干河煤礦2-118C采空區(qū)注氮防滅火技術(shù)研究與應(yīng)用

吳 逍

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 洪洞 041600）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電霍寶干河煤礦2-118C工作面井下相對(duì)位置+80水平一采區(qū)的右翼，走向長(zhǎng)度132 m，傾斜長(zhǎng)度1 576 m，工作面北側(cè)為2-112工作面，南側(cè)為2-118B工作面，西側(cè)為實(shí)體煤，未進(jìn)行開(kāi)采，東側(cè)為一采區(qū)右翼皮帶巷、軌道巷與干河村保安煤柱，工作面主采2號(hào)煤層，煤層厚度3.23～4.21 m，平均厚度3.72 m，平均傾角為8°，煤層硬度（f）為1.5，屬于煤層穩(wěn)定性煤層，煤層頂板巖層為中粒砂巖和K8細(xì)粒砂巖，底板巖層為粉砂巖和細(xì)粒砂巖，工作面采用一次采全高走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤，采高為3.7 m，循環(huán)進(jìn)度為0.8 m。

根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，2-118C工作面絕對(duì)瓦斯涌出量1.42 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量1.14 m3/t，工作面地溫為15°～20°，無(wú)異常變化，屬于地溫正常區(qū)，煤層有自燃傾向，Ⅱ級(jí)自燃，自然發(fā)火期為61 d，由于工作面區(qū)域煤層厚度在一定程度上變化，采用綜采工藝時(shí)會(huì)導(dǎo)致會(huì)在采空區(qū)內(nèi)遺留一定的浮煤，現(xiàn)為防止采空區(qū)出現(xiàn)遺煤自燃現(xiàn)象，特進(jìn)行采空區(qū)防滅火方案設(shè)計(jì)。

2 采空區(qū)注氮防滅火技術(shù)

2.1 氮?dú)夥罍缁鹪?/h3>

氮?dú)庾鳛橐环N無(wú)毒無(wú)害的氣體，其具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易燃燒、化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定等特點(diǎn)，當(dāng)將氮?dú)庀虿煽諈^(qū)注入后，能夠?qū)Σ煽諈^(qū)起到惰化作用，能夠?qū)崿F(xiàn)阻止煤炭氧化自燃、增大采空區(qū)氣體壓力、減少工作面漏風(fēng)等效果；另一方面，當(dāng)?shù)獨(dú)馀c采空區(qū)內(nèi)的氣體有效混合后，可有效降低采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度和瓦斯?jié)舛?，有利于采空區(qū)防滅火作業(yè)，具體采用注氮技術(shù)進(jìn)行采空區(qū)防滅火作業(yè)時(shí)，氮?dú)獾淖饔萌缦拢?/p>

1）減小采空區(qū)氧化自燃帶的寬度：氮?dú)膺M(jìn)入采空區(qū)后會(huì)有效降低采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度，改變采空區(qū)內(nèi)氧濃度場(chǎng)的分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)中自燃“三帶”中氧化帶最大寬度的有效減小，這能夠大幅降低采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。

2）減少采空區(qū)漏風(fēng)：向采空區(qū)內(nèi)注入氮?dú)夂?，采空區(qū)內(nèi)的氣體壓強(qiáng)由于氮?dú)獾淖⑷攵龃?，減小采空區(qū)內(nèi)與回采工作面內(nèi)壓強(qiáng)之間的差值，進(jìn)而有效減少采空區(qū)的漏風(fēng)現(xiàn)象。

3）降低采空區(qū)的溫度：由于氮?dú)庾陨淼臏囟容^低其經(jīng)過(guò)破碎煤體后，隨著漏風(fēng)風(fēng)流的流動(dòng)，其會(huì)帶走采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化反應(yīng)積蓄的熱量，對(duì)采空區(qū)遺煤自燃所需的蓄熱條件進(jìn)行破壞。

4）抑燃、抑爆作用：采空區(qū)內(nèi)注入氮?dú)夂螅z留煤體與氧氣的接觸范圍會(huì)不斷減小，采空區(qū)內(nèi)部分氧氣的位置會(huì)被氮?dú)馑紦?jù)，氮?dú)馀c破碎煤體裂隙的接觸會(huì)降低遺煤氧氣的反應(yīng)速率，另外氮?dú)馀c采空區(qū)內(nèi)的瓦斯等氣體混合后，可起到有效的抑燃和抑爆作用。

2.2 注氮工藝流程

采空區(qū)注氮防滅火技術(shù)進(jìn)行實(shí)施時(shí)，注氮系統(tǒng)需主要確定的技術(shù)參數(shù)為:氮?dú)獾膩?lái)源及注氮方式、注氮量、輸?shù)苈废到y(tǒng)及埋管注氮工藝，具體各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的確定原則如下：

1）氮?dú)鈦?lái)源及注氮方式：目前國(guó)內(nèi)外采空區(qū)進(jìn)行注氮作業(yè)時(shí)，氮?dú)鈦?lái)源均采用地面制氮系統(tǒng)，制氮裝置多采用膜分離制氮裝置[1-2]，具體膜分離制氮流程見(jiàn)圖1；為有效預(yù)防采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，采空區(qū)進(jìn)行注氮作業(yè)時(shí)，一般選用連續(xù)注氮的方式。

圖1 膜分離制氮方流程示意圖

2）注氮量的確定：采空區(qū)采用注氮防滅火時(shí)，注氮量的確定主要按照采空區(qū)氧化帶內(nèi)氧含量進(jìn)行確定，采空區(qū)內(nèi)氧化帶的濃度不超過(guò)10%，且進(jìn)風(fēng)流中的氧氣含量不低于19%時(shí)，此時(shí)即可停止注氮作業(yè)；按照采空區(qū)氧化帶內(nèi)氧含量及惰化指標(biāo)計(jì)算注氮強(qiáng)度的表達(dá)式為：

式中：q為采空區(qū)注氮強(qiáng)度；C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)的初始氧氣含量；C2為采空區(qū)氧化帶內(nèi)CO2、CH4等惰性氣體含量；C3為采空區(qū)氧化帶惰化指標(biāo)規(guī)定的氧含量，可取5%。

另外注氮作業(yè)時(shí)，在采空區(qū)CO含量大于50×10-6或工作面上隅角CO濃度出現(xiàn)超限現(xiàn)象時(shí)，此時(shí)需提高采空區(qū)的注氮強(qiáng)度或停止注氮；當(dāng)工作面注氮后，工作面上隅角的氧氣濃度出現(xiàn)降低時(shí)，此時(shí)可降低注氮強(qiáng)度或停止注氮作業(yè)。

3）輸?shù)苈废到y(tǒng)。采空區(qū)采空注氮技術(shù)時(shí)，此時(shí)注氮管路系統(tǒng)的流程主要為:地面制氮系統(tǒng)→回風(fēng)立井→中央回風(fēng)大巷→膠帶輸送機(jī)順槽→工作面采空區(qū)，采空區(qū)注氮及的各項(xiàng)參數(shù)需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定，在進(jìn)行注氮作業(yè)時(shí)，注氮管路需埋入采空區(qū)內(nèi)高于50 m的范圍內(nèi)，并確保設(shè)計(jì)的輸?shù)苈废到y(tǒng)能夠正常的進(jìn)行注氮作業(yè)。

4）采空區(qū)注氮工藝。在進(jìn)行采空區(qū)注氮作業(yè)時(shí)，注氮管路需隨著采空區(qū)的推進(jìn)在工作面內(nèi)預(yù)先敷設(shè)，將注氮管路的一段埋入采空區(qū)內(nèi)，另一端與注氮支管連接，注氮地點(diǎn)盡量選擇在工作面的進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)，注氮釋放口的位置應(yīng)盡量的設(shè)置在采空區(qū)氧化帶的位置，且隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，注氮管路需同步進(jìn)行移動(dòng)[3-4]，以確保注氮管路的終端始終保持在采空區(qū)的氧化帶內(nèi)，一般注氮管路釋放口均等間距布置，具體工作面注氮管路布置方式如圖2所示。

圖2 注氮管路布置方式示意圖

3 注氮方案及效果

3.1 注氮方案設(shè)計(jì)

3.1.1 注氮參數(shù)模擬分析

為合理確定2-118C采空區(qū)注氮方案中的合理參數(shù)，現(xiàn)采用Fluent數(shù)值模擬軟件進(jìn)行注氮參數(shù)的分析，模型中設(shè)置工作面長(zhǎng)度為200 m，斷面為28.5 m2，工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷長(zhǎng)度為15 m，斷面為17.5 m2，采空區(qū)長(zhǎng)度為300 m，寬度為200 m，高度為20 m，同時(shí)模型中設(shè)置5個(gè)不同位置的注氮口作為氮?dú)獾娜肟?；模型設(shè)置進(jìn)風(fēng)巷為速度入口，速度為2.59 m/s，回風(fēng)巷為射流出口，視采空區(qū)的固壁為絕熱條件且不會(huì)出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象。

為確定采空區(qū)合理的注氮位置，現(xiàn)分別選取X=25、50、75、100、125 m位置進(jìn)行注氮作業(yè)，設(shè)置注氮流量為500 m3/h，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出隨著注氮位置變化，采空區(qū)內(nèi)氧化帶的變化曲線如圖3所示。

圖3 注氮位置與氧化帶之間的關(guān)系曲線圖

分析圖3可知，隨著注氮位置與工作面之間距離的增大，氧化帶的寬度呈現(xiàn)出先減小后增大的去試試，即隨著注氮位置的變化，采空區(qū)內(nèi)氧化帶的寬度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最小值，此點(diǎn)出現(xiàn)在注氮位置距離工作面50 m，此時(shí)氧化帶的寬度僅為87 m，這即表明在該處進(jìn)行注氮作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)較好的效果。

在確定注氮口為距離工作面50 m的距離后，為合理確定注氮量的大小，分別設(shè)置注氮量為500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 m3/h，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出不同注氮量條件下采空區(qū)“三帶”分布規(guī)律如圖4所示。

分析圖4可知，在相同注氮位置下，隨著注氮流量的增大，采空區(qū)內(nèi)氧化帶的寬度逐漸降低，但從圖中能夠看出當(dāng)注氮量增大為2 000 m3/h時(shí)，此時(shí)采空區(qū)內(nèi)氧化帶的降低較小顯著，當(dāng)注氮量大于2 000 m3/h后，此時(shí)隨著注氮量的增大，采空區(qū)氧化帶寬度的變化幅度較小，即表明繼續(xù)增大注氮流量并不會(huì)取得顯著的效果，故據(jù)此確定工作面的合理注氮量為2 000 m3/h。

圖4 不同注氮流量下采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律圖

3.1.2 注氮方案

根據(jù)上述采空區(qū)注氮防滅火技術(shù)和注氮參數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果，確定工作面采用注氮采用間隔式注氮施工工藝，在工作面進(jìn)風(fēng)巷每間隔40 m鋪設(shè)一趟注氮管路，在第一趟注氮管路深入采空區(qū)40 m后埋設(shè)第二趟注氮管路，，并同時(shí)確保第一趟注氮管路持續(xù)進(jìn)行注氮作業(yè)，當(dāng)?shù)诙俗⒌苈仿袢氩煽諈^(qū)40 m時(shí)，即可停止第一趟注氮管路的注氮作業(yè)，開(kāi)啟第二趟注氮管路進(jìn)行注氮作業(yè)，如此往復(fù)循環(huán)，直至工作面回采完畢，注氮布置方式如圖5所示。

圖5 工作面注氮管路埋設(shè)示意圖

注氮管路采用φ159 mm×6 mm的無(wú)縫鋼管進(jìn)行鋪設(shè)，設(shè)置注氮口為滯后工作面50 m，注氮流量為2 000 m3/h，注氮的出口壓力為0.65 MPa。

3.2 效果分析

在工作面回采期間，通過(guò)對(duì)采空區(qū)內(nèi)氣體的持續(xù)監(jiān)測(cè)，得出工作面采用注氮防滅火技術(shù)后，采空區(qū)內(nèi)的CO濃度基本穩(wěn)定在0.005 2%，工作面上隅角的CO濃度基本穩(wěn)定在0.005 4%，且工作面回采期間無(wú)采空區(qū)自燃現(xiàn)象出現(xiàn)，注氮防滅火效果顯著。

4 結(jié)論

根據(jù)2-118C工作面的地質(zhì)條件，通過(guò)分析注氮防滅火技術(shù)原理和注氮工藝流程，采用數(shù)值模擬的方式確定采空區(qū)注氮口位置及注氮流量，據(jù)此進(jìn)行采空區(qū)注氮方案的具體設(shè)計(jì)，根據(jù)注氮方案實(shí)施后工作面回采期間的觀測(cè)可知，工作面采空區(qū)注氮防滅火效果顯著，保障了采空區(qū)的安全。