南屯煤礦煤層預裂注阻化劑防滅火研究

馬 旭，張延松，李志勇，孫計全，上官良良

（1.山東科技大學，山東青島266590；2.山東能源集團南屯煤礦，山東鄒城273515；3.山東能源集團興隆莊煤礦，山東鄒城272102）

0 引 言

南屯煤礦位于山東省鄒城市西邊，屬于兗州煤業股份公司。煤層有自燃的傾向，自然發火期為3~6 個月。93下09 工作面概況：在2018 年12 月對該工作面進行了預裂注阻化劑試驗。該工作面位于九采二分區中部，走向長度為382.3 m，斜坡長度為118.8 m，西部和南部與3下煤風氧化帶相鄰，東部是南漸興村莊保護性煤柱，北側是 93下07 工作面，南部 93下09 工作面采空區1 號聯絡巷。工作面的巷道將分別與原來的93上09 下順通道、93上09 上順通道連接。

物理阻化劑一般有很好的吸水性，在注入之后，水分蒸發，會降低煤周邊的溫度，從而應用比較廣泛，常見的物理阻化劑有：NH4HCO3、NH4Cl、碳酰二胺、過硫酸鈉、聚乙酸乙烯酯乳液[1-2]。但其熱解會產生有毒有害氣體，安全性差，不適合預注；Ca（OH）2成本低、材料易得，對高硫煤有較好的阻化效果，但其溶解度太低，且水溶液有較強的堿性，對井下機械設備腐蝕嚴重，不適合預注；抗氧劑A、MgCl2－抗氧劑A 等阻化劑不溶于水或部分不溶于水，無法用于預注；LDHs、DDS 等復合阻化劑阻化率高、阻化效果好，但成本較高或制備工藝復雜，不適宜在井下大量使用；MgCl2、CaCl2、NH4H2PO4等傳統阻化劑，阻化效果較好，且價格便宜、安全性高，適合用于大量預注[3-4]。因此，本文選擇 MgCl2、CaCl2、NH4H2PO4作為預注實驗的阻化劑。

1 南屯煤礦93 下09 工作面預裂注阻化劑試驗

1.1 阻化液制備

考慮到成本問題，現場預注時決定采用濃度為15%的MgCl2阻化液，阻化液的制備工藝見圖1。

首先，按照阻化液配制濃度的要求將適量的阻化劑加入水箱1 和2 中；其次打開供水管，將水箱1 和2 中的阻化劑配置成濃度為15%的阻化液；然后，打開水箱1 出口處的截止閥，先將水箱1 中的阻化液注入煤體中，當水箱1 中的阻化液注完時，再將水箱2中的阻化液注入煤體中，并同時配置水箱1 中的阻化液。如此循環往復，可保障阻化劑溶液能源源不斷的注入煤層中。

圖1 阻化液制備工藝

1.2 注液系統

注液系統參照表1 配備，注液系統布置如圖2 所示。把工作面的鉆孔分成2 個組，用2 部ZL—750 型鉆機打注液孔，1 個水泵負責對第1～12 號注液孔預注阻化液，另外1 臺水泵負責對第13～24 號注液孔預注阻化液。為確保工程進度，2 個水泵可以同時工作互不干涉。

表1 注液系統主要設備的數量及規格

圖2 注液系統示意圖

2 預裂后煤層注阻化劑防滅火效果考察

采用KSS－200 型束管監控系統，根據圖3 所示的方式布置溫度測量點，并對采空區內的氣體成份濃度和溫度進行了測量。表2、3 給出了進風側測點1#和回風側測點4#2 個測點在未預注阻化液情況下的測定結果。表4、5 給出了進風側測點1#和回風側測點4#2 個測點在預注阻化液情況下的測定結果。

圖3 束管鋪設示意圖

表2 未預注阻化液時進風側1#測點指標氣體濃度及溫度

表3 未預注阻化液時回風側4#測點指標氣體濃度及溫度

表4 預注阻化液后進風側1#測點指標氣體濃度及溫度

表5 預注阻化液后回風側4#測點指標氣體濃度及溫度

2.1 預注阻化液前后CO 體積分數變化規律分析

圖 4 示為 1#、4#、1 和 4 4 個測點的 CO 濃度變化曲線，可以看出：

圖4 阻化液前后測點CO 濃度變化曲線

1）不管是預注阻化液前，還是預注阻化液后，采空區回風側測點4#和4#監測到的CO 濃度都遠超過了距離工作面同距離情況下采空區進風側測點1#和11#監測到的CO 濃度，這說明南屯礦93下09 工作面采空區回風側煤的氧化更嚴重，且預注阻化液前后采空區進回風測的CO 濃度均隨距離工作面距離的增加而增大。

2）預注阻化液前，從距離工作面30 m 開始，采空區回風側煤氧化速度突然加快，CO 濃度迅速增加，當距離為80 m 時，CO 的濃度達到了最大值，這可以解釋，在回風側，從距采空區工作面30 m 的距離開始，采空區采開始具有氧化蓄熱的環境，煤的氧化才開始慢慢加速。

3）在預注了阻化液后，在距離工作面采空區同等距離位置，CO 的濃度明顯降低，且在距離工作面30～100 m 范圍內，體積分數明顯降低，但總體變化的趨勢與預注阻化液之前的趨勢一致。預注阻化液前后，CO 濃度較高的區域推后了約70 m 左右。

2.2 預注阻化液前后CO2 體積分數變化規律分析

在煤逐漸氧化的過程中，CO2的濃度會隨著CO的濃度增大而相應的增大。從圖6 點CO2體積分數變化曲線可知：

1）在預注阻化液之前，在回風側0~30 m 的工作面采空區內，CO2的濃度變化不是太明顯，在80 ~120 m 的范圍內，為CO2濃度較高的區域，且在回風側CO2的濃度遠高于進風側的濃度。

2）在預注阻化液之后，在距離工作面同等長度的采空區，CO2的濃度明顯下降，且在0~60 m 的范圍之內，CO2的濃度變化不是太明顯。這是由于煤層預裂注阻化液使煤在開采的時候更容易破碎，對于破碎的煤，距離工作面不相同，其壓實程度也各不相同，則其CO2的濃度也會不一樣。

圖5 阻化液前后測點CO2 濃度變化曲線

比較圖4、圖5 可以得出以下結論：在這個工作面的采空區，CO 濃度較低，而CO2的濃度較高。這是由于在這個階段的采空區浮煤氧化還處于富氧氧化的階段，在此階段氧化中心的溫度還不是很高，在氧化過程中生成的CO2的濃度高于CO 的濃度。

3）預注阻化液前后溫度變化規律分析

圖6 阻化液前后測點溫度變化曲線

測點的溫度變化曲線如圖6 所示，得出結論：

1）在注阻化液前后，溫度上較高的區域基本上在回風的一側，在預注阻化液之前，在距離工作面70 m位置處稍微的采空區回風側，溫度達高35℃；當預注阻化液之后，距離工作面110 m 處的采空區回風測，其溫度才僅僅為35℃，所以，預注阻化液對抑制采空區浮煤氧化自燃現象的效果很顯著。

2）在0～40 m 內的工作面采空區內，進回風測的溫度都會低于27℃，這是由于預注阻化液，其中水分蒸發造成的結果。水汽化會吸熱，從而將煤氧化產生的一部分熱量及時地傳導出去，此區域的溫度就會明顯降低一些。

3 結束語

通過對南屯煤礦93下09 工作面預裂注阻化劑的測定和計算，按照正常采煤進度4m/d，預注阻化液后，CO 較高體積分數區域向采空區深部至少推后了70m，這使得煤的氧化進程至少推后了15 d，因此在某種程度上降低了工作面采空區自然發火的危險性。