易燃特厚煤層綜放開采采空區(qū)注氮技術(shù)應(yīng)用研究

高永勝

(山西焦煤山煤國際長春興煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100)

1 工程概況

山西焦煤山煤國際長春興煤業(yè)有限公司(長春興礦)103綜放工作面開采22號煤層，工作面傾斜長度148.8 m，可采煤壁長151.5 m，走向長度為760 m，可采走向長度為680 m，停采線位于西膠帶大巷外幫77.5 m處，煤層平均厚度為12.5 m，有三層夾矸，第一層夾矸距離該煤層頂板0.6 m，平均厚0.4 m，第二層夾矸距離該煤層頂板2.2 m，平均厚0.4 m，第三層夾矸距離該煤層底板5.2 m，平均厚0.1 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。工作面煤層呈現(xiàn)單斜構(gòu)造，走向為168～152°，傾向為78～62°，平均傾角2°，工作面地面標(biāo)高1 238～1 350 m，煤層底板標(biāo)高633～838 m，平均埋深558 m.礦井為低瓦斯礦井。自燃傾向性等級為Ⅱ類，屬自燃煤層。為保障工作面安全高效生產(chǎn)，對103工作面采空區(qū)注氮工藝及效果展開相關(guān)研究。

2 煤自然發(fā)火的指標(biāo)氣體測試

為掌握長春興礦現(xiàn)階段所采22號煤層自然發(fā)火特性，以便更好的指導(dǎo)綜放工作面的防滅火工作，對103綜放工作面煤樣進行自燃特性實驗[1]，根據(jù)實驗室測定數(shù)據(jù)整理得到氣體濃度隨溫度變化曲線如圖1所示。

根據(jù)圖1所示結(jié)果可以看出，當(dāng)煤樣升溫到30 ℃時，開始產(chǎn)生CO2、CO氣體，溫度達到90 ℃及以上時，CO2、CO氣體濃度的增長速度均明顯加快，說明此時煤樣開始迅速的氧化反應(yīng)；煤樣溫度達到100 ℃、140 ℃、170 ℃時，分別開始產(chǎn)生C2H6、C2H4、C3H8氣體，當(dāng)溫度達到190 ℃時，開始出現(xiàn)C2H2氣體。綜上可知，可將CO氣體作為采空區(qū)自燃情況監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)性氣體，C2H6、C2H4等烷氫類氣體作為輔助性判定指標(biāo)；當(dāng)監(jiān)測到CO濃度增長速度加快，說明此時采空區(qū)溫度以達到90 ℃以上，需發(fā)出預(yù)警；當(dāng)監(jiān)測到C2H4、C3H8氣體表明溫度已超過140 ℃，應(yīng)立即采取灌漿、注氮等強有力的滅火措施。

圖1 各種氣體濃度隨溫度變化曲線

3 注氮方案設(shè)計

3.1 注氮防滅火工藝方案選擇

1) 注氮方法與注氮制度。開放式注氮是在未封閉的情況下進行的一種注氮方式[2]。適用于推進中的工作面采空區(qū)早期自燃的防滅火工作。封閉式注氮(閉區(qū)注氮)是為控制火情或防治瓦斯爆炸，將發(fā)生火災(zāi)或積聚瓦斯的區(qū)域先封閉后進行注氮，防止工作面正?；夭善陂g采空區(qū)自燃應(yīng)采用該種注氮方式。根據(jù)采空區(qū)注氮是否連續(xù)可連續(xù)性、間歇性兩種注氮制度，非連續(xù)性注氮：對于采空區(qū)自然發(fā)火危險性不強的礦井，在工作面正常回采期間，可采用間斷非連續(xù)性注氮。實際工作中根據(jù)對火情預(yù)測的實際情況，和對自燃危險的重點地段進行注氮，長春興礦103綜放工作面煤層厚度大，采空區(qū)遺煤較多、煤體自然發(fā)火期短，因此，由此設(shè)計采用連續(xù)性注氮方式。

2) 注氮工藝方式選擇。埋管工藝形式根據(jù)具體情況而定。當(dāng)不采取灌漿方法，且采空區(qū)無水時，優(yōu)先采用直管拖管注氮方法，拖管采用液壓千斤頂支柱完成，保持注氮口距工作面15 m.對重點防滅火地點，采用埋彎管注氮方法，此時應(yīng)采用交替埋管方法，距離工作面25 m時實施交替管。交替埋管工藝形式：沿著運輸巷道下幫緊貼底板安設(shè)站管，站管的長度為巷道高度，站管上部1 m長的部分為條形眼，頂部管孔用鐵板焊封，防止煤、矸將站管堵塞，其余部分的焊接必須嚴(yán)密，以防止進水，站管周圍利用木垛保護站管。第一路站管及管路在開采時埋設(shè)，以后工作面每推進25 m安設(shè)站管及管路，如此交替進行，直至采終。103工作面注氮管路如圖2所示。

圖2 103綜放工作面注氮管路示意

3) 注氮地點與管口的安全最小距離。埋管安全最小距離主要是防止和避免因大氣喘息使氮氣回流。所謂氮氣回流工作面是指因大氣壓力變化，采空區(qū)發(fā)生“喘息”導(dǎo)致大量采空區(qū)氣體從進風(fēng)側(cè)涌出的現(xiàn)象(一般工作面上游進風(fēng)側(cè)漏風(fēng)總是流向采空區(qū)的，當(dāng)外界大氣壓力突然下降時，采空區(qū)內(nèi)部氣體壓力相對較高，膨脹涌出進入工作面)。采空區(qū)溫度變化主要是受工作面通風(fēng)風(fēng)流溫度的影響，說明采空區(qū)內(nèi)的冷卻帶比較寬，計算冷卻帶寬度取25 m，根據(jù)以上的劃分，結(jié)合本礦采空區(qū)上下幫兩巷不落空隙比較大的實際情況，本設(shè)計在采用埋管注氮中，取埋入采空區(qū)的注氮管口距離工作面位置的安全最小距離為15 m.

3.2 注氮防滅火參數(shù)確定

1) 采空區(qū)防火耗氮量的計算。供氮能力(1個工作面注氮量)可按公式(1)計算[3]：

(1)

2) 輸?shù)苈?、輸?shù)髁颗c壓力的計算。礦用輸?shù)苈分睆桨垂?2)計算[4]：

(2)

式中：QN為最大輸?shù)髁?，m3/min；D為注氮管路最小直徑，mm；V為管道內(nèi)允許流速，當(dāng)?shù)獨鈮毫?.3～0.6 MPa時，V選為20 m/s.考慮到長春興礦注氮輸送管路最遠距離較長，阻力損失較大，實際選型主干管選擇D159 mm管路，支管選擇D108 mm管路。

3.3 束管監(jiān)測系統(tǒng)布置

103工作面采空區(qū)布置束管監(jiān)測系統(tǒng)，從切眼處開始布置，采樣點布置間距120 m，采用埋管法布置，8芯束管埋設(shè)在103回風(fēng)巷道煤柱幫水溝底部，在工作面推進至預(yù)先設(shè)定的采樣點時，引出單芯束管穿入PE管內(nèi)，起到保護束管的作用，然后將束管抬升2.5 m固定在煤柱幫，采用木垛支撐穩(wěn)定、保護束管，束管末端安裝采樣器，為保證取樣的精度，每次取樣時預(yù)先抽排15 min束管內(nèi)氣體，束管監(jiān)測系統(tǒng)布置如圖3所示。

圖3 束管監(jiān)測系統(tǒng)(m)

4 注氮防滅火效果監(jiān)測與評價

4.1 采空區(qū)氧氣、一氧化碳濃度變化規(guī)律

根據(jù)束管監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到連續(xù)注氮條件下103綜放工作面采空區(qū)內(nèi)CO、O2濃度隨著各測點深入采空區(qū)距離的變化規(guī)律如圖4所示，1號測站位于切眼處，深入采空區(qū)70 m之前，工作面回采初期未采取注氮措施，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度始終穩(wěn)定在20%左右，表明此時采空區(qū)存在較大的自燃隱患，工作面開挖68 m后，開始向采空區(qū)內(nèi)采取24 h連續(xù)注氮工藝，注氮量約 600 m3/h，持續(xù)注氮5 d后，工作面推進了約60 m，采空區(qū)氧氣濃度下降至12%左右。后續(xù)各測點在連續(xù)注氮條件下，在束管測點深入采空區(qū)約30 m后，氧氣濃度迅速降低至8%左右，之后隨著測點深入采空區(qū)，氧氣濃度進一步逐漸減小至更低水平。采空區(qū)內(nèi)CO濃度持續(xù)穩(wěn)定在200×10-6以下，CO來自氧化帶內(nèi)浮煤的緩慢氧化，表明此時采空區(qū)溫度保持在90 ℃以下。綜上可知，通過連續(xù)注氮工藝可迅速降低采空區(qū)氧氣濃度，對采空區(qū)遺煤起到良好的惰化作用，消除了采空區(qū)自然發(fā)火的可能性。

圖4 采空區(qū)O2濃度、CO濃度變化趨勢圖

4.2 采空區(qū)“三帶”變化及防滅火效果分析

連續(xù)注氮條件下，103綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”寬度基本穩(wěn)定，散熱帶深入采空區(qū)0～25 m，氧化帶深入采空區(qū)25～41 m，窒息帶深入采空區(qū)41 m以上，注氮前后對于采空區(qū)散熱帶寬度影響較小，對于氧化帶寬度影響顯著，氧化帶寬度減小了約80 m，窒息帶向工作面方向前移了約100 m.根據(jù)近一年的束管監(jiān)測結(jié)果，長春興礦103綜放工作面采空區(qū)連續(xù)注氮起到了惰化采空區(qū)、減小氧化帶寬度、使采空區(qū)盡早實現(xiàn)窒息帶的效果，保證了綜放工作面的順利推進。

5 結(jié) 語

1) 通過對長春興礦22號自燃特性實驗研究，基本確定了該煤層自燃特征，建立以CO為指標(biāo)性氣體、以C2H6、C2H4等烷氫為輔助性氣體的預(yù)測預(yù)報指標(biāo)。

2) 根據(jù)103綜采放頂煤工作面煤層厚、遺煤多、易自燃的特點，設(shè)計采空區(qū)注氮防滅火工藝技術(shù)及參數(shù)，采用開放式連續(xù)注氮方法，注氮管路主干管選擇D159 mm管路，支管選擇D108 mm管路。

3) 連續(xù)注氮條件下，103綜放工作面采空區(qū)氧氣濃度保持在8%以下，氧化帶寬度減小約80 m，起到明顯惰化采空區(qū)的效果，消除了采空區(qū)自然發(fā)火的可能性，為高產(chǎn)高效綜放面開采提供可靠的安全保障。