綜放面鉆孔注氮防滅火技術(shù)及其應(yīng)用

段一軍

(大同煤礦集團有限責任公司 礦井建設(shè)管理處, 山西 大同 037003)

·試驗研究·

綜放面鉆孔注氮防滅火技術(shù)及其應(yīng)用

段一軍

(大同煤礦集團有限責任公司 礦井建設(shè)管理處, 山西 大同 037003)

采空區(qū)煤體自燃嚴重制約煤礦的安全高效生產(chǎn)，而放頂煤開采后采空區(qū)內(nèi)存在大量遺煤和松散煤柱。本文以云岡礦8633工作面回采時采空區(qū)殘煤易發(fā)生自燃的問題為研究對象，通過鉆孔設(shè)計，應(yīng)用注氮系統(tǒng)實施井上下聯(lián)合注氮。至注氮30日時，井上下共注氮984.4 t，啟封工作面推進后，采空區(qū)內(nèi)CO濃度維持在24×10-6及以下，實現(xiàn)了工作面的安全高效開采。

綜放面；鉆孔注氮；火災(zāi)防治

火災(zāi)是礦井常見的五大災(zāi)害之一，而采空區(qū)遺煤和松散煤柱自燃是礦井發(fā)生火災(zāi)的主要因素。采空區(qū)煤體自燃火源點探測難度大，治理難度存在諸多困難，如若不及時治理不僅浪費大量的煤炭資源，而且還嚴重制約煤礦的安全高效生產(chǎn)[1，2].綜合機械化放頂煤開采技術(shù)是厚煤層降本提效開采的關(guān)鍵技術(shù)，但其大規(guī)模推進的同時使得采空區(qū)冒落帶、裂隙帶高度大幅增加，造成垮落的上覆巖層不能充分充填采空區(qū)，裂隙帶有時直通地面。此外放頂煤開采后采空區(qū)內(nèi)存在大量遺煤和松散煤柱[3]，因此，采用放頂煤開采自燃、易自燃煤層時，應(yīng)實施防滅火技術(shù)，抑制采空區(qū)遺煤和松散煤柱自燃。

1 工作面概況

云岡礦8633工作面位于本井田的東南部，工作面長330 m，緊鄰8615工作面、宏達煤礦破壞區(qū)及406皮帶巷、軌道巷和回風巷3條盤區(qū)巷。8633工作面主采12#煤層，平均埋深320 m，厚為3.2～7.2 m，平均5.8 m，普氏硬度f為3，傾角1°～2°，自燃傾向性等級為Ⅰ級，煤塵具有爆炸危險性，屬穩(wěn)定賦存煤層。工作面基本頂為中細砂巖，平均厚度24.9 m，直接頂為粉細砂巖，平均5.34 m，直接底為粉細砂巖，厚度2.6～5.46 m，平均3.85 m，共布置4條巷道，采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤開采，自燃跨落法管理頂板，采高3 m，放煤2.8 m.

工作面推進至224 m處時，安全人員在回風流中檢測CO濃度超標，回風流中有炭煙味，時有藍煙涌出。根據(jù)已有工程實踐，8633工作面停止生產(chǎn)并封閉工作面。

2 注氮防滅火機理[4]

氮氣標準大氣壓下性質(zhì)穩(wěn)定，難溶于水，當溫度達-195.8 ℃時可實現(xiàn)液化。注氮防滅火技術(shù)主要是在礦井日常生產(chǎn)狀態(tài)下，將液態(tài)氮通過管路灌注至指定采空區(qū)位置，液態(tài)氮急速氣化，大幅吸收采空區(qū)自燃時期火區(qū)熱量，降低采空區(qū)溫度及氧氣濃度，使得采空區(qū)火區(qū)氧氣濃度達不到煤炭自燃的條件，進而使采空區(qū)火區(qū)逐漸熄滅。

根據(jù)礦井的開拓方式、回采情況、煤自燃傾向和發(fā)火周期，注氮防滅火技術(shù)主要有埋管注氮、拖管注氮、鉆孔注氮和密閉注氮等。注氮防滅火的參數(shù)包括注氮量、輸?shù)芫W(wǎng)直徑和輸?shù)芫W(wǎng)壓力等。

3 鉆孔設(shè)計

鉆孔設(shè)計是井上注氮、灌漿、填埋與井下注氮、堵漏、局部密封等進行采空區(qū)自燃火災(zāi)防治的基礎(chǔ)性工作，直接影響防滅火的工期和質(zhì)量。

根據(jù)已有工程施工技術(shù)，注氮鉆孔在采空區(qū)火區(qū)高溫區(qū)域地面開孔，終孔至12#煤層頂板，孔徑90 mm，頭部加花管，鉆孔加套管。采用CFD數(shù)值模擬軟件確定注氮、注漿鉆孔擴散半徑為90 m.結(jié)合注氮、漿擴散半徑，自切眼位置向工作面推進方向布置3排鉆孔，間排距為40 m×25 m，共打53個鉆孔。8633工作面采空區(qū)注氮鉆孔平面布置見圖1.

圖1 采空區(qū)注氮鉆孔平面布置圖

4 注氮系統(tǒng)

注氮系統(tǒng)主要由3臺33 m3地面液氮儲存罐、2臺最大流量4 m3/h的低溫泵和輸送管路組成。地面注氮的液氮由液化站運至采空區(qū)指定位置，按照注氮要求將液態(tài)氮經(jīng)低溫泵通過注氮管路沿鉆孔輸送至采空區(qū)高溫區(qū)域。經(jīng)相關(guān)計算，防滅火注氮量Q為15.56 m3/min、輸?shù)芫W(wǎng)直徑D為338.58 mm、輸?shù)芫W(wǎng)壓力為0.37 MPa.地面注氮流程見圖2.

圖2 注氮流程示意圖

工作面回采期間井下穩(wěn)設(shè)兩臺膜分離井下移動式制氮裝置對采空區(qū)進行注氮防火。注氮機安設(shè)在12#層406南部盤區(qū)5617-1巷軌道巷回風巷中間并與回風巷形成獨立通風系統(tǒng)。注氮路線為：12#層406南部盤區(qū)軌道巷皮帶巷制氮機房→12#層506-3回風巷→12#層406-3皮帶巷→12#層406-8皮帶巷→2633工作面皮帶巷→工作面古塘氧化帶。

5 工業(yè)應(yīng)用

根據(jù)采空區(qū)火源探測結(jié)果，在地面安裝鉆孔注氮防滅火系統(tǒng)。

在進行防滅火施工過程時需實施如下安全技術(shù)措施：1) 制氮裝置的操作與維修，必須按使用說明書的要求進行。2) 制氮裝置的運行，必須按操作規(guī)程制定各工種崗位責任制。3) 采用1套制氮設(shè)備進行8633綜放工作面采空區(qū)氧化帶注氮防火，必須并保證注氮量不低于993.6 m3/h，若注氮量低于993.6 m3/h，則采用備用注氮系統(tǒng)注氮。4) 在正常情況下備用制氮設(shè)備不啟用，當工作面非正常生產(chǎn)超過1天，或回風流中出現(xiàn)CO濃度上升超過24×10-6的情況下，采用兩套設(shè)備，每天3班連續(xù)注氮，直到工作面恢復正常回采，或CO濃度顯著下降并持續(xù)較長時間為止。5) 在正常情況下備用制氮設(shè)備不啟用，當工作面非正常生產(chǎn)超過1天，或回風流中出現(xiàn)CO濃度上升超過24×10-6的情況下，采用2套設(shè)備，每天3班連續(xù)注氮，直到工作面恢復正常回采，或CO濃度顯著下降并持續(xù)較長時間為止。6) 定時觀察注氮量和氮氣純度，確保注入采空區(qū)內(nèi)的氮氣純度≥98%，如果低于98%必須排空，不得注入采空區(qū)。

根據(jù)采空區(qū)火源探測結(jié)果，在地面通過鉆孔向8633工作面采空區(qū)實施不間斷24 h注氮，至注氮30日時，8633工作面已累計注氮874 t，井下累計注氮110.4 t，共計984.4 t.至90 d時，啟封工作面，截止到工作面推進1 366 m時，采空區(qū)注氮后CO和CO2氣體變化見圖3.

圖3 觀測孔CO和CO2氣體溫度變化示意圖

分析可知，啟封工作面后，采空區(qū)內(nèi)CO濃度維持在24×10-6及以下，說明此次采空區(qū)自燃火災(zāi)防治工作措施到位，可實現(xiàn)工作面的安全高效開采。

6 結(jié) 語

1) 液態(tài)氮通過管路灌注至指定采空區(qū)位置，液態(tài)氮急速氣化可大幅吸收采空區(qū)自燃時期火區(qū)熱量，降低采空區(qū)溫度及氧氣濃度，使采空區(qū)火區(qū)逐漸熄滅。

2) 綜放面鉆孔注氮防滅火技術(shù)可有效降低采空區(qū)內(nèi)CO濃度，使其維持在24×10-6及以下，可實現(xiàn)工作面的安全高效開采。

3) 8633綜放面鉆孔注氮防滅火技術(shù)為類似工程地質(zhì)條件科學防治采空區(qū)自燃火災(zāi)提供科學依據(jù)。

[1] 吳新文.同家梁礦采空區(qū)自燃“三帶”范圍確定及分布規(guī)律[J].煤礦安全,2014(7):148-150.

[2] 王 玚,邢玉忠.凝膠N2泡沫滅火新材料的研究[J].煤礦安全,2016(1):47-50.

[3] 董建云.淺析煤礦火災(zāi)的危害及預防措施[J].山西焦煤科技,2009(S1):55-56,58.

[4] 張頤純.綜采放頂煤工作面采空區(qū)注氮防滅火技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學,2016.

Fire Prevention and Extinguish Technology and Application of Borehole Nitrogen Injection in Fully Mechanized Caving Working Face

Duan Yijun

Coal spontaneous combustion in goaf threatens the safety and efficient production seriously in coal mine. Coal and loose coal pillar in goaf often remain uncollected after top-coal caving. In this paper, the problem of spontaneous combustion caused by residual coal in mined-out area No.8633 workface in Yungang coalmine is studied. By optimized designing of the borehole, the nitrogen injection system carried out both on the surface and underground. Within 30 days, the total nitrogen injection reached 984.4 t. After the unsealing work, the concentration of CO in goaf maintained at 24×10-6or below, thus, safety production and efficiency guaranteed.

Fully mechanized caving working face; Drilling hole injection; Fire prevention and control

2016-06-28

段一軍(1972—)，男，山西大同人，2014年畢業(yè)于黑龍江科技大學，工程師，主要從事煤礦安全管理工作

(E-mail)413531389@qq.com

TD75+2

B

1672-0652(2016)09-0020-03