1. 工作面概况
II830工作面位于Ⅱ3采区北翼区段，开采上、下限为-355.541～-420.785m，位于8煤层突出危险区，该工作面采取保护层开采和大面积预抽相结合的区域瓦斯治理措施。工作面地质构造复杂，走向长（平均）597m，倾斜宽（平均）100m，工作面采用走向长壁一次采放全高采煤方法。
2. 煤层自燃倾向性
矿井属Ⅱ类自燃发火矿井，自然发火期为3~6个月。矿井主要回采的煤层为8、10煤层，煤尘具有爆炸危险性，10煤煤尘爆炸性指数为36.74%，8煤煤尘爆炸性指数为32.28%。
3. 氮气冷却装置
朱仙庄煤矿于2019年9月份在Ⅱ830工作面进架联巷安装一套氮气降温系统，设备型号为ZLDOG-1000G型煤矿用氮气冷却装置，该设备的主要技术指标如下：
1）处理的氮气流量：≤1000Nm3/h
2）氮气进气压力：0.1-1.0MPa
3）氮气进气温度：≤40℃
4）氮气排气温度：0-（-30℃）
5）氮气纯度：≥97%（02≤3%）
6）压缩机电机功率：37kw
本设备通过原有注氮管路连接到设备进气口，通过氟利昂液相变化吸热过程吸收原氮气温度，达到降低氮气温度至-20℃～-30℃，低温氮气注入采空区降低浮煤煤温，使浮煤不释放CO。
3.1 氮气制冷装置使用条件
（1）氮气管路要求制作100mm厚的聚氨酯保温，外面缠玻璃丝布刷玻璃钢防潮层两层。
（2）氮气管路尽可能缩短，管路远离水和地面。
（3）经理论计算，以上相同工况，经做100mm聚氨酯保温后，100m处管路外表面温度约为-20～-25℃。370m处氮气出口温度约为-10℃左右。
3.2 氮气冷却装置的使用规范
为进一步规范氮气冷却装置的使用，初步形成以下使用标准。
1）氮气冷却装置安装位置：收作工作面安装在机巷外口，尽可能缩短冷却后的N2输送距离，建议距离为200m以内。正常回采工作面安装于机巷总台开关列车位置，随开关列车向外挪移。
2）管路尺寸选择：在工作面机巷重新敷设一趟Φ65双层钢丝编织液压胶管，埋入采空区管路为4吋无缝钢管。两种管路在机巷下隅角多通处相连，根据工作面的进度，及时交替更换。
3）管路保温措施：管路按要求采用100mm厚的聚氨酯进行保温处理，外面用聚乙烯防腐冷缠带进行包裹处理。保温接头及茬口必须做到严密合缝，杜绝管路裸露，聚乙烯防腐冷缠带必须压茬紧密，使管路与外界环境充分隔离。
4）管路安装标准：管路吊挂高度离底板不应小于1.5m，每隔2m使用宽度150mm废旧皮带吊挂，管路吊挂平直，尽可能靠帮，不影响行人及机械设备运转。
5）日常使用管理：每天注氮前要对管路进行巡查，对管路及保温材料有损坏的及时维护或更换，对容易刮蹭及破坏的地点要采取强化保护措施，确保注氮效果。生产单位洒水灭尘时严禁将水洒到保温注氮管路上。
6）效果观测：管路末端留设一个三通，并安装一个6分瓦笼，在三通处安装温度传感器，监测管道N2温度，并与安全监控系统联网，实时上传监测数据，每班安排人员对管道内的N2温度进行人工检测及设备、管路巡查。
4. 现场应用
（1）第一阶段使用情况
1）注氮点位置及管径选择
制氮机型号为YJFT-1000，制氮能力为1000m³/h，制氮浓度不小于97%，放置在南二地面制氮机房。地面工广主管路为10吋，立井内两路注氮管路分别为8吋和6吋，采区干管为6吋。井下注氮管路遍布井下各采区，对工作面及采空区进行注氮防灭火工作。工作面机风巷铺设一趟4 吋管路，采空区预埋两趟注氮管路，压茬距离不大于20m。
2）注氮管路布置方案
当第一根注氮管埋入采空区20m左右后，即注氮口位于20m深处，打开阀门开始注氮。注氮管路每20米交替预埋，直至工作面采完。
3）第一阶段ZLDOG-1000G氮气冷却装置使用效果
管路保温材料橡塑保温棉20mm厚，保温面传热系数0.034W/㎡℃，因现场保温未作隔潮层，保温环境潮湿有淋水现象，保温棉含水量非常大，保温破损等问题，因此保温棉传热系数按0.068 W/㎡℃计算。
根据公式q=Π（tk-tf)/(1/2λ*lnD1/D0+1/αs*D1)计算出每100m管路冷量损失为5.089KW.
因施工环境问题，其中有约10m管路未进行保温，其中6m管路直接埋地。这10m管路冷量损失为1.7KW。管路总的冷量损失为6.789KW。
根据该冷量损失，计算得出管路温升为28.9℃，因管路内氮气与管路外表有1-2℃的传热温差，所以经过计算，100m管路氮气管路外表温度为0℃左右。与实际使用情况符合。
（2）第二阶段使用情况
根据第一阶段的试验，经调研、分析。最后确定方案为增大冷却后的氮气流速，在工作面机巷重新敷设一趟Φ65双层钢丝编织液压胶管，管路采用按要求制作100mm厚的聚氨酯进行保温处理，外面用聚乙烯防腐冷缠带进行包裹处理。
Ⅱ830工作面机巷氮气管路出口埋入采空区约20m。氮气冷却装置距离工作面下隅角距离约110m，具体情况如下。
工作面机风巷两预铺两根测温光缆，随着采煤工作的回采，两帮预铺设的测温光缆被逐步埋入采空区，现机巷测温光缆埋入采空区40m，信号实时上传至KJ90X安全监控系统，实现远程温度连续监测。
采空区测温光缆敷设示意图
南二地面制氮系统采用DM-5000制氮机，在制冷装置进气端处压力为0.3 MPa ，地面制氮量为1250 Nm3/h ，ZLDOG-1000G型煤矿用氮气冷却装置设备运行正常。
未经冷却前机巷采空区内温度为26℃以上，风巷采空区内温度为36℃以上，经过对机巷采空区注氮连续降温后，机巷采空区内温度为20℃以下，风巷采空区内温度为32℃以下。
从6月4日开始制冷装置连续运行，并对冷却后的氮气温度进行连续检测，设备出口氮气温度平均在-30℃以下，管路表面能够见到明显的结霜现象。在距离下隅角12m位置处（距设备100m处），氮气温度为-23℃左右，利用机巷预埋的测温光纤，测得采空区内20m处温度最低为10.5℃左右。
5. 应用效果
通过II830氮气冷却装置第一阶段的试用，对试用过程中存在的诸多问题进行调研分析，对现场氮气冷却装置的使用提出了建议和意见，在第二阶段的应用中，经观测实用，改进后氮气冷却装置使用趋于正常，氮气降温后的增效效果明显，距离机巷下隅角12m处氮气温度最低为-23℃左右，利用机巷预埋的测温光纤，测得机巷采空区内20m处温度最低为10.5℃左右，采空区内总体温度降低4~6℃，采空区CO由冷却前的50ppm左右降至30ppm左右，低温N2的注入对于抑制采空区遗煤氧化效果显著。有效降低了采空区煤层自然发火隐患，在应用过程中通过相关数据的采集、分析、研究，为采空区自然发火防治提供技术指导。
6. 建议
1）为更好的适应矿井下的工作条件，建议厂家将氮气冷却装置设计的体积更小、能力更强。
2）现氮气管路保温使用的100mm厚的聚氨酯，保温后注氮管路直径达315mm，过于笨重。建议在保证保温效果不变的情况下，尽可能缩小保温管路的直径。
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作者简介：孙荣贵（1984-），男，本科，工程师，主要从事煤矿安全生产技术与管理方面的工作。
