潞寧煤業22109工作面采空區CO氣體超限治理技術應用

張冬冬

（山西潞安集團潞寧煤業公司，山西 忻州 036000）

1 工程概況

潞寧煤業22109工作面位于礦井2#煤層皮帶下山、軌道下山和總回風下山巷東北側，該工作面上部為22107工作面采空區，下部為22111工作面采空區，工作面走向長度為1288.5m，傾斜長度為181m，所采煤層為2#煤層，煤層均厚為4.4m，平均傾角為13°，煤層賦存穩定，結構簡單，局部含有一層炭質泥巖夾層，煤層上方偽頂為炭質泥巖，均厚0.3m，直接頂為砂質泥巖，均厚3m，基本頂為砂巖，均厚為7m，基本底為中粒砂巖，均厚17m，工作面采用一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板，工作面在14年已回采完畢，隨后即對工作面進行了封閉。

CO是煤升溫氧化的產物，因此可通過CO的濃度來判斷煤層氧化情況，CO也被多國選為煤自燃的指標氣體。在22109綜采工作面采空區封閉后，通過在密閉墻上打設鉆孔布置束管對采空區內的各項氣體濃度進行監測，通過束管反映出來的氣體含量來有效的分析采空區內各組分氣體濃度的變化規律，在2015年6份到2016年4月份采空區采集到的CO和O2的含量如圖1所示。

圖1 采空區CO及O2濃度隨時間的變化曲線

通過具體分析圖1可知，在2015年6份到2016年4月份對22109工作面采空區氣體含量的監測期間，根據圖1（a）、(b)可知監測數據中CO濃度最大含量為7100ppm，濃度基本在2000ppm～5000ppm之間聚集，基于此可知采空區的CO濃度一直在超限的范圍內進行波動；通過分析圖 1（c）、1（d）可知，在 2015年6份到2016年4月份采空區氣體監測期間，采空區內氧氣的含量在2015年6月到10月之間氧氣含量基本全部處于10%以上，基于氣體爆炸三角形和火三角形理論能夠得出CO和O2在該種濃度下可能致使出現煤體氧化自燃，進而致使出現火災爆炸現象，故急需采取有效措施降低采空區CO的含量，防止采空區出現自燃現象。

2 采空區注氮技術

通過對采空區注氮作業為解決采空區CO超限、防止采空區自燃問題的有效途徑，注氮作業的本質為將一定量的氮氣注入到火區或者采空區的氧化帶內，由于氮氣的充入能夠將采空區氧氣含量在一定時間內降低10%以下，另外通過注入大量的氮氣，能夠降低采空區內CO所占的百分比，有效解決采空區CO含量超限的問題，進而有效防止采空區由于CO超限出現的自燃現象，注氮作業同時能夠防止采空區出現瓦斯爆炸現象，具體采空區注氮的主要作用機理如下：

1）消除瓦斯爆炸的危險。在采空區出現火災時容易進一步導致采空區內的氣體出現爆炸，根據相關學者的研究表明，當氧氣的含量小于10%時，混合氣體出現爆炸的可能性會大大降低，在氧氣的含量小于5%時，此時氣體便不再會出現爆炸現象，依據該理論在對采空區進行注氮后將氧氣的含量降低至10%以下，將采空區內CO的含量降低至24ppm以下，防止采空區出現瓦斯爆炸爆現象[1-2]。

2）減少漏風的作用。礦井出現煤自燃的情況主要的主要原因中便包括漏風現象的存在，根據相關理論知當進行注氮作業后，采空區內CO等不良氣體含量會減小，采空區內氣體的總體積會增大，進而使得采空區內的氣壓升高，這便能夠在一定程度上減小采空區外和采空區內的壓力差值，從而改善采空區的漏風情況，防止采空區出現CO含量超限導致的煤的自燃現象。

3）起到降溫作用。在礦井采空區出現煤體的自燃或者其他的火災時，此時密閉采空區內的溫度會大于采空區外的溫度，在使用注氮作業進行滅火后能夠有效的對采空區形成降溫作用。

4）阻止煤出現自燃。煤的自燃傾向性、熱量積聚和連續供氧為煤自燃的三要素，當對采空區的氧化帶進行注氮作業后能夠較為有效的降低該區域內氧氣的含量，破壞煤自燃要素中連續供氧的條件，進而有效的阻力煤的自燃[3-5]。

3 采空區CO超限治理方案

3.1 采空區注氮方案設計

1）注氮設備的選型和注氮量的確定。根據目前國內外現有的注氮設備，選擇制氮設備為DT1000移動變壓吸附制氮裝置，并結合220109工作面采空區的具體情況確定采空區的注氮量為1000m3/h。

2）注氮管路及管徑參數。本次注氮作業使用的埋入采空區內注氮管路采用的為3寸鋼管，輸送氮氣的管路為4寸鋼管，注氮鋼管長25m，并且鋼管的尾部5m的范圍內布置孔徑為10mm的花眼用以提高注氮的效果。

3）注氮管路的布置。注氮管路從注氮設備中引出，沿著22109工作面材料巷進行布置，在距離底板1.0m的位置處布置主管路，在22109工作面停采線向采空區方向6m的位置處開始布置注氮管路，注氮管間的間距為6m，通過在22109工作面材料巷穿過保安煤柱向著采空區方向打設鉆孔，鉆孔在材料巷煤柱幫距離底板1m的高度處打設，鉆孔的垂深為15m，傾角為3°，在鉆孔打設完畢后使用封孔器進行封孔作業，在鉆孔進行有效封孔后，使用三通閥門將其與主管路相連接，具體注氮管路和注氮鉆孔的布置方式如圖2所示。

4）注氮作業的停止條件。當CO的濃度達到24ppm時進行注氮作業，但實際中由于采空區氣體流入束管內已經被稀釋，使得CO的濃度會相應降低，因此當采空區內CO的濃度一般均會大于束管內測得的CO濃度，故取安全系數為2通過測試CO濃度，當CO濃度大于48ppm時便可開始注氮作業。為實時充分了解采空區內各組分氣體的含量以便更好的進行注氮作業，通過設計密閉墻打鉆孔布置束管，再將各束管通過分路箱順至各個監測點，以此對采空區內各組分的氣體濃度進行監測，保證注氮效果。

圖2 注氮管路及鉆孔布置位置示意圖

根據上述注氮設計方案進行采空區注氮作業，根據《煤礦安全規程》規定CO的濃度降低至24ppm時，即表明CO濃度處于安全范圍，注氮作業能夠停止，基于此得出注氮作業的停止時采空區氣體成分含量如下：CO的濃度下降并穩定至24ppm，采空區內O2的濃度下降至10%以下。

3.2 注氮效果分析

為對22109工作面采空區的注氮效果進行有效分析，在注氮作業期間對采空區內各項氣體的含量進行分析，具體注氮作業期間密閉采空區的CO含量如圖3所示。

圖3 密閉采空區注氮后CO和O2的含量

通過分析圖3可知，在2016年5月開始密閉對采空區進行注氮作業，采空區注氮后CO的濃度迅速降低至《煤礦安全規程》規定的24ppm以下，雖然CO的含量存在著波動，但僅僅在一定的范圍內出現波動，但及時的進行注氮處理后，CO的濃度便又會迅速下降至24ppm以下，在2016年11月份由于一些原因致使未能進行注氮作業，從而導致了CO的濃度達到850ppm，超過了規定值，在12月份將及時對密閉采空區進行注氮作業后CO的濃度便又降低至20ppm的范圍內，有效的控制了密閉采空區內CO的含量；注氮作業后采空區氧氣的濃度基本穩定在1%～8%的范圍內；另外根據注氮期間各項氣體監測可知N2濃度在注氮期間能夠迅速上升到95.6%，由于氮氣為惰性氣體，其含量上升必然會導致采空區內的一氧化碳和氧氣的濃度下降，基于此可知注氮作業降低了密閉采空區內CO和O2的含量。

4 結 論

針對回采完畢密閉的22109工作面采空區內氣體的含量的監測知采空區瓦斯一直處于超限狀態，為防止采空區氧化帶發生自燃，通過有效分析采空區注氮作業的理論，確定對22109工作面采空區采取注氮作業，根據注氮作業后采空區氣體的監測數據可知，注氮方案實施后N2的含量基本穩定在95%左右，采空區內的CO的濃度降低至20ppm以下，基于此可知采空區注氮作業有效的解決了密閉采空區CO超限的問題，為礦井的安全生產提供了保障。