液氮防滅火技術(shù)煤礦中的應(yīng)用

孫 強(qiáng)

（汾西礦業(yè)（集團(tuán)）礦山救護(hù)大隊(duì)，山西 孝義 032300）

隨著礦井采掘范圍以及采掘深度的增加，開采的煤層自燃問題給煤炭回采安全帶來較大威脅，防治煤層自燃是礦井生產(chǎn)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注問題[1-3]?，F(xiàn)階段礦井常用的防滅火技術(shù)包括有注氮、灌漿、注CO2以及密閉等，其中，注液氮具有滅火迅速、操作簡單、效果顯著以及可靠安全等優(yōu)點(diǎn)，一直是煤礦井下進(jìn)行火災(zāi)預(yù)防以及治理的主要措施[4-6]。本文以山西某礦30903 工作面回采防滅火為工程實(shí)例，對液壓防滅火在煤礦井下應(yīng)用進(jìn)行探討，以期為其他礦井防滅火工作開展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

山西某礦核定產(chǎn)能1.2 Mt/a，現(xiàn)階段主采9#煤層。9#煤層平均厚度10.4 m，埋深320 m、傾角5°，賦存較為穩(wěn)定、全區(qū)可采；煤層具有自燃發(fā)火性，自燃發(fā)火周期介于30 d～90 d，煤塵具有爆炸性，原始瓦斯含量為3.5 m3/t。30903 工作面采用綜放開采方式，采放比為1∶2.5，采面設(shè)計(jì)走向長890 m、傾斜寬度為165 m，采用U 型通風(fēng)方式，全部垮落法管理頂板。11#煤層頂板巖性以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，松軟裂隙不發(fā)育。

30903 工作面在回采推進(jìn)至720 m 時(shí)，在綜放支架后方以及回風(fēng)巷內(nèi)均探測到CO，體積分?jǐn)?shù)相對較低，最大為10×10-6；由于采面在回采推進(jìn)至725 m～780 m 范圍內(nèi)會遇地質(zhì)構(gòu)造，采面推進(jìn)速度較慢，為此提出采用注液氮方式進(jìn)行防滅火，以便確保采面安全回采。

2 液氮防滅火技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 液氮防滅火技術(shù)優(yōu)勢

液氮具有不燃、性質(zhì)穩(wěn)定、無腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，低溫狀態(tài)下為液態(tài)，在由液態(tài)轉(zhuǎn)換成氣態(tài)過程中會吸收大量的熱，從而在短時(shí)間內(nèi)降低采空區(qū)內(nèi)溫度，以便延緩甚至中斷采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃過程。

1 m3液氮在常溫下氣化可形成約700 m3氣氮，體積增加約700 倍，可在較短時(shí)間內(nèi)將氮?dú)獬涮钣行Э臻g，同時(shí)迅速降低采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度，切斷采空區(qū)遺煤自燃供氧通道，不僅有利于防止遺煤自燃而且可減少采空區(qū)漏風(fēng)量。

2.2 液氮防滅火設(shè)計(jì)

根據(jù)30903 工作面實(shí)際地質(zhì)條件，提出通過井下巷道直接向采空區(qū)灌注液氮方式進(jìn)行防滅火。液氮來源于地面液氮存儲設(shè)備，并經(jīng)換裝后使用CFW-1/1.4 液氮槽車將液氮運(yùn)輸至30903 工作面回采巷道。在回采巷道內(nèi)使用專用輸送軟管連接到預(yù)先埋設(shè)在采空區(qū)內(nèi)的DN50 注氮管路，從而向采空區(qū)持續(xù)灌注液氮。液氮釋放點(diǎn)位于采空區(qū)內(nèi)30 m處，具體液氮注入示意圖見圖1 所示。

圖1 采空區(qū)液氮注入示意圖

2.3 液氮防滅火技術(shù)參數(shù)

2.3.1 注氮灌注量

由于采面后方采空區(qū)內(nèi)情況復(fù)雜，難以精準(zhǔn)地對采空區(qū)液氮注入量進(jìn)行預(yù)測，因此在注氮過程中可通過確定采空區(qū)體積來確定液氮注入量，具體可通過公式（1）計(jì)算。

其中：Q 為液氮注入量，m3；k1為注氮系數(shù)，取值0.99；W 為采空區(qū)惰化帶寬度，取值29.3 m；L 為采空區(qū)惰化帶長度，取值165 m；H 為采空區(qū)惰化帶高度，取值10.4 m。將上述參數(shù)帶入公式（1）計(jì)算求得Q=27 m3。

2.3.2 注氮灌注壓力核算

在液氮灌注過程中需要克服注氮管路沿程損失、液氮?dú)饣枇σ约白⒌苈肪植繐p失，通過初步估算，液氮注入管路阻力約為0.2 MPa。在采面回采巷道內(nèi)布置的CFW-1/1.4 液氮槽車液氮注入壓力一般在1.2 MPa 以上，注氮壓力遠(yuǎn)大于注氮阻力損失，可滿足井下注氮需要。

2.3.3 液氮釋放口位置確定

液氮釋放口位置需要綜合采空區(qū)“三帶”分布寬度、注氮強(qiáng)度及方式、氮?dú)庥行U(kuò)展半徑、采面推進(jìn)速度、采空區(qū)頂板冒落情況以及采面通風(fēng)情況等確定。一般情況下應(yīng)將注氮口布置在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)，以便在采面漏風(fēng)作用下將氮?dú)飧采w整個(gè)采空區(qū)。具體液氮釋放口距離采面距離范圍可通過式（2）、式（3）計(jì)算。

其中：Ls、Ly分別為采空區(qū)內(nèi)散熱帶、氧化帶寬度，m；Lk為氮?dú)庥行U(kuò)散半徑，取值為10 m。

現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)內(nèi)“自燃三帶”發(fā)育寬度見表1 所示，根據(jù)表1，Ls、Ly取值分別為19.3 m、29 m。將Ls、Ly、Lk取值分別代入式（2）、式（3）求得Lmin=29.3 m、Lmax=38.3 m。因此，采面采空區(qū)內(nèi)液氮釋放口位置應(yīng)位于距離采面采空區(qū)29.3 m～38.3 m 范圍內(nèi)，結(jié)合采空區(qū)埋管以及開采情況，確定開始注氮位置為距離采面30 m 位置處。

表1 30903 采空區(qū)“自燃三帶”寬度

3 液氮防滅火效果分析

在30903 工作面后續(xù)回采過程中，采用文中所述液氮注入方案向采空區(qū)內(nèi)持續(xù)注入液氮。在采面在4 月8 日至25 日號生產(chǎn)期間，即采面推進(jìn)至720 m～780 m 范圍內(nèi)時(shí)，安排專人使用型號CD4（A）氣體測定儀對液壓支架后方、回風(fēng)巷以及上隅角等多位置對氣體成分進(jìn)行測定，具體各個(gè)位置CO 濃度測定結(jié)果見圖2 所示。

圖2 CO 體積分?jǐn)?shù)測定結(jié)果

從圖2 看出，在30903 采空區(qū)灌注液氮進(jìn)行防滅火后，采面內(nèi)各位置CO 體積分?jǐn)?shù)整體表現(xiàn)出先增加后快速降低趨勢。在持續(xù)注氮5 d 后，采面各位置CO 體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最高值，此后CO 體積分?jǐn)?shù)顯著降低，至持續(xù)注氮9 d 后，采面各位置測定出來的CO 體積分?jǐn)?shù)均在5×10-6以內(nèi)，且后續(xù)隨著時(shí)間增加CO 體積分?jǐn)?shù)仍呈現(xiàn)緩慢降低趨勢；至持續(xù)注氮15 d 后，采面各個(gè)位置CO 體積分?jǐn)?shù)均在5×10-6以內(nèi)。采空區(qū)遺煤自燃問題基本得以解決，可滿足采面安全、高效回采需要。

4 結(jié)論

礦井開采自燃煤層時(shí)，防治采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃是煤炭安全、高效回采需解決的問題。特別是采面采用綜放開采方式時(shí)，采空區(qū)內(nèi)遺煤量較大，遺煤自燃風(fēng)險(xiǎn)較高。以30903 工作面采空區(qū)防滅火為工程背景，提出向采空區(qū)內(nèi)灌注液氮來實(shí)現(xiàn)防滅火。具體使用CFW-1/1.4 液氮槽車將液氮輸送至采面運(yùn)輸順槽內(nèi)，通過專用注氮軟巖以及預(yù)先埋設(shè)的注氮管路向采空區(qū)內(nèi)注氮；當(dāng)采面回采超過注氮釋放口30 m 時(shí)開始進(jìn)行注氮。

現(xiàn)場應(yīng)用后，采面各位置CO 體積分?jǐn)?shù)均得以有效控制，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度降低至8%以內(nèi)，氮?dú)鉂舛仍黾又?5%以上，可有效阻止采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃，滿足采面安全回采需要。