干河煤礦2-118C采空區注氮防滅火技術研究與應用

吳 逍

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 洪洞 041600）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電霍寶干河煤礦2-118C工作面井下相對位置+80水平一采區的右翼，走向長度132 m，傾斜長度1 576 m，工作面北側為2-112工作面，南側為2-118B工作面，西側為實體煤，未進行開采，東側為一采區右翼皮帶巷、軌道巷與干河村保安煤柱，工作面主采2號煤層，煤層厚度3.23～4.21 m，平均厚度3.72 m，平均傾角為8°，煤層硬度（f）為1.5，屬于煤層穩定性煤層，煤層頂板巖層為中粒砂巖和K8細粒砂巖，底板巖層為粉砂巖和細粒砂巖，工作面采用一次采全高走向長壁后退式綜合機械化采煤，采高為3.7 m，循環進度為0.8 m。

根據礦井地質資料可知，2-118C工作面絕對瓦斯涌出量1.42 m3/min，相對瓦斯涌出量1.14 m3/t，工作面地溫為15°～20°，無異常變化，屬于地溫正常區，煤層有自燃傾向，Ⅱ級自燃，自然發火期為61 d，由于工作面區域煤層厚度在一定程度上變化，采用綜采工藝時會導致會在采空區內遺留一定的浮煤，現為防止采空區出現遺煤自燃現象，特進行采空區防滅火方案設計。

2 采空區注氮防滅火技術

2.1 氮氣防滅火原理

氮氣作為一種無毒無害的氣體，其具有化學性質穩定、不易燃燒、化學反應穩定等特點，當將氮氣向采空區注入后，能夠對采空區起到惰化作用，能夠實現阻止煤炭氧化自燃、增大采空區氣體壓力、減少工作面漏風等效果；另一方面，當氮氣與采空區內的氣體有效混合后，可有效降低采空區內的氧氣濃度和瓦斯濃度，有利于采空區防滅火作業，具體采用注氮技術進行采空區防滅火作業時，氮氣的作用如下：

1）減小采空區氧化自燃帶的寬度：氮氣進入采空區后會有效降低采空區內的氧氣濃度，改變采空區內氧濃度場的分布，實現對采空區中自燃“三帶”中氧化帶最大寬度的有效減小，這能夠大幅降低采空區內出現自燃現象。

2）減少采空區漏風：向采空區內注入氮氣后，采空區內的氣體壓強由于氮氣的注入而增大，減小采空區內與回采工作面內壓強之間的差值，進而有效減少采空區的漏風現象。

3）降低采空區的溫度：由于氮氣自身的溫度較低其經過破碎煤體后，隨著漏風風流的流動，其會帶走采空區內遺煤氧化反應積蓄的熱量，對采空區遺煤自燃所需的蓄熱條件進行破壞。

4）抑燃、抑爆作用：采空區內注入氮氣后，遺留煤體與氧氣的接觸范圍會不斷減小，采空區內部分氧氣的位置會被氮氣所占據，氮氣與破碎煤體裂隙的接觸會降低遺煤氧氣的反應速率，另外氮氣與采空區內的瓦斯等氣體混合后，可起到有效的抑燃和抑爆作用。

2.2 注氮工藝流程

采空區注氮防滅火技術進行實施時，注氮系統需主要確定的技術參數為:氮氣的來源及注氮方式、注氮量、輸氮管路系統及埋管注氮工藝，具體各項技術參數的確定原則如下：

1）氮氣來源及注氮方式：目前國內外采空區進行注氮作業時，氮氣來源均采用地面制氮系統，制氮裝置多采用膜分離制氮裝置[1-2]，具體膜分離制氮流程見圖1；為有效預防采空區內出現自燃現象，采空區進行注氮作業時，一般選用連續注氮的方式。

圖1 膜分離制氮方流程示意圖

2）注氮量的確定：采空區采用注氮防滅火時，注氮量的確定主要按照采空區氧化帶內氧含量進行確定，采空區內氧化帶的濃度不超過10%，且進風流中的氧氣含量不低于19%時，此時即可停止注氮作業；按照采空區氧化帶內氧含量及惰化指標計算注氮強度的表達式為：

式中：q為采空區注氮強度；C1為采空區氧化帶內的初始氧氣含量；C2為采空區氧化帶內CO2、CH4等惰性氣體含量；C3為采空區氧化帶惰化指標規定的氧含量，可取5%。

另外注氮作業時，在采空區CO含量大于50×10-6或工作面上隅角CO濃度出現超限現象時，此時需提高采空區的注氮強度或停止注氮；當工作面注氮后，工作面上隅角的氧氣濃度出現降低時，此時可降低注氮強度或停止注氮作業。

3）輸氮管路系統。采空區采空注氮技術時，此時注氮管路系統的流程主要為:地面制氮系統→回風立井→中央回風大巷→膠帶輸送機順槽→工作面采空區，采空區注氮及的各項參數需根據現場實際情況確定，在進行注氮作業時，注氮管路需埋入采空區內高于50 m的范圍內，并確保設計的輸氮管路系統能夠正常的進行注氮作業。

4）采空區注氮工藝。在進行采空區注氮作業時，注氮管路需隨著采空區的推進在工作面內預先敷設，將注氮管路的一段埋入采空區內，另一端與注氮支管連接，注氮地點盡量選擇在工作面的進風巷內，注氮釋放口的位置應盡量的設置在采空區氧化帶的位置，且隨著工作面回采作業的進行，注氮管路需同步進行移動[3-4]，以確保注氮管路的終端始終保持在采空區的氧化帶內，一般注氮管路釋放口均等間距布置，具體工作面注氮管路布置方式如圖2所示。

圖2 注氮管路布置方式示意圖

3 注氮方案及效果

3.1 注氮方案設計

3.1.1 注氮參數模擬分析

為合理確定2-118C采空區注氮方案中的合理參數，現采用Fluent數值模擬軟件進行注氮參數的分析，模型中設置工作面長度為200 m，斷面為28.5 m2，工作面進風巷和回風巷長度為15 m，斷面為17.5 m2，采空區長度為300 m，寬度為200 m，高度為20 m，同時模型中設置5個不同位置的注氮口作為氮氣的入口；模型設置進風巷為速度入口，速度為2.59 m/s，回風巷為射流出口，視采空區的固壁為絕熱條件且不會出現漏風現象。

為確定采空區合理的注氮位置，現分別選取X=25、50、75、100、125 m位置進行注氮作業，設置注氮流量為500 m3/h，根據數值模擬結果得出隨著注氮位置變化，采空區內氧化帶的變化曲線如圖3所示。

圖3 注氮位置與氧化帶之間的關系曲線圖

分析圖3可知，隨著注氮位置與工作面之間距離的增大，氧化帶的寬度呈現出先減小后增大的去試試，即隨著注氮位置的變化，采空區內氧化帶的寬度會出現一個最小值，此點出現在注氮位置距離工作面50 m，此時氧化帶的寬度僅為87 m，這即表明在該處進行注氮作業，可實現較好的效果。

在確定注氮口為距離工作面50 m的距離后，為合理確定注氮量的大小，分別設置注氮量為500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 m3/h，根據數值模擬結果得出不同注氮量條件下采空區“三帶”分布規律如圖4所示。

分析圖4可知，在相同注氮位置下，隨著注氮流量的增大，采空區內氧化帶的寬度逐漸降低，但從圖中能夠看出當注氮量增大為2 000 m3/h時，此時采空區內氧化帶的降低較小顯著，當注氮量大于2 000 m3/h后，此時隨著注氮量的增大，采空區氧化帶寬度的變化幅度較小，即表明繼續增大注氮流量并不會取得顯著的效果，故據此確定工作面的合理注氮量為2 000 m3/h。

圖4 不同注氮流量下采空區自燃“三帶”分布規律圖

3.1.2 注氮方案

根據上述采空區注氮防滅火技術和注氮參數數值模擬結果，確定工作面采用注氮采用間隔式注氮施工工藝，在工作面進風巷每間隔40 m鋪設一趟注氮管路，在第一趟注氮管路深入采空區40 m后埋設第二趟注氮管路，，并同時確保第一趟注氮管路持續進行注氮作業，當第二趟注氮管路埋入采空區40 m時，即可停止第一趟注氮管路的注氮作業，開啟第二趟注氮管路進行注氮作業，如此往復循環，直至工作面回采完畢，注氮布置方式如圖5所示。

圖5 工作面注氮管路埋設示意圖

注氮管路采用φ159 mm×6 mm的無縫鋼管進行鋪設，設置注氮口為滯后工作面50 m，注氮流量為2 000 m3/h，注氮的出口壓力為0.65 MPa。

3.2 效果分析

在工作面回采期間，通過對采空區內氣體的持續監測，得出工作面采用注氮防滅火技術后，采空區內的CO濃度基本穩定在0.005 2%，工作面上隅角的CO濃度基本穩定在0.005 4%，且工作面回采期間無采空區自燃現象出現，注氮防滅火效果顯著。

4 結論

根據2-118C工作面的地質條件，通過分析注氮防滅火技術原理和注氮工藝流程，采用數值模擬的方式確定采空區注氮口位置及注氮流量，據此進行采空區注氮方案的具體設計，根據注氮方案實施后工作面回采期間的觀測可知，工作面采空區注氮防滅火效果顯著，保障了采空區的安全。