭火细则》与科学注氮参数体系
  ├── 精确计算注氮防火流量 Q_N2（800~1500 m³/h）与纯度（≥97%）
  └── 实施顺槽埋管靶向注氮 + 束管连续监测将采空区氧浓度压降至 ≤5% 窒息带

因此，开展采空区注氮防灭火工程参数精细化设计，查明氮气在采空区多孔介质中的运移扩散规律，是总工程师守牢矿井防灭火安全防线的核心技术举措。

二、多孔介质渗流与气相扩散方程：注氮流量与氧浓度衰减模型

注入采空区的氮气运移受采空区漏风流场强迫对流与分子/弥散扩散效应共同控制。

1. 采空区氧气-氮气双组分对流扩散动力学方程

采空区多孔介质中氧气浓度 $C_{O2}$ 与氮气浓度 $C_{N2}$ 的空间演化遵循纳维-斯托克斯对流扩散方程：

$$\frac{\partial (\phi \cdot C_{O2})}{\partial t} + \nabla \cdot (\mathbf{v}_{leak} \cdot C_{O2}) = \nabla \cdot (D_{disp} \cdot \nabla C_{O2}) - V_{O2}(T, C_{O2}) + S_{N2\_dilution}$$

式中：$\phi$ 为采空区碎石堆积孔隙率（$0.15 \sim 0.35$）；$\mathbf{v}_{leak}$ 为采空区漏风渗流速度矢量（$\text{m/s}$）；$D_{disp}$ 为气体水动力弥散系数；$V_{O2}(T, C_{O2})$ 为遗煤在温度 $T$ 下的耗氧速率常数；$S_{N2\_dilution}$ 为注氮管路释放高纯氮气的源项稀释贡献率。

采空区多孔介质漏风与氮气扩散动力学图
图2：采空区多孔介质漏风流场分布、靶向埋管注氮扩散运移与氧浓度压降至 5% 窒息区云图

2. 采空区防灭火设计注氮流量计算公式

依据《煤矿防灭火细则》，采空区连续预防性注氮流量 $Q_{N2}$（$\text{m}^3/\text{min}$）的计算模型为：

$$Q_{N2} = \frac{Q_{leak} \cdot (C_{in} - C_{target})}{C_{N2\_inj} - C_{target}} \cdot k_{safety}$$

式中：

  • $Q_{leak}$ 为采空区实际漏风量（实测通常为 $15 \sim 35\text{ m}^3/\text{min}$）；
  • $C_{in}$ 为漏风风流带入采空区的原始氧气浓度（$20.9\%$）；
  • $C_{target}$ 为采空区防灭火控制目标氧浓度（常规预防取 $5.0\%$，熄灭隐患火源取 $3.0\%$）；
  • $C_{N2\_inj}$ 为地面制氮设备输出的氮气纯度（通常 $\ge 97\% \sim 99\%$）；
  • $k_{safety}$ 为备用与漏损安全系数（取 $1.2 \sim 1.4$）。

计算实例：当采空区漏风量 $Q_{leak} = 25\text{ m}^3/\text{min}$，注入氮气纯度 $98\%$，目标氧浓度 $5\%$ 时：

$$Q_{N2} = \frac{25 \times (0.209 - 0.05)}{0.98 - 0.05} \times 1.3 = \mathbf{5.98\text{ m}^3/\text{min} \approx 360 \sim 600\text{ m}^3/\text{h}}$$

对于综放特厚煤层工作面，推荐配置 $800 \sim 1500\text{ m}^3/\text{h}$ 的连续注氮能力。

三、注氮工艺参数与靶向埋管步距设计

为了确保注入的氮气能够精准覆盖采空区氧化升温带，必须严格把控注氮工艺参数：

关键工艺参数 设计标准数值 作用机理与控制要求
制氮设备出口纯度 $\ge 97.0\%$（建议 $98.5\%$） 纯度低于 97% 会降低惰化效率，增加总供气负荷
注氮管路出口压力 $0.4 \sim 0.8\text{ MPa}$ 克服井下长距离输送管道阻力，确保末端微正压释放
注氮管埋入采空区深度 $20 \sim 45\text{ m}$ 避开进风侧高漏风散热带，直接注入氧化自热带核心区
注氮管路交替步距 $40 \sim 60\text{ m}$ 随工作面推进每隔 40~60m 开启新埋管，关停废弃老管，实现无缝接力
停采撤架期强化注氮量 $1200 \sim 1800\text{ m}^3/\text{h}$ 工作面停采后 24 小时连续强化注氮，维持全采空区氧浓度 $<3\%$
井下顺槽埋管注氮阀门与束管监测现场
图3：防灭火技术人员在工作面顺槽调节采空区埋管注氮控制阀并巡检束管气体采样箱

四、主要防灭火注氮装备与监测仪器配置

地面制氮机组与井下防爆氮气流量计特写
图4：地面变压吸附（PSA）大型制氮主机、井下防爆流量计量柜与高精度氧浓度传感器特写
装备仪器名称 规格型号 核心技术功能 性能与技术指标
地面变压吸附制氮机组 PSA-1500/98 矿用型 采用碳分子筛吸附常温空气分离制备高纯氮气 产氮量 $1500\text{ m}^3/\text{h}$，氮气纯度 $97.0\% \sim 99.5\%$ 可调
矿用防爆氮气流量计 LUGB 涡街流量计 实时在线监测井下各分支注氮管路的瞬时与累积流量 本安防爆型，测量精度 $\pm 1.0\%$，配备 RS485 遥传
矿井多组分束管监测系统 KJ90-SG 型束管测温测气 24 小时连续自动抽取采空区深部测点气样进行色谱分析 巡检周期 $<2\text{h}$，可精准分析 $\text{O}_2, \text{CO}, \text{CH}_4, \text{C}_2\text{H}_4$
深孔铠装多点测温光纤 DTS 分布式光纤测温系统 沿顺槽埋入采空区深部实时监测全断面温度场演化 测温距离 $0 \sim 5000\text{ m}$，空间定位精度 $\pm 0.5\text{ m}$，温控精度 $\pm 0.5^\circ\text{C}$

五、工程案例复盘与防灭火实效：神木某特厚煤层矿井注氮工程

以下结合神木市某年产 300 万吨矿井 2201 综采工作面采空区注氮防灭火工程进行深度对账。

总工程师与防灭火专家组在方案评审会
图5：中国矿业大学防灭火科研团队与煤矿总工程师在矿区调度室审定采空区注氮效果对账表

1. 工程背景与发火风险

  • 地质与回采条件：开采 2-2 煤层，平均采厚 6.2m，煤层自燃倾向性为容易自燃（Ⅰ类），最短自然发火期 38 天；
  • 自燃险情：工作面推进至 850m 处遭遇地质构造减速回采，回风隅角及采空区深部 45m 处束管监测发现 $\text{CO}$ 浓度由 0 异常攀升至 $45\text{ ppm}$，温度达 $42^\circ\text{C}$，出现明显自燃早期升温隐患。

2. 治理方案与注氮参数调控

神木某矿采空区注氮防灭火应急工程实施对账：
  ├── 启动地面 PSA-1500 制氮机组，开启进回风双路埋管连续注氮（流量 1200 m³/h，纯度 98.2%）
  ├── 实施顺槽埋管步距优化：由原 80m 一插调整为 45m 一插，确保注氮口紧贴氧化带前沿
  ├── 配套注阻化剂与高分子胶体：对高温点实施高压深孔压注氯化镁阻化剂溶液 150 m³
  └── 治理成效：连续注氮 72h 后，采空区深部氧浓度由 12.5% 骤降至 3.8%（进入绝对窒息区）
        ↓ 1 周内 CO 浓度完全降至 0 ppm，温度降至 21℃ 正常常温，安全化解自燃险情

六、矿长与总工防灭火迎检自查清单

总工程师在组织防灭火迎检与采空区注氮安全检查时，必须核验以下 6 项核心内容：

  • 采空区综合防灭火专项设计方案：包含注氮流量计算书、注氮管路布置图及集团公司批准文件的审批文本。
  • 地面制氮站连续运行与纯度台账：制氮机每日产气量、出口压力与化验纯度（$\ge 97\%$）运行记录。
  • 采空区束管气体连续监测日报表：包含 $\text{O}_2, \text{CO}, \text{CH}_4, \text{C}_2\text{H}_4$ 及格雷厄姆指数 $R$ 的每日分析单。
  • 井下注氮管路与阀门完好性台账：各采区注氮干管、支管打压试验报告与注氮步距交替记录单。
  • 应急备用阻化剂与注浆系统：矿井阻化剂泵站、高分子防灭火材料库存量满足应急调用 3 天以上需求。
  • 火区封闭与启封专项安全措施：符合《煤矿防灭火细则》规范的永久密闭施工与定期取样化验记录。

    • 七、常见问题深度解答 (FAQ)

    Q1：为什么采空区注氮纯度必须要求达到 97% 以上？

    答： 注入采空区的氮气主要通过稀释置换降低氧气浓度。如果注入的氮气纯度偏低（例如仅 93%~95%），其自身携带的 $5\% \sim 7\%$ 氧气会严重削弱惰化稀释效果，导致需要成倍增加注氮流量才能使采空区降至安全氧浓度（$<5\%$），大幅增加空压机与制氮电耗，甚至因注气扰动在局部造成反向供氧。

    Q2：注氮管埋入采空区的最佳位置一般在何处？

    答： 最佳位置为氧化升温带的前沿偏采空区深部侧（通常距切眼或工作面煤壁 $25 \sim 40\text{ m}$ 处）。若埋管过浅（$<15\text{m}$），注入的高纯氮气会被工作面负压风流直接抽入回风顺槽造成短路浪费；若埋管过深（$>60\text{m}$），则无法在遗煤发生氧化升温的起始阶段建立惰性保护层。

    Q3：工作面停采撤架期间应如何实施防灭火注氮？

    答： 停采撤架期间由于推进停止，漏风氧化时间大幅延长，必须采取“停采强化注氮 SOP”：① 在末采贯通前 7 天，将注氮量提升至正常期的 $1.5 \sim 2.0$ 倍；② 在工作面沿线敷设多路均压注氮花管；③ 停采支架撤除期间保持 24 小时连续不间断注氮，确保采空区氧浓度全域稳定在 $3\%$ 窒息带以内。

    参考依据与标准规范

    1. 煤矿防灭火细则（2021版），国家矿山安全监察局
    2. AQ 1020-2006《煤矿井下自燃火灾防治技术规范》
    3. GB 50215-2015《煤炭工业矿井设计规范》
    4. 煤矿安全规程（2025版），国家矿山安全监察局
    5. GB/T 44819-2024《煤自燃标志气体色谱测定方法》
    6. 矿安〔2026〕81号《国家矿山安全监察局关于进一步加强煤矿重大灾害精准治理与安全风险辨识评估的指导意见》

    关于作者与中矿天智服务承接

    张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理，长期服务陕北榆林、神木、府谷，山西及内蒙古各大煤矿企业。

    防火工程与技术检验深度依托 中国矿业大学矿山自燃火灾防治科研团队，具备国家法定资质认证。

    承接业务范围：

    • 采空区注氮防灭火工程参数设计、注氮管网优化与施工总承包；
    • 矿井煤自燃标志气体色谱测定（GB/T 44819-2024）与自燃倾向性鉴定；
    • 采空区高分子柔性密闭、阻化剂喷洒与高温火区靶向注浆灭火；
    • 矿井瓦斯等级鉴定、通风阻力测定与重大灾害综合风险评估。

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    声明：文中技术参数与案例数据已依法进行脱敏处理，具体矿井注氮工程需结合采空区漏风与自燃发火期专项论证。