11-2#煤層8319極近距離綜采工作面注氮滅火開采探究

陳 喜

(大同煤礦集團(tuán)地煤公司，山西 大同 037000)

1 8319工作面概況

1.1 工作面位置及四鄰

8319綜采工作面位于井田西部1185水平11-2#煤層303盤區(qū)，工作面東部為一走向北西-南東、落差20 m的正斷層，距8319工作面約60 m；南部為13#煤層小窯破壞區(qū)，距8319面尾切眼350 m；西部亦為一走向北西-南東、落差12 m正斷層和未準(zhǔn)備的8317實(shí)體煤工作面，北部為1185水平大巷。

8319工作面上覆為11-1#煤層8319綜采工作面采空區(qū)，距11-2#煤層間距0.6 m～2.5 m，平均0.8 m，煤層厚2.0 m；再上覆為10#層實(shí)體未采煤層，層間距為59 m；再往上覆無煤層。

1.2 工作面參數(shù)

工作面走向全長310 m，傾向長度99 m/128 m，其中，工作頭部128 m，尾部99 m，尾部拐把長95 m，工作面平均煤層厚度1.9 m，面積32 645 m2，可采儲(chǔ)量90 745 t。

2 導(dǎo)致工作面發(fā)火原因的分析

2.1 8319工作面形成情況

11-2#煤層8319工作面于2015年5月圈出并封閉。 2016年11月啟封后，發(fā)現(xiàn)原切眼(第一切眼巷)頂板已塌落(6.5 m×8 m，高約4 m)，不具維修價(jià)值，于是退后22 m重開切眼，并進(jìn)行支架穩(wěn)裝，設(shè)計(jì)穩(wěn)裝支架68個(gè)，當(dāng)穩(wěn)放至61個(gè)支架時(shí)，2319巷從切巷外向2319順槽口方向頂板塌落(4.5 m×11 m，高約4 m)，為此，再退后15 m，再次開掘“L”巷，以保證該工作面的正常生產(chǎn)。

截至2017年7月9日11-2#煤層8319工作面已推出72 m，至拐彎切巷還有約23 m(工作面設(shè)計(jì)可采長度310 m，工作面長99 m/128 m，平均煤厚1.8 m)，余238 m，儲(chǔ)量剩余7.1萬t。

2.2 氣體情況

從2017年7月9日16時(shí)，工作面上隅角開始出現(xiàn)8×10-6～10×10-6的一氧化碳，并持續(xù)至7月10日0點(diǎn)7分，上隅角一氧化碳最大達(dá)80×10-6，工作面回風(fēng)流一氧化碳基本維持在3×10-6～20×10-6。鑒于上述情況，責(zé)令8319工作面立即停產(chǎn)，切斷電源，撤出工作面內(nèi)所有作業(yè)人員，設(shè)置柵欄并指配專人進(jìn)行火區(qū)監(jiān)測(cè)管理。同時(shí)，要求通風(fēng)部門查明一氧化碳來源。

2.3 8319面疑似火點(diǎn)分析

1) 11-2#煤層8319工作面從形成至開采將近2.5年，加之11-1#煤層8319綜采工作面開采時(shí)，對(duì)采空區(qū)雖已采用噴灑阻化劑的方法進(jìn)行防滅火處理，但由于噴灑的阻化劑濃度可能達(dá)不到要求或?qū)Σ煽諈^(qū)覆蓋的面積不夠均勻，因而可能導(dǎo)致未覆蓋的上層采空區(qū)浮煤處于自燃狀態(tài)。

2) 2016年11月啟封后，由于第一切眼巷垮塌，需重新開掘切巷，加之重新開掘的切巷又發(fā)生了工作面上順槽的冒落，不得已又重新補(bǔ)掘了“L”巷，待“L”巷圈成后，才能對(duì)11-2#煤層8319面進(jìn)行回采。雖回采前對(duì)第一切眼巷進(jìn)行了永久密閉，但由于受采動(dòng)壓力影響，存在采空區(qū)密閉墻早已被壓垮現(xiàn)象，加之長時(shí)間的采空區(qū)供風(fēng)也是導(dǎo)致采空區(qū)起火的原因之一。

3) 11-2#煤層8319工作面和上層11-1#煤層8319工作面屬極近距離開采煤層，層間距僅0.8 m～2.5 m，下層巷道支護(hù)時(shí)，雖采用短錨桿加金屬棚子進(jìn)行支護(hù)，但不排除施工錨桿時(shí)與上層貫通現(xiàn)象，從而給上層的11-1#煤層采空區(qū)供入新鮮空氣，致使上層采空區(qū)浮煤在長時(shí)間的供氧狀態(tài)下發(fā)生自燃現(xiàn)象。

4) 11-2#煤層8319工作面的5319順槽和上層11-1層8319工作面的5319順槽在尾部的95 m屬重疊布局，加之上層在回采時(shí)，可能使工作面尾部浮煤相對(duì)較多，加之受11-2#煤層采動(dòng)影響，致使上層尾部采空區(qū)大面積塌落于下層采空區(qū)內(nèi)，也是造成工作面發(fā)火的主要原因之一。

5) 由于11-2#煤層8319工作面開采時(shí)，工作面的通風(fēng)方式為負(fù)壓式通風(fēng)，導(dǎo)致工作面上隅角長時(shí)間處于低氧狀態(tài)；加之11-2#煤層8319工作面形成時(shí)間過長，又遭遇頂板的幾次垮塌，使得采空區(qū)浮煤發(fā)火期遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了11-2#煤層的自燃發(fā)火期，也是造成發(fā)火原因之一。

6) 由于11-2#煤層8319工作面位置的特殊性，不與四鄰發(fā)生關(guān)系，11-1#煤層上覆均為未采動(dòng)的實(shí)體煤層，因而8319工作面受外界一氧化碳侵入的可能性極小。

綜上所述，認(rèn)為11-2#煤層8319工作面一氧化碳?xì)怏w的下泄，可能為極近距離的上層或同層采空區(qū)煤炭自燃發(fā)火所致(具體著火點(diǎn)位置尚不能確定)。

3 針對(duì)疑似火區(qū)采取的方案

為杜絕11-2#煤層8319工作面一氧化碳有害氣體的下泄，目前采取滅火的方法主要有隔絕法、均壓、充填法、注二氧化碳法及注氮?dú)夥ā＝?jīng)研究分析，均壓法、充填法和注二氧化碳法對(duì)8319工作面不太適合，由于8319工作面在一氧化碳超限時(shí)，未將綜采設(shè)備、支架等設(shè)備全部撤出，加之經(jīng)濟(jì)投入過大，因而選用聯(lián)合隔絕封閉式注氮?dú)夥椒ㄟM(jìn)行滅火。

氮?dú)馐且环N無毒的不可燃?xì)怏w，利用氮?dú)獾亩栊裕瑢⑵渥⑷氩煽諈^(qū)或破碎煤體，在自身的擴(kuò)散、彌漫和外加能量場(chǎng)(漏風(fēng)場(chǎng)等)的共同作用下，沖滯于碎煤體周圍而形成氣-固相混合體，減少碎煤周邊的氧氣含量，阻止或延長煤的氧化性能。此外，可升高碎煤體周邊的壓力，控制漏風(fēng)量，并且，注入的氮?dú)鉁囟容^低，可起到吸熱降溫作用，抑制碎煤體氧化升溫速度，同時(shí)，可沖淡并降低CH4、氧氣的濃度，減小爆炸的可能性。加之，空氣的主要成分為氮?dú)猓≈鄬?duì)容易，成本相對(duì)較低，是一種物美價(jià)廉的滅火材料[1-3]。

4 注氮方案

4.1 注氮方式

由于8319工作面已于2017年7月20日封閉完成，密閉墻按要求安裝了“三孔一柱”，利用8319工作面上順槽密閉墻上措施孔，即“埋管式”注氮，使氮?dú)忉尫趴谘毓ぷ髅骓槻圻M(jìn)風(fēng)方向設(shè)置在距工作面20 m的位置，且管口距底板50 cm以上進(jìn)行“埋管式密閉區(qū)”注氮，充分借助注氮正壓或其漏風(fēng)壓力的共同作用，保證注入的氮?dú)饽軌虺掷m(xù)擴(kuò)散且形成全方位的氮?dú)舛杌瘞В瑥亩_(dá)到有效滅火或抑爆的目的。

4.2 注氮技術(shù)要求

注氮滅火技術(shù)的關(guān)鍵是保證氮?dú)獗M可能地滯留在采空區(qū)氧化帶中，以降低氧含量而使其中的浮煤處于惰化狀態(tài)。按照《煤礦安全規(guī)程》(2016版)第二百七十一條規(guī)定：氮?dú)庠捶€(wěn)定可靠，濃度不小于97%；每次注氮時(shí)，必須排空注氮管路內(nèi)的空氣，經(jīng)檢測(cè)確認(rèn)氮?dú)饧兌冗_(dá)到97%以上時(shí)，才可向8319工作面進(jìn)行注氮。

注氮期間，通風(fēng)部指派專人每天對(duì)8319工作面的上、下順槽氣體進(jìn)行取樣化驗(yàn)，并建立注氮期間注氮量與火區(qū)有害氣體變化關(guān)系臺(tái)賬，根據(jù)臺(tái)賬數(shù)據(jù)及時(shí)分析掌握采空區(qū)內(nèi)氣體變化，一旦發(fā)現(xiàn)氮?dú)鉂舛刃∮?7%時(shí)，立即停止注氮，并查明原因。

4.3 注氮量

11-2#煤層8319工作面上覆為11-1#煤層8319綜采工作面采空區(qū)，由于采動(dòng)影響和巖石自然位移角的多重作用，注氮量將直接決定注氮效果，注氮量少達(dá)不到惰化采空區(qū)目的，注氮量過大造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。因此，合理估算注氮量是采空注氮關(guān)鍵。

由于8319工作面為全封閉工作面，加之在未出現(xiàn)一氧化碳下泄之前，工作面的回風(fēng)、進(jìn)風(fēng)差僅為27 m3/min，因而整個(gè)工作面基本處于全封閉不漏風(fēng)狀態(tài)，注入的氮?dú)獍垂ぷ髅娌筛叩?倍～10倍計(jì)算其冒落裂隙高度，則需注氮量為595 200 m3～744 000 m3。

另外，還需考慮：10%的采空區(qū)漏風(fēng)系數(shù)；1.5倍的氮?dú)獍踩珎溆孟禂?shù)；15%的輸?shù)苈窊p失。則，共需注氮量為1 129 392 m3～1 411 740 m3。

4.4 注氮設(shè)備

4.4.1 DM型礦用移動(dòng)式膜分離制氮裝置

型號(hào)：DM-1000/8；氮?dú)饬髁浚? 000 m3/h；氮?dú)馍疃取?8%；氮?dú)鈮毫Γ?.8 MPa；電機(jī)功率：(220 kW×2)；電壓：660 V/1 140 V；外形尺寸：3 770 mm×1 400 mm×1 922 mm；膜前壓力：0.1 MPa～0.1 MPa；膜后壓力：0.05 MPa～0.10 MPa。

4.4.2 礦用螺桿式移動(dòng)空氣壓縮機(jī)

型號(hào)：MLG28.8/12.3-220G；排氣量：28.8 min；排氣壓力：1.25 MPa；額定電壓：660 V/1 140 V；功率：185 kW～220 kW；外形尺寸：3 770 mm×1 400 mm×1 900 mm。

4.5 工期

經(jīng)計(jì)算，工期需要47.06 d～58.82 d，為保證火區(qū)的熄滅，大約需注氮60 d。

4.6 注氮效果

從2017年7月25日開始至9月30日完成注氮，并每天堅(jiān)持對(duì)8319工作面上下順槽取樣化驗(yàn)，注氮3 d后從上下順槽取樣時(shí)，已檢測(cè)不到一氧化碳，且氮?dú)鉂舛戎饾u增大，氧氣濃度逐漸減小，乙烷、乙烯也未檢測(cè)到，從第5 d開始至注氮結(jié)束的95 d，8319工作面上下順槽內(nèi)氮?dú)庖恢背掷m(xù)在95.1%、氧氣2.06%、二氧化碳2.84%，未檢測(cè)至其他有害氣體，采空區(qū)溫度26 ℃，無出水流出。

5 注氮后8319工作面狀況

2017年10月1日停止向11-2#煤層8319面注氮，從10月2日至10月30日仍堅(jiān)持對(duì)8319工作面進(jìn)行取樣觀察。經(jīng)過1個(gè)月的監(jiān)測(cè)，8319面內(nèi)的有害氣體濃度和各項(xiàng)指標(biāo)，符合《煤礦安全規(guī)程》第二百七十九條火區(qū)啟封條件要求。我礦于2017年11月3日成功對(duì)11-2#煤層8319工作面進(jìn)行啟封，截至2017年12月26日8319工作面已全部開采，共采出煤炭9.1萬t，期間，8319工作面上隅角和回風(fēng)流中未發(fā)現(xiàn)一氧化碳溢出、下泄現(xiàn)象。