唐口煤礦采空區(qū)注氮驅(qū)替瓦斯技術(shù)應用

鄒宗旺， 張繼濤

(山東唐口煤業(yè)有限公司， 山東 濟寧 272000)

1 前言

我國大部分煤礦為高瓦斯礦井，因此在開采結(jié)束后采空區(qū)內(nèi)部仍然留有大量高濃度瓦斯，具有極大的安全隱患。已開采空區(qū)極易受到臨近采空區(qū)巷道掘進的影響而發(fā)生相互貫通，此時新鮮風流不斷涌入采空區(qū)，而瓦斯不斷溢出至掘進工作面，極易發(fā)生掘進工作面瓦斯超限以及采空區(qū)遺煤自燃的危險。瓦斯抽采是瓦斯治理的根本措施[1-2]。進行采空區(qū)低負壓瓦斯抽采會在工作面、采空區(qū)抽采區(qū)域間形成漏風動力及漏風通道，將增大采空區(qū)漏風，加速遺煤氧化進程。采空區(qū)注氮驅(qū)替瓦斯技術(shù)是防治自燃和抑制瓦斯爆炸的有效技術(shù)手段，因此，本文就注氮驅(qū)替瓦斯技術(shù)針對唐口煤礦6309巷道掘進期間進行了應用，分析了注氮驅(qū)替瓦斯技術(shù)的原理、效果及其實用性。

2 工程概況

6308綜采工作面是唐口煤礦六采區(qū)第八個綜放工作面，該工作面于2017年回采結(jié)束并密閉。6309軌道巷掘進工作面為沿空掘進工作面，巷道向北5 m為6308采空區(qū),6309軌道掘進期間緊臨6308采空區(qū)。6308與6309工作面位置如圖1所示。

圖1 6308與6309工作面位置圖

6309軌道在施工期間，由于所留煤柱過窄，在掘進過程中產(chǎn)生的采動裂隙極易與6308采空區(qū)相互貫通，從而使得6308工作面瓦斯通過采動裂隙不斷滲透至巷道掘進工作面，同時使得巷道掘進期間工作面瓦斯?jié)舛瘸抟约?308采空區(qū)遺煤發(fā)生復燃。

3 軌道巷掘進期間危險因素分析

3.1 煤柱危險性分析

6308采空區(qū)與6309軌道巷道僅留有5 m煤柱，煤柱標高990 m，煤柱在高地壓高應力的情況下極易發(fā)生破碎。同時，軌道巷道掘進期間，產(chǎn)生的高地壓與高應力互相重合，進而加劇了煤柱中裂隙的擴展。因此，在6309軌道巷道掘進期間，煤柱內(nèi)會發(fā)生壓酥破碎的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生漏風通道。

3.2 6308采空區(qū)遺煤自燃危險性分析

主采煤層為Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為62天。且煤層成分以亮煤為主，煤層整體易破碎，其氧化面積增大，與氧氣接觸后放出大量熱。且伴隨著深度的增加，地溫逐漸增加，6308工作面埋深近千米，其采空區(qū)后部溫度為30 ℃～40 ℃。同時，松散煤體蓄熱性好，熱量不易散失，易形成自燃點。

3.3 6308采空區(qū)瓦斯含量豐富

6308煤層瓦斯含量為5.6 m3/t，受采動影響，6308工作面煤層不斷破碎。并且煤層成分為亮煤，開采后煤體破碎程度更明顯。在工作面撤面后，采空區(qū)仍留有大量遺煤，破碎遺煤瓦斯不斷解吸附，并充滿采空區(qū)。當煤柱受采動應力影響而導致煤柱壓酥破碎后，6308采空區(qū)內(nèi)部瓦斯極易通過煤柱漏風通道涌入6309軌道巷掘進工作面，從而威脅工作面作業(yè)人員的安全。

4 注氮驅(qū)替技術(shù)原理

氮氣是一種無色、無味、無臭的氣體，其性質(zhì)穩(wěn)定，不助燃、不易燃，不與煤發(fā)生發(fā)反應，是井下常見的一種用于防滅火方面的惰性氣體。井下所需N2，由制氮機DM600分離氧氣而得。其原理為利用空氣中不同組分在高分子材料上的擴散系數(shù)大小不同而達到氣體分離的物理過程[3-5]。

制得氮氣通過管路或氣體擴散形式，利用制氮時的壓力，將氮氣注入6308采空區(qū)內(nèi)部。其作用機理:①注入過量氮氣的過程中，同時采用瓦斯抽放泵不斷對注氮采空區(qū)進行氣體抽放，將易爆的高濃度瓦斯置換出來，達到防止瓦斯爆炸以及防治高濃度瓦斯向軌道掘進工作面過量溢出的目的；② 氮氣具有降溫、隔離氧氣的作用，因此對采空區(qū)火災具有抑制作用。

采用數(shù)值模擬研究氮氣注入采空區(qū)后對火災的抑制情況如圖2所示。初始流速為500 m/s，注入壓力0.85 MPa。液氮注入后采空區(qū)內(nèi)溫度迅速下降。由2圖可知，液氮注入1 h后距離采空區(qū)3 m范圍內(nèi)的溫度降到50 ℃以下。氮氣滅火、降溫效果明顯。

圖2 采空區(qū)注入氮氣后1 h溫度場云圖

5 注氮驅(qū)替技術(shù)方案

采空區(qū)注入氮氣與抽出氣體混合量為1∶1.2.根據(jù)DM- 500注氮機每小時制氮量500 m3，瓦斯抽放泵每小時抽氣量為1 800 m3計算，確定每班注入采空區(qū)氮氣4 h，采空區(qū)瓦斯抽放1.5 h。

氮氣采用煤炭科學研究總院撫順分院生產(chǎn)的DM- 500膜分離注氮機制備而得，注氮壓力0.85 MPa，氮氣流量500 m3/h[6-9]。注氮機位于原6308施工巷道進風流中。經(jīng)由以下線路注入6308采空區(qū)，管路直徑尺寸為50 mm。M- 500制氮裝置由空氣預處理段、空壓機段、膜分離段三部分組成。移動制氮設備主要部件圖如圖3所示。

圖3 移動制氮設備的三大主要組件圖

1)巷道里段掘進期間注氮

注氮線路：注氮機→6308施工道→6309一路聯(lián)絡巷→6309皮帶巷道→6309二路聯(lián)絡巷→6309軌道巷道里段→注氮鉆孔→6308采空區(qū)[10]。

2)巷道外段掘進期間注氮

注氮線路：注氮機→6308施工道→6309軌道巷道外段→注氮鉆孔→6308采空區(qū)。

瓦斯抽放泵站安設在原6308施工巷道進風流中，采用ZWY- 60/90型水環(huán)真空泵，極限真空度150 hPa，最大抽氣量為60 m3/min，電機功率90 kW。

高位鉆孔布置方案如下：當6309軌道巷道從里段掘進(從6309二路聯(lián)絡巷向里沿空掘進)，高位鉆孔布置方法為第一個高位鉆孔從6309二路聯(lián)絡巷門口向里50 m施工，依次向里每隔200 m施工一個高位鉆孔。當6309軌道巷道外段開始掘進時，高位鉆孔布置方式為外段第一個鉆孔從6309第一聯(lián)絡巷門口向里50 m施工，依次向里每隔200 m施工一個高位鉆孔。

6 注氮驅(qū)替技術(shù)效果分析

通過觀察6309掘進工作面回風隅角注氮前后瓦斯日報表，可以清楚的看到，注氮前后瓦斯和一氧化碳濃度隨著注氮量的提高被逐步驅(qū)替。注氮前后災害氣體濃度對比如圖4所示。由圖可知，注氮后，上隅角CO、瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)下降的趨勢，下降后均為出現(xiàn)超限現(xiàn)象，CO2濃度整體下降。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，CO濃度下降了78%，瓦斯?jié)舛认陆盗?6%，CO2濃度下降了到0，下降率為100%。綜上所述，注氮后工作面上隅角未出現(xiàn)災害氣體超限現(xiàn)象。

圖4 注氮前后災害氣體濃度對比曲線圖

7 結(jié)論

通過本次6308采空區(qū)氮氣驅(qū)替技術(shù)的應用，對6308采空區(qū)共抽放瓦斯300萬m3，CO 100萬m3，并注氮450萬m3，注氮后進行了相關(guān)效果考察，得到以下結(jié)論：

(1)完整陳述了注氮工藝流程，通過數(shù)值模擬分析了注氮后有效抑制了距離工作面3 m范圍內(nèi)的自燃火災。

(2)進行注氮工藝實施后，進行了效果考察，結(jié)果顯示：注氮后CO濃度降低了CO濃度下降了78%，瓦斯?jié)舛认陆盗?6%，CO2濃度下降了100%。

綜上所示，注氮滅火工藝有效解決了6309工作面自燃發(fā)火的情況，保證了礦井安全生產(chǎn)。