近距離煤層工作面上覆采空區注液氮防滅火效果研究

孫連勝，陳寶義

（1.國家能源投資集團神東煤炭集團公司 寸草塔煤礦，內蒙古 伊金霍洛 017209；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

礦井內外因火災是煤礦常見的災害，不僅嚴重威脅井下作業人員的生命安全，還影響礦井的正常生產接續計劃。采空區是煤層正常開采后留下的破碎、壓實的三維多孔介質空間[1]，在三維松散體空間內充填著不同粒徑的塊狀及粉末狀遺煤，由于漏風通道長期處于動態通風供氧導致遺煤氧化蓄熱后發生自燃。近距離煤層群開采，下覆煤層工作面回采過程中，復雜漏風條件下，上覆采空區遺煤發生緩慢氧化自燃后，其產生的CO等有毒有害氣體會在下覆工作面負壓通風作用下經采動裂隙下泄至工作面開采空間[2]，嚴重威脅井下作業人員的生命安全。因此，結合西部地區某礦22303工作面，針對其上覆火區下的安全回采問題，首先應積極對高溫火區進行有效治理，為下覆工作面生產消除安全隱患。

1 工作面概況

22303工作面是該煤礦三盤區第3個綜采工作面，工作面走向長度3 914 m，傾斜長度300 m，煤層設計采高為2.6 m。工作面距上覆采空區最近約120 m，地表鉆探結果表明：22303工作面上覆采空區存在局部高溫區域，經測溫得知鉆孔孔底溫度最高在75℃，且高溫區域各鉆孔孔口呈微弱出氣狀態，便攜儀測得CO濃度最高在150×10-6左右。通過測溫取氣可知工作面上覆高溫區域遺煤目前處于氧化階段，其工作面和上覆高溫火區位置如圖1。

圖1 22303工作面與上覆火區位置關系圖

22303工作面上覆高溫區域在原工作面切眼附近沿著傾向布置鉆孔10個，鉆孔間距25 m。鉆孔形成后對地表鉆孔進行持續測溫取氣后發現各鉆孔均為高溫狀態，溫度和氣體濃度相差不大，溫度平均在50～75℃之間，孔口CO濃度在200×10-6左右。實時關注高溫區域的發展變化，開采前利用上覆高溫區域所有鉆孔采取注液氮治理工作，根據煤田火區成因機理，按照煤田滅火規范標準要求，治理后火區的溫度應在70℃以下方可進行安全生產[3]。根據初期探測的火區范圍及液氮的氣化性質對所布置的10個鉆孔進行設計。22303工作面上覆火區地表鉆孔位置關系圖如圖2。其平面位置及初期孔口CO濃度變化（1#鉆孔）曲線如圖3。

圖2 22303工作面上覆火區地表鉆孔位置關系圖

2 上覆高溫區域鉆孔注液氮治理方案

圖3 22301工作面上覆火區1#地表鉆孔CO濃度曲線圖（2018年）

22303首采工作面由于生產接續需要，且通過鉆孔進行常規注漿降溫周期長，水土分離后水流易沿固定裂隙流淌[4]，不能起到大范圍治理效果。液氮具有低溫、易儲存、易運輸、成本低、汽化熱作用明顯、降溫效果突出、大面積惰化充填空間等優點[5]，經研究后決定對高溫區域的10個鉆孔進行注液氮快速降溫治理。應當指出，當注氮完成并達到回采要求后應在下覆22303工作面正常期間加強地表鉆孔的觀測，發現溫度、氣體有反彈跡象及時補注液氮，尤其是下覆工作面頂板初次來壓后應對地表鉆孔集中補注1次液氮，以惰化上覆采空區及本層采空區，確保工作面正常回采。

2.1 液氮量計算

為了使火區得到有效控制從而不影響22303工作面正常安全回采，預計將上覆高溫火區三維多空介質空間內充滿氮氣進行惰化處理，暫不考慮采空區頂板下沉量和氮氣的損失量[6]。經理論計算得知上覆高溫區域面積約61 000 m2。常溫狀態下，已知1 t液態氮轉換成氣體為800 m3[7]。上覆煤層為綜采工作面開采，采高為2 m，液態氮計算方法如下：

式中：T為注液氮總量；S為高溫區域面積；H為采高。

經理論計算后T=152.5 t，即得出上覆高溫區域總共需要152.5 t。考慮到高溫區域有橫向發展跡象，在注液氮總量上需有一定富余度，再結合工業注液氮車容量，本次對高溫區域共注入約230 t液氮，共計10車。平均每個鉆孔注入液態氮量約為23 t。

2.2 注液氮方式

本次注液氮共計10車，約230 t。沿著上覆采空區傾斜方向已打鉆孔編號采用單車、單孔、定壓（0.8 MPa）、分組、連續直注方式，即 1#、10#，2#、9#，3#、8#，4#、7#，5#、6#共計 5 組。工業用槽車釋放裝置與鉆孔孔口對接完成后將壓力表壓力設置0.8 MPa位置，第1d注1#、10#鉆孔，第 2 d 注 2#、9#，以此類推，分5 d注完。

2.3 鉆孔觀測

所有設計鉆孔分組依次完成注氮后，各鉆孔孔口應用法蘭密封。每天安排專人對所有注氮孔進行測溫導線孔底測溫及DN15 mm管孔底取氣分析[8]，主要記錄所有鉆孔在注液氮后溫度、CO氣體的變化規律，發現高溫區域局部出現反彈跡象時應根據情況及時補注適量液氮。

2.4 注氮效果分析

當高溫區域1#、10#注完2車液氮后，當天利用測溫導線測得1#、10#鉆孔孔底溫度為-160℃左右，孔口測得CO濃度在400×10-6左右，有明顯上升趨勢。測得其鄰近鉆孔孔底溫度有所下降，下降幅度在5℃左右，其它鉆孔基本不受影響。當5組鉆孔全部注完液氮后，應對鉆孔孔口進行密封處理，防止氮氣擴散溢出影響注氮效果，并連續對鉆孔溫度和CO濃度進行觀測。1#鉆孔注完液氮后溫度和CO濃度變化規律曲線圖如圖4。22301工作面上覆火區1#鉆孔注液氮后溫度變化曲線圖如圖5。

圖4 1#鉆孔注液氮后CO濃度變化曲線圖（2017—2018年）

圖5 22303工作面上覆火區1#鉆孔注液氮后溫度變化曲線圖（2017—2018年）

由圖5可知，液氮對高溫區域的降溫效果十分明顯，且鉆孔在注完后很長時間內仍處于零下低溫狀態。CO濃度在注氮后有短暫的上升趨勢，幾天后便呈下降趨勢，分析是液氮氣化后置換出高溫區域的高濃度CO使其濃度有較明顯升高趨勢[9]，當液氮大面積氣化并充填惰化采空區后CO濃度便被稀釋而降低[10]。通過上覆高溫區域單孔注液氮現場運用來看，單孔有效治理半徑不低于25 m，液氮氣化后有效惰化區域不小于625 m2[11]。

3 高溫區域鉆孔注液氮治理效果

1）通過科學的理論計算，將液氮氣化后有效的惰化面積確定后可以合理地確定高溫區域注氮孔的設計位置、數量。

2）液氮對于高溫區域的治理效果十分理想，不僅能夠短時間內迅速降低與其接觸的高溫煤體表面，還能抑制高溫區域在短期內溫度反彈現象，使作用區域溫度在一段時間內維持較低的水平。

3）單孔注液氮的有效治理半徑不僅與高溫區域溫度狀態有關，還和注氮量、注氮壓力、采空區壓實程度等參數有關。

4）對于高溫火區的治理應是一個持續的過程，在加強觀測的基礎上及時對局部或全部鉆孔進行補注液氮以使得高溫區域呈長期穩定狀態。

4 結論

1）沿工作面傾向設計的治理鉆孔數量基本能夠滿足全面惰化溫度異常區域的需要。

2）高溫區域鉆孔實施注液氮措施后，孔內有害氣體CO濃度呈現出先升高后持續下降趨勢、溫度則呈現斷崖式下降至最低水平后逐漸升高趨勢。

3）22303首采工作面在實施注氮治理措施后可確保工作面正常安全回采，直至推過上覆溫度異常區域。