注氮在小煤柱工作面鄰近采空區(qū)瓦斯防治中應用

李 晨

（晉能控股煤業(yè)集團安全督查大隊，山西 大同 037003）

注氮置換技術近些年來在煤礦井下應用呈增加趨勢，通過向采空區(qū)或者其他密閉空間內注氮可稀釋瓦斯?jié)舛?，并將瓦斯?jié)舛冉档?%以內，同時還能隔絕新鮮空氣，避免遺煤自燃。由于氮氣制備技術較為成熟且環(huán)境優(yōu)化，因此注氮技術在煤礦井下防滅火、防瓦斯等方面應用較為廣泛［1-2］。目前采空區(qū)注氮防滅火、治理瓦斯一般集中在采煤工作面采空區(qū)，對于小煤柱工作面鄰近采空區(qū)瓦斯治理中應用得較少。同忻礦近些年來采深及開拓范圍不斷增大，受采掘接替緊張制約，采面回采順槽多采用沿空掘巷方式，掘進的巷道受采動動壓影響，存在圍巖變形嚴重的問題。礦井開采初期留設38 m護巷煤柱，為提高煤炭資源回收率，在后續(xù)回采中礦井提出在厚煤層中采用留小煤柱護巷的方式，8305工作面與鄰近的8307采空區(qū)間只留設6 m煤柱。由于煤柱留設寬度小，在采動影響下容易出現(xiàn)貫通裂隙，從而導致鄰近8307采空區(qū)內有害氣體在壓差作用下向8305工作面5305巷涌出，容易導致8305工作面瓦斯超限甚至引起8307采空區(qū)遺煤自燃［3-6］。同忻礦通過技術研究，提出采用注氮置換方式解決鄰近采空區(qū)瓦斯涌出問題，并抑制采空區(qū)內遺煤自燃。

1 工程概況

8305工作面設計推進1 238 m、面長200 m，采用綜放開采工藝，回采的煤層厚度2.31～23.42 m，平均14.09 m，煤層傾角0°～6°。8305工作面北側為已在2016年回采完畢的8307采空區(qū)，南側為實體煤，東側及西側分別為盤區(qū)大巷以及礦界煤柱。為提高煤炭回收率，在8305工作面與8307采空區(qū)間留設寬度為6 m護巷小煤柱。

在8307采空區(qū)預先埋設有束管，通過對束管獲取氣體濃度進行分析，發(fā)現(xiàn)8307采空區(qū)內CH4濃度為3%～6%、CO2濃度為2%～5%、CO濃度為15～50 PPm、O2濃度為5%～7%、N2濃度為85%～90%，采空區(qū)內無自燃發(fā)火隱患，但CH4濃度較高，一旦小煤柱工作面與臨近的8307面采空區(qū)間的小煤柱出現(xiàn)裂隙或漏風通道，高濃度的CH4就會大量涌入工作面，對工作面的安全生產造成重要影響。因此同忻礦設計提前利用采空區(qū)內預先埋設的注氮管將高濃度氮氣注入8307面采空區(qū)，同時在相鄰的8309面順槽向8307面采空區(qū)內施工鉆孔，采用對角式注氮與抽放相結合的方式對采空區(qū)內聚集的有害氣體進行置換，一方面降低采空區(qū)內CH4濃度，另一方面提高N2含量，消除高濃度CH4對8305工作面的影響。

2 對角式采空區(qū)惰性氣體置換技術

2.1 對角式采空區(qū)惰性氣體置換方案

鑒于上述特殊情況，同忻礦設計對8307工作面采空區(qū)實施邊注邊抽對角式注入惰性氣體置換的技術方案。該方案的基本思路為：在8305工作面回采過程中持續(xù)向8307采空區(qū)注氮，并通過布置抽采孔對采空區(qū)內有害氣體進行抽放，從而實現(xiàn)采空區(qū)內有害氣體置換的目的。具體如圖1所示［7-9］。

圖1 采空區(qū)注氮置換

在8305工作面回采期間，向8307工作面持續(xù)進行注氮并對有害氣體進行抽采，具體注氮技術方法為：

（1）注氮位置，通過8307工作面2307順槽以及頂抽巷密閉內預先鋪設的3趟?108注氮管路向采空區(qū)內持續(xù)注氮，其中2307巷布置2趟注氮管路、頂抽巷布置1趟注氮管路，注氮量控制在900 m3/h左右。

（2）抽放位置，在8309面5309順槽內向8307采空區(qū)施工3個抽采鉆孔，并通過抽采管與井下低負壓抽采管路連接，抽放量與注氮量保持一致。

具體注氮以及抽采系統(tǒng)布置為：

①注氮系統(tǒng)管路。注氮通過2307順槽以及頂抽巷內注氮管實現(xiàn)。8307面2307巷注氮路線為：注氮車間（三盤區(qū)地面）→立井注氮主管（?480鋼管）→回風繞道注氮主管（?480鋼管）→盤區(qū)回風巷注氮主管（?480鋼管）→5305巷回風繞道注氮管路→2307巷兩趟注氮管（?108鋼絲纏繞管）→8307采空區(qū)；8307面高抽巷注氮路線為：注氮車間（二盤區(qū)地面）→立井注氮主管（?480鋼管）→盤區(qū)回風繞道注氮主管（?480鋼管）→盤區(qū)回風巷注氮主管（?480鋼管）→8307頂抽巷注氮管路（?108鋼絲纏繞管）→8307面采空區(qū)。

②抽放系統(tǒng)管路。利用8309面5309順槽內已有的低負壓瓦斯抽采管（?273鋼管）對8307采空區(qū)進行抽放，在5309順槽內1600 m位置向8307采空區(qū)施工抽采鉆孔（3個、孔徑均為108 mm）并抽放采空區(qū)瓦斯。具體采空區(qū)瓦斯抽放線路為：8307采空區(qū)→8309面5309順槽抽采支管（?273鋼管）→盤區(qū)回風巷抽采主管（?530鋼管）→回風立井抽采主管（?530鋼管）→回風井瓦斯泵站。8307采空區(qū)注氮位置及抽放位置布置如圖2所示。

圖2 8307工作面采空區(qū)注氮置換系統(tǒng)布置

2.2 效果分析

在8305綜放工作面推進期間對8307采空區(qū)持續(xù)進行注入氮氣、抽放瓦斯，并通過采空區(qū)內布置得束管對氣體變化情況進行持續(xù)監(jiān)測，具體注氮前后采空區(qū)內氣體變化情況如表1所示。

表1 8307工作面采空區(qū)注氮前后氣體濃度變化

通過注氮、抽放瓦斯后，8307采空區(qū)內有害氣體濃度得以明顯降低。在注氮置換之前采空區(qū)內CH4（瓦斯）濃度介于3.0%～6.0%，注氮后CH4（瓦斯）濃度降低至0.8%～1.9%，瓦斯?jié)舛冉捣骄^70%；同時采空區(qū)內N2（氮氣）濃度由85%～90%增至94%～98%、O2（氧氣）濃度由5.0%～7.0%降至1.2%～2.3%，可有效抑制采空區(qū)內遺煤自燃。通過向8307采空區(qū)注氮，降低了采空區(qū)內有害氣體濃度，雖然有部分氣體通過小煤柱裂隙向8305工作面涌出，但由于有害氣體濃度低，不會給8305綜放工作面回采帶來明顯威脅；同時由于8307采空區(qū)內O2（氧氣）濃度降低、N2（氮氣）濃度較高，可有效抑制采空區(qū)內遺煤自燃。

3 結論

1）在8305工作面回采期間通過2307巷及8307頂抽巷注氮管路向8307采空區(qū)注入高濃度氮氣（流量900 m3/h），在8309面5309順槽向8307采空區(qū)施工抽放鉆孔進行采空區(qū)瓦斯抽放（流量900 m3/h），綜合使用注氮、抽放降低8307采空區(qū)有害氣體濃度以及氧氣濃度，降低有害氣體外溢風險并抑制采空區(qū)遺煤自燃。通過注氮置換后，8305工作面得以安全高效生產，有效解決了鄰近采空區(qū)有害氣體外溢問題?，F(xiàn)場實施的惰性氣體（氮氣）置換技術置換出的氣體體積大、范圍廣，對于留設小煤柱開采的工作面實際應用具有指導性意義。

2）煤柱縮小至6 m后，可使得采面多回采32 m煤柱，提高了工作面回采率，8305工作面可多采出煤炭約0.742 8 Mt，社會經濟效益顯著。