深井自燃煤層注復合惰氣防滅火技術(shù)研究

鄒宗旺 ?？?唐 禮

（1.山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟寧 272055；2.山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590）

煤炭是我國最主要的能源，對于國民經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展起著重要的作用。然而受采空區(qū)遺煤自燃影響，我國每年由煤炭自燃而損失的煤炭多達2億t，給礦井造成了極大的經(jīng)濟損失。隨著礦井開采深度的增加，采空區(qū)遺煤自然發(fā)火形勢將更加嚴峻。尤其當?shù)V井在停采、遇斷層期間，其采空區(qū)遺煤自然發(fā)火危險性將進一步加劇。

目前，注CO2防滅火技術(shù)是深井自燃礦井用于井下煤自然發(fā)火防治工作中最有效的手段之一， 然而CO2由于制備成本較高，在停采或過斷層期間大面積長時間注入時其成本昂貴，經(jīng)濟效益相對較差。因此根據(jù)現(xiàn)有注惰性氣體的優(yōu)缺點，提出了將CO2及N2等按比例混合制成復合惰化氣體，采用復合惰化氣體用于深井自燃防滅火工作中的新思路。

1 礦井概況

唐口煤礦位于濟寧市西部，行政區(qū)劃屬濟寧市任城區(qū)南張鎮(zhèn)管轄。井田南北長11.4～12.6km，東西寬2.1～7.4km，面積72.2189km2，開采深度標高-650m～ -1300m。5306工作面是530采區(qū)的第6個回采工作面，工作面標高-930.3～ -879.4m，煤層厚度3.0～9.9m，平均厚度5.5m，煤層傾角在0～12°之間，平均5°，原巖溫度在30℃。工作面寬248m，可采長度為1800m。經(jīng)鑒定：5306煤層屬于Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為69d。

2 停采撤面期間自燃危險因素分析

唐口煤礦5306工作面屬于深井易自燃煤層，其采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃影響因素主要分為以下四個方面。

2.1 煤質(zhì)自身易發(fā)火

經(jīng)鑒定5306煤層屬于Ⅱ類自燃煤層，其最短自然發(fā)火期為69d。且煤層成分以亮煤為主，煤體自身易破碎，破碎后與氧接觸范圍更為充分，蓄熱條件更好，氧化蓄熱條件更為充分。

2.2 深井開采地應力、地溫高

5306煤層埋深近千米，深井開采過程煤層所受地應力較大，在地應力作用下，靠近工作面煤壁極易在應力作用下產(chǎn)生壓酥變形，從而產(chǎn)生一定的漏風通道，加劇采空區(qū)內(nèi)氧氣供應。且隨著埋深的增加，采空區(qū)內(nèi)原始溫度逐漸增加。經(jīng)測定5306工作面采空區(qū)后方原始溫度將近40°，工作面溫度較高使得采空區(qū)遺煤氧化蓄熱條件更加充分。

2.3 斷層緊臨停采線

5306工作面在靠近停采線時遇到斷層，斷層與停采線位置如圖1所示。斷層處遺煤較多，在停采前采空區(qū)后方具有較好的遺煤自燃基礎(chǔ)。同時工作面在靠近斷層處推采緩慢，工作面推采緩慢直接導致采空區(qū)內(nèi)部處于長時間的氧化蓄熱時間，且5306工作面斷層推進結(jié)束后，直接進入停采撤面期間，從而使得原氧化蓄熱煤體自燃蓄熱態(tài)勢得以延續(xù)，氧化帶內(nèi)部煤體仍得到長時間充分供氧。

圖1 斷層與停采線位置圖

2.4 停采撤面時間長 、氧化帶范圍大

受深井開采的影響，5306工作面支架移架過程中工作面頂板開采更為破碎，支架移動緩慢。加之5306工作面寬度較大（248m），因此在移架過程中所需時間較普通煤層更長。而停采撤面時間過長及斷層緊鄰停采線將直接導致采空區(qū)后方遺煤長時間處于充分的氧化蓄熱狀態(tài)，致使采空區(qū)遺煤自燃的發(fā)生。受工作面寬度大、深井高溫工作面供風量較大的影響，其采空區(qū)內(nèi)部氧化帶范圍較其他煤層而言更大，進一步加大了采空區(qū)遺煤自燃防治難度。

通過分析可知， 5306工作面在停采撤面期間極易發(fā)生大面積長時間遺煤自然發(fā)火災害。由于其發(fā)火時間長、發(fā)火面積大，因此原有注CO2防滅火技術(shù)的劣勢將更為突出，因此在停采期間采用注復合惰化氣體防滅火技術(shù)用于井下煤自燃的防治工作。

3 采空區(qū)遺煤自燃預測預警體系

為準確掌握采空區(qū)內(nèi)部遺煤自然發(fā)火情況，采用束管分析取樣、安全監(jiān)測、人工監(jiān)測、束管安全監(jiān)測等方式對采空區(qū)遺煤自然發(fā)火情況進行了監(jiān)測分析。通過結(jié)合工作面人工收集的數(shù)據(jù)及通過氣象色譜儀對采空區(qū)收集而來的氣樣進行的分析結(jié)果，明晰了5306工作面采空區(qū)遺煤自然發(fā)火情況，進而建立采空區(qū)遺煤自然發(fā)火預測預警體系，實時掌握并分析5306工作面采空區(qū)遺煤自然發(fā)火情況，為工作面防滅火措施的實施及控火效果提供相應的判斷依據(jù)。

（1）人工觀測

檢測地點：回風隅角、工作面風流。

（2）安全監(jiān)測

檢測地點：工作面回風流。

檢測參數(shù)：CO、CH4、T（溫度）。

（3）人工取樣分析

采樣地點：回風隅角（支架后部）、風流瓦斯檢查點處和需要檢測的其他地點。

（4）束管循環(huán)監(jiān)測

每日上午安排專用氣體分析工利用礦井專用氣相色譜儀對采空區(qū)內(nèi)埋設的束管井下抽集采樣，并形成報表。

4 采空區(qū)注復合惰氣防滅火技術(shù)

為兼顧深井自燃煤層防火的高效及經(jīng)濟性，結(jié)合礦井現(xiàn)有注惰防滅火技術(shù)及設備，提出了注復合惰化氣體防滅火技術(shù)。

（1）復合惰化氣體制備過程

復合惰化氣體所需N2由井下制氮機分離空氣而得，井下所需氣態(tài)CO2由二氧化碳槽車內(nèi)提供的液態(tài)CO2經(jīng)過工作站氣化而得。通過控制制氮機及二氧化碳工作站內(nèi)相應閥門，從而保持N2與CO2流量一致。同時由于CO2及N2是兩種理化性質(zhì)完全不同的氣體，故還需要使用專用氣體混合器將兩種氣體混合均勻。CO2及N2通過氣體混合設備后，復合惰化氣體制備完成。

（2）復合惰化氣體壓注管路

復合惰化氣體混合器位于5306一路聯(lián)絡巷內(nèi)，CO2及N2分別由下列線路到達氣體混合器內(nèi)。

N2：南軌南四路聯(lián)絡巷制氮機→南軌南四路回風聯(lián)絡巷→南部回風大巷→5306一路聯(lián)絡巷→復合惰化氣體混合設備。

CO2：運輸線路為CO2防滅火工作站→鉆孔（Φ219mm）→回風石門（Φ159mm）→回風石門（1）（Φ159mm）→南部回風大巷→5305回風鉆孔（Φ108mm）→5306一路聯(lián)絡巷→復合惰化氣體混合設備。

上述兩種氣體在混合器內(nèi)經(jīng)過充分混合均勻后制成復合惰化氣體，復合惰化氣經(jīng)由下列線路運輸至采空區(qū)：復合惰化氣體混合設備→5306一路聯(lián)絡巷→5306皮帶順槽→5306皮順進風隅角防火墻以里→5306采空區(qū)。

惰化氣體運輸線路如圖2所示。

圖2 惰性氣體運輸線路圖

5 復合惰化氣體防滅火效果及經(jīng)濟性分析

工作面于2月17日進入停采撤面階段，停采撤面后工作面CO濃度迅速從2月17日的2ppm上升至2月24日的15ppm。為了有效對采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃進行控制，在2月25日采取了注復合惰化氣體防滅火措施。自2月25日至3月4日，共計向采空區(qū)內(nèi)部注入10.1萬m3復合惰化氣體，平均日注惰量達到1.25萬m3左右。注入復合惰化氣體8d后，工作面CO濃度迅速自15ppm下降至0ppm，證明復合惰化氣體有效地抑制了采空區(qū)遺煤自燃，達到了與注CO2防滅火技術(shù)相同的效果。

復合惰化氣體的價格為2.24元/m3，CO2的價格為3.94元/m3，其成本僅為注CO2防滅火技術(shù)的56%左右。說明復合惰化氣體在有效防治深井采空區(qū)遺煤自燃的同時，其經(jīng)濟及實用性亦更高。

6 結(jié)論

（1）分析了唐口煤礦5306工作面深井自燃煤層停采撤面期間遺煤自然發(fā)火的特性，并提出了注復合惰化氣體防滅火措施。

（2）復合惰化氣體防滅火技術(shù)能夠有效地抑制采空區(qū)內(nèi)部遺煤自燃。在采用該技術(shù)8d后，工作面CO濃度由15ppm下降至0ppm，且其成本僅為注CO2防滅火技術(shù)的56%左右。說明復合惰化氣體具有更高的經(jīng)濟性及實用性。