深井自燃煤層注復(fù)合惰氣防滅火技術(shù)研究

鄒宗旺 牛俊國(guó) 唐 禮

（1.山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272055；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590）

煤炭是我國(guó)最主要的能源，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展起著重要的作用。然而受采空區(qū)遺煤自燃影響，我國(guó)每年由煤炭自燃而損失的煤炭多達(dá)2億t，給礦井造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著礦井開(kāi)采深度的增加，采空區(qū)遺煤自然發(fā)火形勢(shì)將更加嚴(yán)峻。尤其當(dāng)?shù)V井在停采、遇斷層期間，其采空區(qū)遺煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性將進(jìn)一步加劇。

目前，注CO2防滅火技術(shù)是深井自燃礦井用于井下煤自然發(fā)火防治工作中最有效的手段之一， 然而CO2由于制備成本較高，在停采或過(guò)斷層期間大面積長(zhǎng)時(shí)間注入時(shí)其成本昂貴，經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較差。因此根據(jù)現(xiàn)有注惰性氣體的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了將CO2及N2等按比例混合制成復(fù)合惰化氣體，采用復(fù)合惰化氣體用于深井自燃防滅火工作中的新思路。

1 礦井概況

唐口煤礦位于濟(jì)寧市西部，行政區(qū)劃屬濟(jì)寧市任城區(qū)南張鎮(zhèn)管轄。井田南北長(zhǎng)11.4～12.6km，東西寬2.1～7.4km，面積72.2189km2，開(kāi)采深度標(biāo)高-650m～ -1300m。5306工作面是530采區(qū)的第6個(gè)回采工作面，工作面標(biāo)高-930.3～ -879.4m，煤層厚度3.0～9.9m，平均厚度5.5m，煤層傾角在0～12°之間，平均5°，原巖溫度在30℃。工作面寬248m，可采長(zhǎng)度為1800m。經(jīng)鑒定：5306煤層屬于Ⅱ類(lèi)自燃煤層，最短自然發(fā)火期為69d。

2 停采撤面期間自燃危險(xiǎn)因素分析

唐口煤礦5306工作面屬于深井易自燃煤層，其采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃影響因素主要分為以下四個(gè)方面。

2.1 煤質(zhì)自身易發(fā)火

經(jīng)鑒定5306煤層屬于Ⅱ類(lèi)自燃煤層，其最短自然發(fā)火期為69d。且煤層成分以亮煤為主，煤體自身易破碎，破碎后與氧接觸范圍更為充分，蓄熱條件更好，氧化蓄熱條件更為充分。

2.2 深井開(kāi)采地應(yīng)力、地溫高

5306煤層埋深近千米，深井開(kāi)采過(guò)程煤層所受地應(yīng)力較大，在地應(yīng)力作用下，靠近工作面煤壁極易在應(yīng)力作用下產(chǎn)生壓酥變形，從而產(chǎn)生一定的漏風(fēng)通道，加劇采空區(qū)內(nèi)氧氣供應(yīng)。且隨著埋深的增加，采空區(qū)內(nèi)原始溫度逐漸增加。經(jīng)測(cè)定5306工作面采空區(qū)后方原始溫度將近40°，工作面溫度較高使得采空區(qū)遺煤氧化蓄熱條件更加充分。

2.3 斷層緊臨停采線

5306工作面在靠近停采線時(shí)遇到斷層，斷層與停采線位置如圖1所示。斷層處遺煤較多，在停采前采空區(qū)后方具有較好的遺煤自燃基礎(chǔ)。同時(shí)工作面在靠近斷層處推采緩慢，工作面推采緩慢直接導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)部處于長(zhǎng)時(shí)間的氧化蓄熱時(shí)間，且5306工作面斷層推進(jìn)結(jié)束后，直接進(jìn)入停采撤面期間，從而使得原氧化蓄熱煤體自燃蓄熱態(tài)勢(shì)得以延續(xù)，氧化帶內(nèi)部煤體仍得到長(zhǎng)時(shí)間充分供氧。

圖1 斷層與停采線位置圖

2.4 停采撤面時(shí)間長(zhǎng) 、氧化帶范圍大

受深井開(kāi)采的影響，5306工作面支架移架過(guò)程中工作面頂板開(kāi)采更為破碎，支架移動(dòng)緩慢。加之5306工作面寬度較大（248m），因此在移架過(guò)程中所需時(shí)間較普通煤層更長(zhǎng)。而停采撤面時(shí)間過(guò)長(zhǎng)及斷層緊鄰?fù)２删€將直接導(dǎo)致采空區(qū)后方遺煤長(zhǎng)時(shí)間處于充分的氧化蓄熱狀態(tài)，致使采空區(qū)遺煤自燃的發(fā)生。受工作面寬度大、深井高溫工作面供風(fēng)量較大的影響，其采空區(qū)內(nèi)部氧化帶范圍較其他煤層而言更大，進(jìn)一步加大了采空區(qū)遺煤自燃防治難度。

通過(guò)分析可知， 5306工作面在停采撤面期間極易發(fā)生大面積長(zhǎng)時(shí)間遺煤自然發(fā)火災(zāi)害。由于其發(fā)火時(shí)間長(zhǎng)、發(fā)火面積大，因此原有注CO2防滅火技術(shù)的劣勢(shì)將更為突出，因此在停采期間采用注復(fù)合惰化氣體防滅火技術(shù)用于井下煤自燃的防治工作。

3 采空區(qū)遺煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)警體系

為準(zhǔn)確掌握采空區(qū)內(nèi)部遺煤自然發(fā)火情況，采用束管分析取樣、安全監(jiān)測(cè)、人工監(jiān)測(cè)、束管安全監(jiān)測(cè)等方式對(duì)采空區(qū)遺煤自然發(fā)火情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析。通過(guò)結(jié)合工作面人工收集的數(shù)據(jù)及通過(guò)氣象色譜儀對(duì)采空區(qū)收集而來(lái)的氣樣進(jìn)行的分析結(jié)果，明晰了5306工作面采空區(qū)遺煤自然發(fā)火情況，進(jìn)而建立采空區(qū)遺煤自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)警體系，實(shí)時(shí)掌握并分析5306工作面采空區(qū)遺煤自然發(fā)火情況，為工作面防滅火措施的實(shí)施及控火效果提供相應(yīng)的判斷依據(jù)。

（1）人工觀測(cè)

檢測(cè)地點(diǎn)：回風(fēng)隅角、工作面風(fēng)流。

（2）安全監(jiān)測(cè)

檢測(cè)地點(diǎn)：工作面回風(fēng)流。

檢測(cè)參數(shù)：CO、CH4、T（溫度）。

（3）人工取樣分析

采樣地點(diǎn)：回風(fēng)隅角（支架后部）、風(fēng)流瓦斯檢查點(diǎn)處和需要檢測(cè)的其他地點(diǎn)。

（4）束管循環(huán)監(jiān)測(cè)

每日上午安排專(zhuān)用氣體分析工利用礦井專(zhuān)用氣相色譜儀對(duì)采空區(qū)內(nèi)埋設(shè)的束管井下抽集采樣，并形成報(bào)表。

4 采空區(qū)注復(fù)合惰氣防滅火技術(shù)

為兼顧深井自燃煤層防火的高效及經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合礦井現(xiàn)有注惰防滅火技術(shù)及設(shè)備，提出了注復(fù)合惰化氣體防滅火技術(shù)。

（1）復(fù)合惰化氣體制備過(guò)程

復(fù)合惰化氣體所需N2由井下制氮機(jī)分離空氣而得，井下所需氣態(tài)CO2由二氧化碳槽車(chē)內(nèi)提供的液態(tài)CO2經(jīng)過(guò)工作站氣化而得。通過(guò)控制制氮機(jī)及二氧化碳工作站內(nèi)相應(yīng)閥門(mén)，從而保持N2與CO2流量一致。同時(shí)由于CO2及N2是兩種理化性質(zhì)完全不同的氣體，故還需要使用專(zhuān)用氣體混合器將兩種氣體混合均勻。CO2及N2通過(guò)氣體混合設(shè)備后，復(fù)合惰化氣體制備完成。

（2）復(fù)合惰化氣體壓注管路

復(fù)合惰化氣體混合器位于5306一路聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)，CO2及N2分別由下列線路到達(dá)氣體混合器內(nèi)。

N2：南軌南四路聯(lián)絡(luò)巷制氮機(jī)→南軌南四路回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷→南部回風(fēng)大巷→5306一路聯(lián)絡(luò)巷→復(fù)合惰化氣體混合設(shè)備。

CO2：運(yùn)輸線路為CO2防滅火工作站→鉆孔（Φ219mm）→回風(fēng)石門(mén)（Φ159mm）→回風(fēng)石門(mén)（1）（Φ159mm）→南部回風(fēng)大巷→5305回風(fēng)鉆孔（Φ108mm）→5306一路聯(lián)絡(luò)巷→復(fù)合惰化氣體混合設(shè)備。

上述兩種氣體在混合器內(nèi)經(jīng)過(guò)充分混合均勻后制成復(fù)合惰化氣體，復(fù)合惰化氣經(jīng)由下列線路運(yùn)輸至采空區(qū)：復(fù)合惰化氣體混合設(shè)備→5306一路聯(lián)絡(luò)巷→5306皮帶順槽→5306皮順進(jìn)風(fēng)隅角防火墻以里→5306采空區(qū)。

惰化氣體運(yùn)輸線路如圖2所示。

圖2 惰性氣體運(yùn)輸線路圖

5 復(fù)合惰化氣體防滅火效果及經(jīng)濟(jì)性分析

工作面于2月17日進(jìn)入停采撤面階段，停采撤面后工作面CO濃度迅速?gòu)?月17日的2ppm上升至2月24日的15ppm。為了有效對(duì)采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃進(jìn)行控制，在2月25日采取了注復(fù)合惰化氣體防滅火措施。自2月25日至3月4日，共計(jì)向采空區(qū)內(nèi)部注入10.1萬(wàn)m3復(fù)合惰化氣體，平均日注惰量達(dá)到1.25萬(wàn)m3左右。注入復(fù)合惰化氣體8d后，工作面CO濃度迅速自15ppm下降至0ppm，證明復(fù)合惰化氣體有效地抑制了采空區(qū)遺煤自燃，達(dá)到了與注CO2防滅火技術(shù)相同的效果。

復(fù)合惰化氣體的價(jià)格為2.24元/m3，CO2的價(jià)格為3.94元/m3，其成本僅為注CO2防滅火技術(shù)的56%左右。說(shuō)明復(fù)合惰化氣體在有效防治深井采空區(qū)遺煤自燃的同時(shí)，其經(jīng)濟(jì)及實(shí)用性亦更高。

6 結(jié)論

（1）分析了唐口煤礦5306工作面深井自燃煤層停采撤面期間遺煤自然發(fā)火的特性，并提出了注復(fù)合惰化氣體防滅火措施。

（2）復(fù)合惰化氣體防滅火技術(shù)能夠有效地抑制采空區(qū)內(nèi)部遺煤自燃。在采用該技術(shù)8d后，工作面CO濃度由15ppm下降至0ppm，且其成本僅為注CO2防滅火技術(shù)的56%左右。說(shuō)明復(fù)合惰化氣體具有更高的經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性。