注氮防火惰化技術(shù)在煤層發(fā)火防治領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐

郭 可 徐志強(qiáng) 楊文崗

（陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 718000）

1 煤層賦存條件概況

30110 綜采工作面位于杭來灣井田東北部，所屬煤層為3 號煤層，所屬盤區(qū)為一盤區(qū)，工作面長度299.1 m，煤層厚度7.9～9.0 m，平均厚度8.5 m。30110 綜采工作面采用長壁一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板，“U”型通風(fēng)系統(tǒng)。煤層底板標(biāo)高（從切眼到主輔回撤通道）1049～1016 m（從切眼到回撤通道），全工作面呈傾角0.4°～0.9°俯采推進(jìn)，埋深200～223 m，平均埋深217 m，上覆基巖厚度139～185 m，平均厚度162 m，松散層厚度22～63 m，平均厚度42 m。3 號煤層瓦斯絕對涌出量為0.37 m3/min，自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)報告表明3#煤層自然發(fā)火期為41 d，煤的自燃特征為易自燃。

2 礦井火災(zāi)風(fēng)險評價

根據(jù)杭來灣煤礦3 號煤層自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)報告獲知該煤層最短發(fā)火期為41 d，煤礦開采期間煤層自燃災(zāi)害是礦井重點(diǎn)預(yù)防災(zāi)害。3 號煤層回采過程自燃風(fēng)險主要包括四個方面：（1）3 號煤層自燃傾向性為Ⅰ類，易自燃；（2）3 號煤層煤巷易發(fā)生片幫、裂隙、破裂坍塌導(dǎo)致漏風(fēng)加速自燃；（3）在采煤過程中護(hù)巷煤柱附近留有遺煤，并且采煤工作面上下兩巷冒落不實(shí)，容易形成漏風(fēng)通道導(dǎo)致漏風(fēng)，采空區(qū)遺煤暴露在空氣中易發(fā)生自燃；（4）采煤工作面密閉周邊可能存在裂隙，形成漏風(fēng)通道，風(fēng)流由裂隙進(jìn)入閉墻內(nèi)，導(dǎo)致采空區(qū)遺煤氧化引發(fā)浮煤自燃。

3 注氮防火技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性分析

3.1 注氮防火技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

注氮防火具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）密度和空氣相當(dāng)，有效置換冒落區(qū)、裂隙區(qū)及遺煤區(qū)的空氣，實(shí)現(xiàn)空區(qū)充滿氮?dú)猓唬?）制備工藝簡單、成本低，注氮工藝簡單、成熟；（3）具有降溫冷卻的作用，降低浮煤、遺煤溫度，有效阻止煤炭的氧化反應(yīng)；（4）空區(qū)注入氮?dú)猓行♂屚咚购浚档头蹓m濃度，起到抑爆效果。

氮?dú)夥阑鸬闹饕秉c(diǎn)：（1）礦井負(fù)壓通風(fēng)作用下，注入氮?dú)庖讛U(kuò)散，持久性較差，需要與相應(yīng)的堵漏風(fēng)措施配合使用；（2）應(yīng)用注氮防火技術(shù)初期投資較大；（3）氮?dú)鈹U(kuò)散導(dǎo)致工作面生產(chǎn)期間氧濃度降低，存在導(dǎo)致人員缺氧窒息的風(fēng)險。

3.2 注氮防火技術(shù)的適用性分析

杭來灣煤礦3 號煤層屬Ⅰ類易自燃煤層，采用長壁一次采全高采煤法、U 型通風(fēng)系統(tǒng)，具有自然發(fā)火危險性高、采空區(qū)漏風(fēng)量大的特點(diǎn)。注氮防火技術(shù)充分利用氮?dú)鈹U(kuò)散范圍大的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)對冒落區(qū)、裂隙區(qū)及遺煤區(qū)的全面惰化；氮?dú)鉂舛壬叩耐瑫r降低采空區(qū)氧氣濃度，有效抑制遺煤自燃；結(jié)合空區(qū)堵漏風(fēng)措施，注氮后的采空區(qū)處于正壓狀態(tài)，有效避免空區(qū)漏風(fēng)問題，降低瓦斯的濃度，起到抑爆的效果。根據(jù)氮?dú)夥罍缁鸬奶攸c(diǎn)和礦井目前生產(chǎn)現(xiàn)狀，設(shè)計應(yīng)用注氮防火技術(shù)是安全可行適用的。

4 注氮防火系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

注氮防火系統(tǒng)的設(shè)計[1-6]重點(diǎn)包括以下三個方面：氮?dú)獾闹迫?shù)的確定、注氮防火技術(shù)施工工藝、注氮區(qū)域泄漏的防治措施。

4.1 氮?dú)庵迫?shù)的確定

（1）制取方法

氮?dú)獾闹迫》椒ㄖ饕ㄉ罾淇辗址ā⒆儔何椒ê湍し蛛x法三種。制氮方法的工作原理、主要設(shè)備、產(chǎn)氣成本、安全性及經(jīng)濟(jì)性對比見表1。通過比較分析，應(yīng)用變壓吸附空分法制備井下注氮?dú)庠础?/p>

表1 制氮方法參數(shù)對比表

（2）供氮量計算

空區(qū)注氮流量根據(jù)工作面的漏風(fēng)量、氧濃度、惰化指標(biāo)、氮?dú)鉂舛鹊葏?shù)進(jìn)行確定，公式如下：

式中：QN為空區(qū)單位時間注氮量，m3/h；Q0為空區(qū)氧化帶漏風(fēng)量，30110 綜采工作面密閉上下隅角后的漏風(fēng)量較小，可取配風(fēng)量的10%，根據(jù)礦井2021 年8 月30 日通風(fēng)旬報表該工作面配風(fēng)量為1897 m3/min，則漏風(fēng)量Q0取值18.97 m3/min；C1為空區(qū)氧化帶氧含量，取10%；C2為空區(qū)惰化指標(biāo)參數(shù)，取值范圍為7%～10%，依據(jù)《陜西有色榆林煤業(yè)有限公司杭來灣煤礦煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體指標(biāo)測定報告》結(jié)論C2取值7%；CN為注氮純度，按照氮?dú)庵迫》椒ǎ?7%；k為注氮備用系數(shù)，取k=1.2。

代入數(shù)據(jù)算得，空區(qū)注氮流量QN=1 024.4 m3/h。

（3）注氮設(shè)備選型

目前杭來灣煤礦一盤區(qū)只布置了30110 綜采工作面，考慮到后期隨著產(chǎn)量的提升可能會布置兩個工作面，本次注氮設(shè)備選型需考慮備用量。鑒于此，在綜合考慮了空區(qū)注氮流量QN=1 024.4 m3/h 的基礎(chǔ)上，選擇礦用碳分子篩制氮設(shè)備3 臺（兩用一備），型號為DT-1000/8 型，單臺制氮能力為1000 m3/h，能夠滿足空區(qū)注氮量（1 024.4 m3/h）要求。該設(shè)備由空氣凈化裝置、制氮裝置、降壓緩沖裝置三部分組成，具有設(shè)備組成簡單、維護(hù)保養(yǎng)方便、使用成本較低的特點(diǎn)，其主要性能指標(biāo)見表2。

表2 碳分子篩制氮主要性能指標(biāo)表

4.2 注氮防火技術(shù)施工工藝

4.2.1 注氮的先決條件

注氮的先決條件主要包括以下內(nèi)容：

（1）綜采工作面平均月推進(jìn)速度≤臨界推進(jìn)速度，即當(dāng)推進(jìn)速度≤9.27 m/d 時，則綜采工作面正常生產(chǎn)期間需要向采空區(qū)注氮；

（2）綜采工作面切眼初采期、末采期，其推進(jìn)速度受限；

（3）受到地質(zhì)構(gòu)造、煤壁片幫影響，需要大規(guī)模支護(hù)，暫停采煤；

（4）采空區(qū)遺煤大量聚集，或者局部遺煤厚度超過0.5 m；

（5）采空區(qū)檢測到CO 集聚現(xiàn)象且濃度連續(xù)上升，上隅角CO 濃度接近限值2.4×10-5；

（6）工作面上隅角或采空區(qū)檢測到C2H4有害氣體。

4.2.2 注氮防滅火工藝和方法[6-8]

（1）注氮方法

3 號煤層自然發(fā)火風(fēng)險地點(diǎn)主要包括采空區(qū)，礦井防火注氮根據(jù)注氮周期分為連續(xù)式和間歇式兩種方式，根據(jù)封閉情況分為開放式和封閉式兩種方式。采煤工作面正常生產(chǎn)期間一般采取開放式間歇注氮方式，不需要封閉工作面直接實(shí)施大量注氮，每班注氮時間不低于4 h，通過注氮實(shí)現(xiàn)降低工作面周邊的氧含量，達(dá)到防滅火的目的。在工作面開采初期、停采撤架期間、工作面推進(jìn)緩慢、采空區(qū)封閉后或者采煤工作面生產(chǎn)出現(xiàn)異常情況，則改用封閉式連續(xù)注氮方式，每天注氮24 h，直至排除發(fā)火風(fēng)險。

（2）注氮防滅火工藝

3 號煤層的自燃風(fēng)險較高，通過分析煤層的工作面參數(shù)、采空區(qū)煤自燃“三帶”分布情況以及結(jié)合氮?dú)獾臄U(kuò)散性能指標(biāo)，設(shè)計采用垮步式埋管注氮工藝。在工作面輔運(yùn)順槽巷道敷設(shè)注氮主管路，每間隔60 m 開設(shè)1 個氮?dú)忉尫趴冢瑢?shí)現(xiàn)間隔60 m 跨步式注氮。釋放口之間安裝連桿傳動閥門，通過遠(yuǎn)程拉動連桿實(shí)現(xiàn)閥門的啟閉，用來控制注氮釋放口的啟用與關(guān)閉。第1 個釋放口注氮完成后，操作連桿實(shí)現(xiàn)關(guān)閉第1 個釋放口與第2 個注氮口之間的管道閥門，同時打開第2 個注氮口進(jìn)行注氮，按照該規(guī)律實(shí)施其他釋放口啟閉完成采空區(qū)的全面注氮。鋪設(shè)管路需注意：氮?dú)忉尫趴陧毼挥诘装逯锨揖嚯x＞50 cm，并固定牢；連桿傳動閥門位置和釋放口位置需做好保護(hù)工作，防止被砸或堵塞。

4.3 注氮實(shí)施注意事項(xiàng)

（1）工作面上下端頭堵漏。注氮前必須在回采工作面采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)隅角處采取減少采空區(qū)漏風(fēng)的措施，根據(jù)工作面推進(jìn)進(jìn)度變化和注氮情況采取相應(yīng)的堵漏措施。

（2）控制工作面風(fēng)量。注氮期間適當(dāng)減小工作面的配風(fēng)量，以減少采空區(qū)氮?dú)獾呐懦觥?/p>

（3）地表堵漏。加強(qiáng)地面踏勘工作，對開采過程中地面出現(xiàn)塌陷或裂隙，及時用封堵材料進(jìn)行堵漏，避免地表向采空區(qū)灌入新鮮空氣。

5 結(jié)論

杭來灣煤礦3 號煤層通過應(yīng)用注氮防滅火技術(shù)取得了顯著的防滅火效果。經(jīng)過氣體檢測結(jié)果表明，注氮區(qū)域氧氣濃度為3%左右，有效抑制了浮煤和遺煤自燃風(fēng)險，注氮技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對冒落區(qū)、裂隙區(qū)及遺煤區(qū)的全面惰化，同時起到了避免空區(qū)漏風(fēng)、減少瓦斯積聚的效果，達(dá)到了防滅火的目的。