氮氣置換法治理采空區有害氣體技術

張 杰

（山西煤炭運銷集團口泉煤業有限公司，山西 大同 037100）

引 言

煤炭公司想要防止煤炭發生自燃時，應該從采空區抽取有害氣體時采取一系列手段。及時向采空區添加氮氣，防止空氣進入采空區并引起自燃。這種通過氮氣置換處理采空區有害氣體的技術可以避免有害氣體對鄰近工作面的威脅；同時可以保持采空區的惰化指標，最終解決了有害氣體治理的難題。

1 煤炭企業采空區有害氣體處理難點與途徑

1.1 治理采空區瓦斯的難點

目前，采空區的瓦斯治理是一個主要的難點，也是人類研究天然氣和煤炭防治的重點。我們提出了“采用硝酸鹽替代方法控制采空區有害氣體”的技術研究。一方面，它可以解決煤炭安全生產中面臨的一些問題；另一方面是為了治理采空區有害氣體，進而探究出一條更加有效的技術。

1.2 常規治理遇到的問題

在采空區的常規氣體危害控制措施中，該礦采取了諸如安裝排氣扇和水射流風扇，鉆孔預鉆孔以及返回空氣通道返回的措施。兩者都取得了良好的效果，但在礦山復雜的地質條件下，工作面沿斷層布置，采空中的煤柱較小，裂縫較多。

1.3 治理有害氣體的途徑探索

經過科學分析，實施采空區瓦斯抽放是控制采空區高濃度瓦斯的有效途徑，但采空區瓦斯抽放會增加采區的漏氣量。可能引起采空區遺煤自燃。因此，如何管理采空區高濃度瓦斯，防止采空區殘煤自燃，為煤礦安全開采提供可靠保障，是礦井安全可持續發展的基礎。通過更換氮氣，一方面可以消除采空區中有害氣體對相鄰工作面的安全威脅，另一方面保持采空區的惰化狀態。這可以防止煤的重新點火和點火，最終可以有效地解決自然點火控制采空區有害氣體的技術問題［1］。

2 氮氣置換處理采空區有害氣體的研究

2.1 對采空區有害氣體的全面觀測

對采空區的有害氣體進行實時監測為了更好的研究其有害氣體的組成成分，以及它的變化規律和影響的因素。通過這種方式，可以為評估采空區的安全狀態，為以后的相關氣體置換方案的開發和實施提供正確的基礎資料。與此同時，也要積極研究討論采空區漏風的解決辦法，為后續治理治理采空區的有害氣體打下堅實的基礎。

2.2 采空區煤的氧化和惰化模擬實驗

對采空區進行煤的氧化和惰化的模擬實驗也是不容忽視的問題。通過上述模擬試驗，可以掌握煤的低溫氧化規律，CO的來源及其變化規律，采空區中最低氧的溶解度等。可以防止和控制煤的自燃的相關參數和通過氮置換方法替換有害氣體。同時，對煤的加熱和氧化熱力學進行特性試驗，并對自然點火標志氣進行相關研究，為預測殘余煤的自燃提供相應的基本參數。

2.3 采空區氮氣置換工藝的研究

對于采空區置換工藝也需要進行一系列的研究，不斷發掘新的采空區瓦斯的抽放技術和注氮技術、實時監控等方法。可以制定更好的氣體置換方案和實施措施，最終可以更好的實現治理采空區瓦斯與遺煤自燃災害雙贏的目標。

2.4 解決措施的制定

我們需要考慮安全原則和先進適用的方法，制定相應的采空區火災事故應急措施。根據科學的觀念，確立“采用硝酸鹽替代方法控制采空區有害氣體”的技術實施方案。

3 氮氣置換法治理采空區有害氣體技術操作的關鍵點

3.1 學用氮氣置換法，防止新鮮空氣的進入

當氣體從采空區抽出時，泵送的負壓將在一定程度上破壞自由狀態和氣體吸附狀態的動態平衡。因此，一部分吸附態氣體將根據一定的衰減速度引入和解吸。當泵送到一定程度時，外部氣體將進入采空區以補充采空區從采空區抽出的氣體，最終導致采空區的空氣泄漏源增加。因此，我們需要使用氮氣來防止所有外來氣體進入采空區并始終保持采空區的惰性狀態。

3.2 遵守“先注后抽，控制抽量”的原則

針對采空區的氣體置換，實施過程中必須遵守“先放，然后抽水，同時抽水和控制抽量，實時監控”的原則。這確保氮氣惰化區平穩地深入采空區。最重要的是有必要向采空區注入一定量的氮氣，并在注入氮氣的同時提取氣體。主要的原理是注入的氮氣是抽走的瓦斯的一倍多。同時，在相應的注入和提取過程中，需要進行實時監測，并采樣和測量采空區的氣體組成和溫度。最后推斷出具有相應的泵送條件和判斷泵送時間是否安全可靠。應用這項技術一是首次系統地提出并實施了“氣體替代氣體排放控制有害氣體”，該方案提出了氣體置換的基本原理，系統設備的選擇和設計，氣體置換的工藝流程和控制參數，以及采空區的檢查和效果檢測方案。采空區的氣體濃度C1和抽水時間T必須符合式（1）關系。

式中，C1為抽放1h后的采空區瓦斯濃度；C0為抽放前采空區瓦斯濃度；T為抽放時間，h；Q為采空區瓦斯抽放流量，m3／h；V 為采空區體積，m3［2］。

3.3 選擇合適的抽注位置

在我們進行氣體更換之前必須選擇合理的泵送位置。需要進行全面的觀測研究確定在什么工作面上進行抽放鉆孔。然后，通過采空區的高位鉆孔泵送和排出氣體的方法進行泵送。在采空洞承載采空區最高點的屋頂裂縫區，根據實際采空區布置相應的孔。在進行瓦斯的抽放時，我們必須堅持“低負壓，大流量”，同時必須控制泵送的氣體量不超過注入的氮氣量。

4 強化氮氣置換法治理的監督工作

相應的礦井在進行“采空區有害氣體硝酸鹽替代技術”的研究和整個實施的過程中，它的責任都是層層劃分，可以落實到每一個班組以及個人，確保這項技術在真正實施的時候得到相應的保障。可以通過以下方式通過氮氣置換，有效實施采空區有害氣體技術［3］。

1）可以形成有序的瓦斯抽放預警系統，嚴格控制瓦斯抽放的全過程。每天報告注入采空區的氮氣量，泵送的氣體量以及采空區中氣體的總體變化狀態。最后得到礦長和總工程師的簽字認可。

2）可以建立責任分析的制度，把責任進行嚴格的落實，保證氮氣注入和抽放瓦斯的安全和正常的運行。

3）可以實行瓦斯抽放確認制，這樣一來可以實施細節上的有效控制，相應的班組就會在抽放瓦斯之前對相應的設備以及管路進行全面的檢查和核對，清楚地監測采空區中的氣體和氧氣含量等有害氣體，從而可以更準確地計算注入的氮氣量及其泵送時間。

4）可以進一步改進評估系統，并制定監測和評估氮氣和氣體注入的規定。“采空區有害氣體硝酸鹽替代技術”的有效運用。

5 氮氣置換法治理采空區有害氣體的最終成效

通過采用氮氣置換法控制采空區的有害氣體技術，可以全面觀察采空區的瓦斯發生狀況。采用處理采空區有害氣體的系統設備，以及過程和安全監測技術。通過該技術的應用，可以極大地解決采空區自燃的危險，并且可以消除采空區中的氣體積聚。確保了在煤的相鄰側采礦的安全性。

6 結語

綜上所述，任何事物的提升，都不會是單方面的努力。“采空區有害氣體硝酸鹽替代技術”，針對瓦斯的抽放以及氮氣的靈活注入。有效的對因為煤炭自然而引發的火災進行了治理。同時，該技術為相關煤炭企業積累了寶貴的經驗，減少了煤炭的自燃，從根本上解決了采空區有害氣體對安全生產的威脅，提供了一條比較合理科學的解決途徑。同時，大大提高了煤炭資源的回收率，延長了礦山的使用壽命，為礦山的安全生產奠定了基礎。