綜采工作面采空區(qū)托管注氮技術(shù)的研究與應(yīng)用

郭 君

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)鄂爾多斯礦業(yè)公司內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000）

1 前言

我國(guó)能源存儲(chǔ)特點(diǎn)為“煤多、氣少”，因此煤炭在我國(guó)有著不可撼動(dòng)的地位，國(guó)家的發(fā)展也離不開(kāi)煤炭資源。由于我國(guó)在工業(yè)和經(jīng)濟(jì)方面迅速崛起，我國(guó)煤炭產(chǎn)出和銷(xiāo)售量躋身榜首。我國(guó)耗煤量大的行業(yè)如火力發(fā)電、建材工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等行業(yè)均保持較快的發(fā)展速度，推動(dòng)著煤炭需求不斷上升。煤礦開(kāi)采量日益擴(kuò)大，隨之而來(lái)的是采煤工作設(shè)備的快速發(fā)展進(jìn)步，工作面掘進(jìn)速度越來(lái)越快，安全隱患也隨之增加，一旦發(fā)生煤炭自燃事故，造成后果非常嚴(yán)重。如吉林八寶煤礦煤炭自燃引起瓦斯爆炸事故，死亡36 人，財(cái)產(chǎn)損失高達(dá)4 708.9萬(wàn)元；皖北煤電集團(tuán)任樓煤礦煤炭自燃引起瓦斯爆炸事故，死亡3人，財(cái)產(chǎn)損失達(dá)898.53萬(wàn)元。造成此類(lèi)事故的最根本的原因是由于礦內(nèi)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)安全防火方面工作不重視，安全措施沒(méi)有落實(shí)，導(dǎo)致工作面巷道跑風(fēng)進(jìn)來(lái)，遺煤與空氣接觸氧化發(fā)火，引燃巷道內(nèi)的瓦斯并發(fā)生爆燃，才會(huì)造成上述慘劇。因此研究煤礦內(nèi)綜采面采空區(qū)煤炭自燃的防治的工作是十分有必要。

2 色連煤礦概況

2.1 地理位置

色連一號(hào)煤礦位于東經(jīng)：109°49′54″～109°55′39″，北緯：39°50′50″～39°55′49″的內(nèi)蒙鄂爾多斯市。礦井井田的南北長(zhǎng)8.2 km，東西寬4.9 km，面積約35.746 7 km2。此井田可掘采的煤層有10層，主要是第2煤層2煤組的上、中區(qū)域，第3煤層1煤組的上煤層區(qū)域、第4 煤層1 煤組的上煤層區(qū)域，第4 煤層1 煤組區(qū)域，第5 煤層1 煤組的上煤層區(qū)域，第5 煤層1 煤組區(qū)域，第6煤層1煤組上、中、下煤層區(qū)域，主要生產(chǎn)不黏煤，還有少量的長(zhǎng)焰煤。該礦所設(shè)計(jì)的生產(chǎn)能力為5.00 Mt/a，礦井現(xiàn)剩余可采儲(chǔ)量352.81 Mt，同時(shí)該礦建有1 個(gè)技術(shù)較為領(lǐng)先的洗煤廠，該煤礦是內(nèi)蒙古自治區(qū)及東勝區(qū)重要煤礦組成部分。

2.2 煤層自燃危險(xiǎn)情況

色連煤礦2-2 上及4-1 煤層屬于Ⅰ級(jí)易自燃煤層，該煤層主要存在發(fā)火時(shí)間短、氧需求量大、發(fā)火速度快等特點(diǎn)，其發(fā)火期為40天左右。加上由于回采速度慢，采空區(qū)內(nèi)有余煤，若是巷道存在進(jìn)風(fēng)情況，那么余煤極易發(fā)生氧化自燃造成嚴(yán)重的事故后果。因此配備相應(yīng)的防滅火系統(tǒng)就顯得尤為重要。

3 防滅火技術(shù)的研究

3.1 氮?dú)夥罍缁鸬臋C(jī)理

氮?dú)馐且环N無(wú)色、無(wú)味、沒(méi)有毒性的難燃?xì)怏w，密度稍輕于空氣。正常情況下不會(huì)受外界條件的影響，同時(shí)也不與輸送氮?dú)夤艿兰捌渌饘侔l(fā)生反應(yīng)[1-2]。氮?dú)夥乐位馂?zāi)的機(jī)理見(jiàn)圖1。

圖1 氮?dú)夥罍缁鸬臋C(jī)理

3.2 氮?dú)夥罍缁鹛攸c(diǎn)[6]

（1）氮?dú)馐菓腋≡诳罩械?，可以在一定的時(shí)間內(nèi)占據(jù)采空區(qū)整個(gè)空間，并把采空區(qū)內(nèi)的氧氣全部排出去，從而使煤炭沒(méi)有發(fā)生自燃的條件。

（2）氮?dú)馔ㄟ^(guò)管道運(yùn)送，不借助外物，輸送便利。

（3）氮?dú)鈱儆诙栊詺怏w，滅火過(guò)程中主要是隔絕氧氣不會(huì)損壞井巷設(shè)施。

（4）由于氮?dú)獠痪邆涠拘?，故工人可放心使用?/p>

（5）啟用便利，防滅火成果較好。采空區(qū)內(nèi)余煤有發(fā)生火災(zāi)的前兆時(shí)，開(kāi)啟控制開(kāi)關(guān)，氮?dú)饩涂梢院芸斓陌巡煽諈^(qū)填滿(mǎn)，把煤炭自燃扼殺在搖籃中。

（6）在對(duì)采空區(qū)注氮時(shí)，能快速降低氧氣濃度，遏制煤炭氧化，從而降低二氧化碳登氣體的產(chǎn)出，保障人員安全。

（7）能增大火區(qū)內(nèi)氣壓，降低火區(qū)漏風(fēng)可能性。

（8）火區(qū)若發(fā)生過(guò)多漏風(fēng)時(shí)，滅火能力就會(huì)明顯降低，因此進(jìn)行氮?dú)鉁缁饡r(shí)須有一個(gè)較為封閉的環(huán)境。

（9）密閉環(huán)境內(nèi)進(jìn)行輸送氮?dú)鈺r(shí)，對(duì)災(zāi)區(qū)的降溫是不理想的，因此氮?dú)鉁缁鸷笮枰獙?duì)巷道災(zāi)區(qū)進(jìn)行降溫。

3.3 注氮方式[7]

輸送氮?dú)獾姆椒ㄒ话阌新窆堋⑼泄?、鉆孔以及插管等，其中常用的是埋管及托管兩種輸入氮方式。這兩種防滅火技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中：

(1)埋管注氮。是在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)方向架設(shè)輸送氮?dú)夤芫€。隨著工作忙的推進(jìn)，管線也架設(shè)相當(dāng)長(zhǎng)度后就開(kāi)始往采空區(qū)內(nèi)的氧化帶輸入氮?dú)?，與此時(shí)間開(kāi)始下一階段的輸?shù)芫€的架設(shè)。當(dāng)?shù)?次輸?shù)芫€口架設(shè)到氧化帶與散熱帶相接壤的界面時(shí)關(guān)閉第1次架設(shè)的管線開(kāi)關(guān)，開(kāi)啟第2 次輸?shù)芫€開(kāi)關(guān)往里輸送氮?dú)?。重?fù)上述至整個(gè)區(qū)域煤炭開(kāi)采完成。

埋管注氮技術(shù)能有效降低采空區(qū)內(nèi)氧氣以及一氧化碳的含量，技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，可起到不錯(cuò)的防止煤炭自燃的效果，阻止事故發(fā)生。但傳統(tǒng)埋管注氮技術(shù)存在較明顯的缺陷，輸送氮?dú)獾墓苈范紴橐淮涡韵钠?，得不到再次利用，資源被變相的浪費(fèi)掉；氮?dú)廨斔凸芫€是跟著工作面的掘進(jìn)而推進(jìn)的，由于工作面掘進(jìn)速度會(huì)造成采空區(qū)前移，造成氮?dú)廨斎肟谠诓煽諈^(qū)間間距較遠(yuǎn)，導(dǎo)致氧化帶內(nèi)存在氮?dú)廨斔筒坏降目臻g，使用氮?dú)夥植疾痪鶆颍ㄈ鐖D2所示），不能起到較好的防止火災(zāi)的效果；還有就是進(jìn)行注氮輸入口的加工、鋼絲纏繞管路的運(yùn)輸、連接及架設(shè)會(huì)浪費(fèi)大量的人力和資源。

圖2 氮?dú)廨斎肟谧⒌疽鈭D

(2)拖管注氮。在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)方向架設(shè)相當(dāng)長(zhǎng)度的管壁徑較大鋼管當(dāng)作輸送氮?dú)獾墓芫€，它的推進(jìn)根據(jù)簡(jiǎn)單的機(jī)械動(dòng)力原理，主要是以巷道內(nèi)的滑輪作為軌道，巷道內(nèi)的絞車(chē)為動(dòng)力源。輸入氮?dú)獾墓芫€可以通過(guò)機(jī)械設(shè)備將管線進(jìn)行拖移，因此在綜采面回采過(guò)程中，能使管線一直保持在采空區(qū)內(nèi)30 m的距離。

托管注氮可以彌補(bǔ)埋管注氮所存在的不足，主要是由于托管注氮在前期投入可能會(huì)多一點(diǎn)，但到了管線架設(shè)完成后就不需要再投入資金了，可以為公司節(jié)省一大筆資金，最好的體現(xiàn)就是工作面每掘進(jìn)1 000 m就能比相同距離的使用埋管注氮的方式節(jié)省28 萬(wàn)元。拖管注氮能使管線一直保持在采空區(qū)內(nèi)30 m 的距離，保證采空區(qū)能被氮?dú)獬掷m(xù)充滿(mǎn)，同時(shí)也能保證采空區(qū)內(nèi)一氧化碳的穩(wěn)定在最低限度，故能達(dá)到較好的防滅火成效。最后就是托管注氮時(shí)，可以不用進(jìn)行鋼絲纏繞管的運(yùn)輸、安裝、架設(shè)等一系列操作，加工簡(jiǎn)便、安裝操作方便。

綜上所述，再根據(jù)具體現(xiàn)場(chǎng)情況，色連煤礦領(lǐng)導(dǎo)決定采用拖管注氮技術(shù)對(duì)煤礦進(jìn)行防滅火處理。

3.4 拖管注氮技術(shù)

色連煤礦拖管注氮技術(shù)即在工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)從開(kāi)孔開(kāi)始沿進(jìn)風(fēng)順槽端頭外側(cè)架設(shè)30 m 長(zhǎng)度的直徑為φ89 mm 壁厚為10 mm 的鋼管作為注氮管路，距離近的鋼管的連接處增加保護(hù)套。為預(yù)防管路被掉落的煤塊或者石塊堵住氮?dú)廨敵隹?，在輸送氮?dú)饩€路最后2 m上打孔，每隔20 cm打一組φ20 mm的孔眼，這樣不僅能使擴(kuò)大輸入氮所能達(dá)到的空間，還能保證管線即使被掉落的石塊砸到也不會(huì)影響輸?shù)Ч?/p>

為了有助于架設(shè)線路，在原先已經(jīng)架設(shè)的拖管的外沿加焊接2 個(gè)可以用手拉的圈，同時(shí)把相當(dāng)長(zhǎng)度的鋼絲圍著鋼管繞幾圈同原先搭設(shè)的拖管以及輸送氮?dú)獾闹骶€路,托管和外界是絕緣的。拖管輸入氮?dú)夥乐位馂?zāi)技術(shù)見(jiàn)圖3。

圖3 拖管注氮防滅火工藝

4 結(jié)語(yǔ)

色連礦井下綜采面采空區(qū)所使用的拖管注氮工藝與集團(tuán)公司其它礦井比較，使用簡(jiǎn)單的機(jī)械動(dòng)力原理，加工簡(jiǎn)便、安裝操作方便、節(jié)約成本，提高了注氮效果，可以在同類(lèi)礦井中進(jìn)行推廣。