近距离煤层工作面上覆采空区注液氮防灭火效果研究

孙连胜，陈宝义

（1.国家能源投资集团神东煤炭集团公司 寸草塔煤矿，内蒙古 伊金霍洛 017209；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

矿井内外因火灾是煤矿常见的灾害，不仅严重威胁井下作业人员的生命安全，还影响矿井的正常生产接续计划。采空区是煤层正常开采后留下的破碎、压实的三维多孔介质空间[1]，在三维松散体空间内充填着不同粒径的块状及粉末状遗煤，由于漏风通道长期处于动态通风供氧导致遗煤氧化蓄热后发生自燃。近距离煤层群开采，下覆煤层工作面回采过程中，复杂漏风条件下，上覆采空区遗煤发生缓慢氧化自燃后，其产生的CO等有毒有害气体会在下覆工作面负压通风作用下经采动裂隙下泄至工作面开采空间[2]，严重威胁井下作业人员的生命安全。因此，结合西部地区某矿22303工作面，针对其上覆火区下的安全回采问题，首先应积极对高温火区进行有效治理，为下覆工作面生产消除安全隐患。

1 工作面概况

22303工作面是该煤矿三盘区第3个综采工作面，工作面走向长度3 914 m，倾斜长度300 m，煤层设计采高为2.6 m。工作面距上覆采空区最近约120 m，地表钻探结果表明：22303工作面上覆采空区存在局部高温区域，经测温得知钻孔孔底温度最高在75℃，且高温区域各钻孔孔口呈微弱出气状态，便携仪测得CO浓度最高在150×10-6左右。通过测温取气可知工作面上覆高温区域遗煤目前处于氧化阶段，其工作面和上覆高温火区位置如图1。

图1 22303工作面与上覆火区位置关系图

22303工作面上覆高温区域在原工作面切眼附近沿着倾向布置钻孔10个，钻孔间距25 m。钻孔形成后对地表钻孔进行持续测温取气后发现各钻孔均为高温状态，温度和气体浓度相差不大，温度平均在50～75℃之间，孔口CO浓度在200×10-6左右。实时关注高温区域的发展变化，开采前利用上覆高温区域所有钻孔采取注液氮治理工作，根据煤田火区成因机理，按照煤田灭火规范标准要求，治理后火区的温度应在70℃以下方可进行安全生产[3]。根据初期探测的火区范围及液氮的气化性质对所布置的10个钻孔进行设计。22303工作面上覆火区地表钻孔位置关系图如图2。其平面位置及初期孔口CO浓度变化（1#钻孔）曲线如图3。

图2 22303工作面上覆火区地表钻孔位置关系图

2 上覆高温区域钻孔注液氮治理方案

图3 22301工作面上覆火区1#地表钻孔CO浓度曲线图（2018年）

22303首采工作面由于生产接续需要，且通过钻孔进行常规注浆降温周期长，水土分离后水流易沿固定裂隙流淌[4]，不能起到大范围治理效果。液氮具有低温、易储存、易运输、成本低、汽化热作用明显、降温效果突出、大面积惰化充填空间等优点[5]，经研究后决定对高温区域的10个钻孔进行注液氮快速降温治理。应当指出，当注氮完成并达到回采要求后应在下覆22303工作面正常期间加强地表钻孔的观测，发现温度、气体有反弹迹象及时补注液氮，尤其是下覆工作面顶板初次来压后应对地表钻孔集中补注1次液氮，以惰化上覆采空区及本层采空区，确保工作面正常回采。

2.1 液氮量计算

为了使火区得到有效控制从而不影响22303工作面正常安全回采，预计将上覆高温火区三维多空介质空间内充满氮气进行惰化处理，暂不考虑采空区顶板下沉量和氮气的损失量[6]。经理论计算得知上覆高温区域面积约61 000 m2。常温状态下，已知1 t液态氮转换成气体为800 m3[7]。上覆煤层为综采工作面开采，采高为2 m，液态氮计算方法如下：

式中：T为注液氮总量；S为高温区域面积；H为采高。

经理论计算后T=152.5 t，即得出上覆高温区域总共需要152.5 t。考虑到高温区域有横向发展迹象，在注液氮总量上需有一定富余度，再结合工业注液氮车容量，本次对高温区域共注入约230 t液氮，共计10车。平均每个钻孔注入液态氮量约为23 t。

2.2 注液氮方式

本次注液氮共计10车，约230 t。沿着上覆采空区倾斜方向已打钻孔编号采用单车、单孔、定压（0.8 MPa）、分组、连续直注方式，即 1#、10#，2#、9#，3#、8#，4#、7#，5#、6#共计 5 组。工业用槽车释放装置与钻孔孔口对接完成后将压力表压力设置0.8 MPa位置，第1d注1#、10#钻孔，第 2 d 注 2#、9#，以此类推，分5 d注完。

2.3 钻孔观测

所有设计钻孔分组依次完成注氮后，各钻孔孔口应用法兰密封。每天安排专人对所有注氮孔进行测温导线孔底测温及DN15 mm管孔底取气分析[8]，主要记录所有钻孔在注液氮后温度、CO气体的变化规律，发现高温区域局部出现反弹迹象时应根据情况及时补注适量液氮。

2.4 注氮效果分析

当高温区域1#、10#注完2车液氮后，当天利用测温导线测得1#、10#钻孔孔底温度为-160℃左右，孔口测得CO浓度在400×10-6左右，有明显上升趋势。测得其邻近钻孔孔底温度有所下降，下降幅度在5℃左右，其它钻孔基本不受影响。当5组钻孔全部注完液氮后，应对钻孔孔口进行密封处理，防止氮气扩散溢出影响注氮效果，并连续对钻孔温度和CO浓度进行观测。1#钻孔注完液氮后温度和CO浓度变化规律曲线图如图4。22301工作面上覆火区1#钻孔注液氮后温度变化曲线图如图5。

图4 1#钻孔注液氮后CO浓度变化曲线图（2017—2018年）

图5 22303工作面上覆火区1#钻孔注液氮后温度变化曲线图（2017—2018年）

由图5可知，液氮对高温区域的降温效果十分明显，且钻孔在注完后很长时间内仍处于零下低温状态。CO浓度在注氮后有短暂的上升趋势，几天后便呈下降趋势，分析是液氮气化后置换出高温区域的高浓度CO使其浓度有较明显升高趋势[9]，当液氮大面积气化并充填惰化采空区后CO浓度便被稀释而降低[10]。通过上覆高温区域单孔注液氮现场运用来看，单孔有效治理半径不低于25 m，液氮气化后有效惰化区域不小于625 m2[11]。

3 高温区域钻孔注液氮治理效果

1）通过科学的理论计算，将液氮气化后有效的惰化面积确定后可以合理地确定高温区域注氮孔的设计位置、数量。

2）液氮对于高温区域的治理效果十分理想，不仅能够短时间内迅速降低与其接触的高温煤体表面，还能抑制高温区域在短期内温度反弹现象，使作用区域温度在一段时间内维持较低的水平。

3）单孔注液氮的有效治理半径不仅与高温区域温度状态有关，还和注氮量、注氮压力、采空区压实程度等参数有关。

4）对于高温火区的治理应是一个持续的过程，在加强观测的基础上及时对局部或全部钻孔进行补注液氮以使得高温区域呈长期稳定状态。

4 结论

1）沿工作面倾向设计的治理钻孔数量基本能够满足全面惰化温度异常区域的需要。

2）高温区域钻孔实施注液氮措施后，孔内有害气体CO浓度呈现出先升高后持续下降趋势、温度则呈现断崖式下降至最低水平后逐渐升高趋势。

3）22303首采工作面在实施注氮治理措施后可确保工作面正常安全回采，直至推过上覆温度异常区域。