易燃特厚煤層綜放開(kāi)采采空區(qū)注氮技術(shù)應(yīng)用研究

高永勝

(山西焦煤山煤國(guó)際長(zhǎng)春興煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100)

1 工程概況

山西焦煤山煤國(guó)際長(zhǎng)春興煤業(yè)有限公司(長(zhǎng)春興礦)103綜放工作面開(kāi)采22號(hào)煤層，工作面傾斜長(zhǎng)度148.8 m，可采煤壁長(zhǎng)151.5 m，走向長(zhǎng)度為760 m，可采走向長(zhǎng)度為680 m，停采線位于西膠帶大巷外幫77.5 m處，煤層平均厚度為12.5 m，有三層夾矸，第一層夾矸距離該煤層頂板0.6 m，平均厚0.4 m，第二層夾矸距離該煤層頂板2.2 m，平均厚0.4 m，第三層夾矸距離該煤層底板5.2 m，平均厚0.1 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。工作面煤層呈現(xiàn)單斜構(gòu)造，走向?yàn)?68～152°，傾向?yàn)?8～62°，平均傾角2°，工作面地面標(biāo)高1 238～1 350 m，煤層底板標(biāo)高633～838 m，平均埋深558 m.礦井為低瓦斯礦井。自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類，屬自燃煤層。為保障工作面安全高效生產(chǎn)，對(duì)103工作面采空區(qū)注氮工藝及效果展開(kāi)相關(guān)研究。

2 煤自然發(fā)火的指標(biāo)氣體測(cè)試

為掌握長(zhǎng)春興礦現(xiàn)階段所采22號(hào)煤層自然發(fā)火特性，以便更好的指導(dǎo)綜放工作面的防滅火工作，對(duì)103綜放工作面煤樣進(jìn)行自燃特性實(shí)驗(yàn)[1]，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定數(shù)據(jù)整理得到氣體濃度隨溫度變化曲線如圖1所示。

根據(jù)圖1所示結(jié)果可以看出，當(dāng)煤樣升溫到30 ℃時(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生CO2、CO氣體，溫度達(dá)到90 ℃及以上時(shí)，CO2、CO氣體濃度的增長(zhǎng)速度均明顯加快，說(shuō)明此時(shí)煤樣開(kāi)始迅速的氧化反應(yīng)；煤樣溫度達(dá)到100 ℃、140 ℃、170 ℃時(shí)，分別開(kāi)始產(chǎn)生C2H6、C2H4、C3H8氣體，當(dāng)溫度達(dá)到190 ℃時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)C2H2氣體。綜上可知，可將CO氣體作為采空區(qū)自燃情況監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)性氣體，C2H6、C2H4等烷氫類氣體作為輔助性判定指標(biāo)；當(dāng)監(jiān)測(cè)到CO濃度增長(zhǎng)速度加快，說(shuō)明此時(shí)采空區(qū)溫度以達(dá)到90 ℃以上，需發(fā)出預(yù)警；當(dāng)監(jiān)測(cè)到C2H4、C3H8氣體表明溫度已超過(guò)140 ℃，應(yīng)立即采取灌漿、注氮等強(qiáng)有力的滅火措施。

圖1 各種氣體濃度隨溫度變化曲線

3 注氮方案設(shè)計(jì)

3.1 注氮防滅火工藝方案選擇

1) 注氮方法與注氮制度。開(kāi)放式注氮是在未封閉的情況下進(jìn)行的一種注氮方式[2]。適用于推進(jìn)中的工作面采空區(qū)早期自燃的防滅火工作。封閉式注氮(閉區(qū)注氮)是為控制火情或防治瓦斯爆炸，將發(fā)生火災(zāi)或積聚瓦斯的區(qū)域先封閉后進(jìn)行注氮，防止工作面正常回采期間采空區(qū)自燃應(yīng)采用該種注氮方式。根據(jù)采空區(qū)注氮是否連續(xù)可連續(xù)性、間歇性兩種注氮制度，非連續(xù)性注氮：對(duì)于采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)性不強(qiáng)的礦井，在工作面正常回采期間，可采用間斷非連續(xù)性注氮。實(shí)際工作中根據(jù)對(duì)火情預(yù)測(cè)的實(shí)際情況，和對(duì)自燃危險(xiǎn)的重點(diǎn)地段進(jìn)行注氮，長(zhǎng)春興礦103綜放工作面煤層厚度大，采空區(qū)遺煤較多、煤體自然發(fā)火期短，因此，由此設(shè)計(jì)采用連續(xù)性注氮方式。

2) 注氮工藝方式選擇。埋管工藝形式根據(jù)具體情況而定。當(dāng)不采取灌漿方法，且采空區(qū)無(wú)水時(shí)，優(yōu)先采用直管拖管注氮方法，拖管采用液壓千斤頂支柱完成，保持注氮口距工作面15 m.對(duì)重點(diǎn)防滅火地點(diǎn)，采用埋彎管注氮方法，此時(shí)應(yīng)采用交替埋管方法，距離工作面25 m時(shí)實(shí)施交替管。交替埋管工藝形式：沿著運(yùn)輸巷道下幫緊貼底板安設(shè)站管，站管的長(zhǎng)度為巷道高度，站管上部1 m長(zhǎng)的部分為條形眼，頂部管孔用鐵板焊封，防止煤、矸將站管堵塞，其余部分的焊接必須嚴(yán)密，以防止進(jìn)水，站管周圍利用木垛保護(hù)站管。第一路站管及管路在開(kāi)采時(shí)埋設(shè)，以后工作面每推進(jìn)25 m安設(shè)站管及管路，如此交替進(jìn)行，直至采終。103工作面注氮管路如圖2所示。

圖2 103綜放工作面注氮管路示意

3) 注氮地點(diǎn)與管口的安全最小距離。埋管安全最小距離主要是防止和避免因大氣喘息使氮?dú)饣亓鳌Ｋ^氮?dú)饣亓鞴ぷ髅媸侵敢虼髿鈮毫ψ兓煽諈^(qū)發(fā)生“喘息”導(dǎo)致大量采空區(qū)氣體從進(jìn)風(fēng)側(cè)涌出的現(xiàn)象(一般工作面上游進(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)總是流向采空區(qū)的，當(dāng)外界大氣壓力突然下降時(shí)，采空區(qū)內(nèi)部氣體壓力相對(duì)較高，膨脹涌出進(jìn)入工作面)。采空區(qū)溫度變化主要是受工作面通風(fēng)風(fēng)流溫度的影響，說(shuō)明采空區(qū)內(nèi)的冷卻帶比較寬，計(jì)算冷卻帶寬度取25 m，根據(jù)以上的劃分，結(jié)合本礦采空區(qū)上下幫兩巷不落空隙比較大的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)在采用埋管注氮中，取埋入采空區(qū)的注氮管口距離工作面位置的安全最小距離為15 m.

3.2 注氮防滅火參數(shù)確定

1) 采空區(qū)防火耗氮量的計(jì)算。供氮能力(1個(gè)工作面注氮量)可按公式(1)計(jì)算[3]：

(1)

2) 輸?shù)苈贰⑤數(shù)髁颗c壓力的計(jì)算。礦用輸?shù)苈分睆桨垂?2)計(jì)算[4]：

(2)

式中：QN為最大輸?shù)髁浚琺3/min；D為注氮管路最小直徑，mm；V為管道內(nèi)允許流速，當(dāng)?shù)獨(dú)鈮毫?.3～0.6 MPa時(shí)，V選為20 m/s.考慮到長(zhǎng)春興礦注氮輸送管路最遠(yuǎn)距離較長(zhǎng)，阻力損失較大，實(shí)際選型主干管選擇D159 mm管路，支管選擇D108 mm管路。

3.3 束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

103工作面采空區(qū)布置束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從切眼處開(kāi)始布置，采樣點(diǎn)布置間距120 m，采用埋管法布置，8芯束管埋設(shè)在103回風(fēng)巷道煤柱幫水溝底部，在工作面推進(jìn)至預(yù)先設(shè)定的采樣點(diǎn)時(shí)，引出單芯束管穿入PE管內(nèi)，起到保護(hù)束管的作用，然后將束管抬升2.5 m固定在煤柱幫，采用木垛支撐穩(wěn)定、保護(hù)束管，束管末端安裝采樣器，為保證取樣的精度，每次取樣時(shí)預(yù)先抽排15 min束管內(nèi)氣體，束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置如圖3所示。

圖3 束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(m)

4 注氮防滅火效果監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

4.1 采空區(qū)氧氣、一氧化碳濃度變化規(guī)律

根據(jù)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到連續(xù)注氮條件下103綜放工作面采空區(qū)內(nèi)CO、O2濃度隨著各測(cè)點(diǎn)深入采空區(qū)距離的變化規(guī)律如圖4所示，1號(hào)測(cè)站位于切眼處，深入采空區(qū)70 m之前，工作面回采初期未采取注氮措施，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度始終穩(wěn)定在20%左右，表明此時(shí)采空區(qū)存在較大的自燃隱患，工作面開(kāi)挖68 m后，開(kāi)始向采空區(qū)內(nèi)采取24 h連續(xù)注氮工藝，注氮量約 600 m3/h，持續(xù)注氮5 d后，工作面推進(jìn)了約60 m，采空區(qū)氧氣濃度下降至12%左右。后續(xù)各測(cè)點(diǎn)在連續(xù)注氮條件下，在束管測(cè)點(diǎn)深入采空區(qū)約30 m后，氧氣濃度迅速降低至8%左右，之后隨著測(cè)點(diǎn)深入采空區(qū)，氧氣濃度進(jìn)一步逐漸減小至更低水平。采空區(qū)內(nèi)CO濃度持續(xù)穩(wěn)定在200×10-6以下，CO來(lái)自氧化帶內(nèi)浮煤的緩慢氧化，表明此時(shí)采空區(qū)溫度保持在90 ℃以下。綜上可知，通過(guò)連續(xù)注氮工藝可迅速降低采空區(qū)氧氣濃度，對(duì)采空區(qū)遺煤起到良好的惰化作用，消除了采空區(qū)自然發(fā)火的可能性。

圖4 采空區(qū)O2濃度、CO濃度變化趨勢(shì)圖

4.2 采空區(qū)“三帶”變化及防滅火效果分析

連續(xù)注氮條件下，103綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”寬度基本穩(wěn)定，散熱帶深入采空區(qū)0～25 m，氧化帶深入采空區(qū)25～41 m，窒息帶深入采空區(qū)41 m以上，注氮前后對(duì)于采空區(qū)散熱帶寬度影響較小，對(duì)于氧化帶寬度影響顯著，氧化帶寬度減小了約80 m，窒息帶向工作面方向前移了約100 m.根據(jù)近一年的束管監(jiān)測(cè)結(jié)果，長(zhǎng)春興礦103綜放工作面采空區(qū)連續(xù)注氮起到了惰化采空區(qū)、減小氧化帶寬度、使采空區(qū)盡早實(shí)現(xiàn)窒息帶的效果，保證了綜放工作面的順利推進(jìn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)對(duì)長(zhǎng)春興礦22號(hào)自燃特性實(shí)驗(yàn)研究，基本確定了該煤層自燃特征，建立以CO為指標(biāo)性氣體、以C2H6、C2H4等烷氫為輔助性氣體的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)。

2) 根據(jù)103綜采放頂煤工作面煤層厚、遺煤多、易自燃的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采空區(qū)注氮防滅火工藝技術(shù)及參數(shù)，采用開(kāi)放式連續(xù)注氮方法，注氮管路主干管選擇D159 mm管路，支管選擇D108 mm管路。

3) 連續(xù)注氮條件下，103綜放工作面采空區(qū)氧氣濃度保持在8%以下，氧化帶寬度減小約80 m，起到明顯惰化采空區(qū)的效果，消除了采空區(qū)自然發(fā)火的可能性，為高產(chǎn)高效綜放面開(kāi)采提供可靠的安全保障。