注氮對采空區(qū)氧濃度和三帶寬度的影響

蘇來旺

（山西汾西瑞泰井礦正行煤業(yè)有限公司， 山西 左權(quán)032605）

1 引言

山西瑞泰正行煤礦1504工作面是采用綜采放頂煤開采的工作面，本工作面從開切眼向前推進27m，所用時間為23d時，采空區(qū)發(fā)生遺煤自燃事故，整個礦井封閉，封閉6個月后，通過對火區(qū)連續(xù)監(jiān)測，確定火區(qū)熄滅后，對火區(qū)實行分段逐步安全啟封，并對著火過的1504工作面進行重新回采，為了保證該工作面的安全回采，本次防治1504工作面采空區(qū)遺煤重燃的主要措施之一是建立井下移動注氮系統(tǒng)，并在工作面下風(fēng)巷預(yù)埋直徑10 cm金屬鋼管向采空區(qū)注氮，并通過工作面預(yù)埋的束管監(jiān)測系統(tǒng)，實測不同注氮工藝下沿工作面走向采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度變化情況，確定注氮工藝對采空區(qū)遺煤氧化“三帶”寬度分布的影響。

2 1504工作面概況

1504工作面所采的15煤，煤層穩(wěn)定，總厚度5.4～7m，平均6.2m，煤層頂為砂質(zhì)泥巖，走向長度618m，傾向長度150m，傾角為7°，回采工作面絕對瓦斯涌出量為20～60 m3／min，相對瓦斯涌出量為9.77m3／t，為高瓦斯煤層。15煤頂板上方為14煤，層間距僅為7m。15煤和14煤都是易自燃煤層且15煤含磷1.36%，含硫量2.71%，14煤含磷1.86%，含硫量3.69%。

3 采空區(qū)注氮方式

根據(jù)井下條件，選擇將制氮機放置采區(qū)軌道上山與回風(fēng)上山之間的聯(lián)絡(luò)巷中，注氮干管采用直徑10cm金屬鋼管，沿著1504工作面進風(fēng)巷進行布設(shè)，間隔10m用鐵絲固定在支柱上，當(dāng)注氮管進入采空區(qū)前，每隔25 m加一個三通，開口向采空區(qū)，并加上端蓋堵死。當(dāng)三通到達上采空區(qū)位置時，拆除端蓋接上出口管，并在支管上安裝閘閥，以控制氮氣的注入量。在出口管周圍架設(shè)木垛防止垮落頂板砸壞管子，出口端連接埋管器，并加上防堵銅網(wǎng)。如圖1所示，注氮管出口管采用90°彎頭，出口正對采空區(qū)。

圖1 工作面注氮埋管示端頭示意圖

為了防止采空區(qū)積水倒流到注氮管內(nèi)，影響注氮效果，將注氮管出口墊高50mm，使注氮管出口高于采空區(qū)底板；當(dāng)工作面向前推進時，注氮管逐漸埋入采空區(qū)，到第一個注氮口進入采空區(qū)25m時，打開閘閥開始向采空區(qū)注氮。當(dāng)?shù)诙€注氮口進入采空區(qū)25 m時，封閉第一注氮口，整個注氮方式采用25m間距的邁步前進方式進行，每天注氮12 h，注氮量1 000m3／h。

4 采空區(qū)氣體成份的測定

為了測定1504工作面在推進過程中，采空區(qū)遺煤氧化與遺煤氧化“三帶”寬度情況，本次測試地點是1504工作面，具體試驗方法是沿1504工作面上、下風(fēng)巷各預(yù)埋5趟溫度測定探頭與5趟束管，工作面測試長度為沿工作面走向方向200m長，測定溫度導(dǎo)線與束管都放入直徑5cm鋼管內(nèi)保護好，測定點每隔20m設(shè)置一組，具體布置如圖2所示。為了有效抽取采空區(qū)氣樣，準確測定取樣點的氣體成份，防止保護管口將工作面風(fēng)巷氣體抽入到束管中，用環(huán)氧樹脂將保護管的三通與法蘭處封堵；同時在套管四周打上進氣孔，用銅網(wǎng)將套管四周孔眼保護住，并用木垛將采樣裝置保護好，如圖3所示。

圖2 采空區(qū)束管與測溫布置示意圖

圖3 套管布置圖

為了提高取樣的有用性與準確性，當(dāng)?shù)谝粋€取樣點埋進采空區(qū)25m后才開始取樣，每天由汾西瑞泰通風(fēng)部與安徽理工大學(xué)項目部各派一人下井開啟抽氣泵，每次取樣前一般情況下應(yīng)需預(yù)先抽氣30min，排除束管內(nèi)存積的空氣，當(dāng)采集氣樣出口出現(xiàn)霧狀氣體時，才開始采集采空區(qū)抽出的氣樣，并立即放入取樣袋內(nèi)，整個實驗取樣最大長度為200 m。采集的氣樣當(dāng)天送瑞泰公司實驗室進行進行氣相色譜分析，并將測定結(jié)果通知汾西瑞泰通風(fēng)部與安徽理工大學(xué)項目，以便綜合分析，對出現(xiàn)問題可即時處理。

5 實驗結(jié)果的分析

為了掌握注氮后沿1504工作面走向采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度與注氮工藝下采空區(qū)“三帶”的變化情況。通過對采空區(qū)10個測點氣體濃度隨1504工作面向前推進過程中O2濃度測定結(jié)果的綜合分析，得出了1504工作采空區(qū)在現(xiàn)有回采工藝情況下，對采空區(qū)注氮12h條件下與不注氮情況下采空區(qū)內(nèi)部O2濃度沿采空區(qū)走向長度方向變化情況，具體結(jié)果見表1和圖4。

表1 注氮前后O2濃度沿采空區(qū)走向變化情況

圖4 采空區(qū)氧的濃度沿走變化趨勢示意圖

表1與圖4顯示：采空注氮改變了采空區(qū)氧氣濃度沿采家區(qū)走向方向的分布，對采空區(qū)注氮后采空區(qū)氧氣濃度沿采空區(qū)走向氧濃度下降的梯度比未注氮情況下快，主要影響采空區(qū)區(qū)域是沿采空區(qū)走向方向70～80 m之間，所以采空區(qū)注氮后改變了采空區(qū)沿走向方向氧氣濃度分布規(guī)律，起到惰化采空區(qū)遺煤的目的。

6 注氮后采空區(qū)“三帶”寬度的影響

為掌握采空區(qū)注氮前后采空區(qū)“三帶”寬度的影響，以測點測得的數(shù)據(jù)為計算模型的邊界條件，由于采空區(qū)可視為二維空間，其冒落的矸石視為連續(xù)孔隙介質(zhì)，對應(yīng)的氣體流場可假設(shè)為二維流場，依據(jù)孔隙介質(zhì)滲流力學(xué)理論，以達西滲透定律為本構(gòu)方程，利用有限元計算方法，將采空區(qū)劃分成為若干個邊長為10m的等腰直角三角形單元；通過計算機多次疊代計算，得出單元各邊的比風(fēng)速，根據(jù)各單元邊計算的比風(fēng)速值與實測的1504工作面注氮前后采空區(qū)氧氣濃度變化情況，得出1504工作面注氮前后采空區(qū)“三帶”寬度的分布圖，如圖5所示。

圖5 1504綜放面采空區(qū)遺煤氧化的“三帶”寬度分布圖

7 結(jié)論

采空區(qū)注氮是惰化采空區(qū)最有效手段之一。為了提高注氮效果，必須加強對采空區(qū)內(nèi)氧濃度的監(jiān)測。根據(jù)1504工作面注氮與不注氮兩種情況下對采空區(qū)氧氣濃度實測的結(jié)果知：為了較好抑制采空區(qū)的遺煤自燃，在現(xiàn)有的注氮量情況下，注氮時間應(yīng)大于12h。

降低采空區(qū)漏風(fēng)源與漏風(fēng)匯之間的壓差是降低采空區(qū)漏風(fēng)量的大小決定因素，也是提高采空區(qū)注注氮效果與惰化采空區(qū)遺煤自燃的有效手段之一。可通過開區(qū)均壓與采空區(qū)局部封堵，以減少漏風(fēng)量，達到較好的惰化采空區(qū)遺煤自燃的效果。

1504工作面在現(xiàn)有注氮條件下，注氮后采空區(qū)“三帶”寬度比注氮前變窄20m左右。

［1］何啟林.采空區(qū)瓦斯彌散流場研究［J］.焦作工業(yè)學(xué)院學(xué)報［J］，1997，（3）：36－40.

［2］章本照.流體力學(xué)中的有限元方法［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1986.

［3］何啟林，鄭旺來.徐莊煤礦綜放采空區(qū)“三帶”寬度的確定［J］.煤礦安全，2001，（2）：6－7.