潞宁煤业22109工作面采空区CO气体超限治理技术应用

张冬冬

（山西潞安集团潞宁煤业公司，山西 忻州 036000）

1 工程概况

潞宁煤业22109工作面位于矿井2#煤层皮带下山、轨道下山和总回风下山巷东北侧，该工作面上部为22107工作面采空区，下部为22111工作面采空区，工作面走向长度为1288.5m，倾斜长度为181m，所采煤层为2#煤层，煤层均厚为4.4m，平均倾角为13°，煤层赋存稳定，结构简单，局部含有一层炭质泥岩夹层，煤层上方伪顶为炭质泥岩，均厚0.3m，直接顶为砂质泥岩，均厚3m，基本顶为砂岩，均厚为7m，基本底为中粒砂岩，均厚17m，工作面采用一次采全高采煤工艺，全部垮落法管理顶板，工作面在14年已回采完毕，随后即对工作面进行了封闭。

CO是煤升温氧化的产物，因此可通过CO的浓度来判断煤层氧化情况，CO也被多国选为煤自燃的指标气体。在22109综采工作面采空区封闭后，通过在密闭墙上打设钻孔布置束管对采空区内的各项气体浓度进行监测，通过束管反映出来的气体含量来有效的分析采空区内各组分气体浓度的变化规律，在2015年6份到2016年4月份采空区采集到的CO和O2的含量如图1所示。

图1 采空区CO及O2浓度随时间的变化曲线

通过具体分析图1可知，在2015年6份到2016年4月份对22109工作面采空区气体含量的监测期间，根据图1（a）、(b)可知监测数据中CO浓度最大含量为7100ppm，浓度基本在2000ppm～5000ppm之间聚集，基于此可知采空区的CO浓度一直在超限的范围内进行波动；通过分析图 1（c）、1（d）可知，在 2015年6份到2016年4月份采空区气体监测期间，采空区内氧气的含量在2015年6月到10月之间氧气含量基本全部处于10%以上，基于气体爆炸三角形和火三角形理论能够得出CO和O2在该种浓度下可能致使出现煤体氧化自燃，进而致使出现火灾爆炸现象，故急需采取有效措施降低采空区CO的含量，防止采空区出现自燃现象。

2 采空区注氮技术

通过对采空区注氮作业为解决采空区CO超限、防止采空区自燃问题的有效途径，注氮作业的本质为将一定量的氮气注入到火区或者采空区的氧化带内，由于氮气的充入能够将采空区氧气含量在一定时间内降低10%以下，另外通过注入大量的氮气，能够降低采空区内CO所占的百分比，有效解决采空区CO含量超限的问题，进而有效防止采空区由于CO超限出现的自燃现象，注氮作业同时能够防止采空区出现瓦斯爆炸现象，具体采空区注氮的主要作用机理如下：

1）消除瓦斯爆炸的危险。在采空区出现火灾时容易进一步导致采空区内的气体出现爆炸，根据相关学者的研究表明，当氧气的含量小于10%时，混合气体出现爆炸的可能性会大大降低，在氧气的含量小于5%时，此时气体便不再会出现爆炸现象，依据该理论在对采空区进行注氮后将氧气的含量降低至10%以下，将采空区内CO的含量降低至24ppm以下，防止采空区出现瓦斯爆炸爆现象[1-2]。

2）减少漏风的作用。矿井出现煤自燃的情况主要的主要原因中便包括漏风现象的存在，根据相关理论知当进行注氮作业后，采空区内CO等不良气体含量会减小，采空区内气体的总体积会增大，进而使得采空区内的气压升高，这便能够在一定程度上减小采空区外和采空区内的压力差值，从而改善采空区的漏风情况，防止采空区出现CO含量超限导致的煤的自燃现象。

3）起到降温作用。在矿井采空区出现煤体的自燃或者其他的火灾时，此时密闭采空区内的温度会大于采空区外的温度，在使用注氮作业进行灭火后能够有效的对采空区形成降温作用。

4）阻止煤出现自燃。煤的自燃倾向性、热量积聚和连续供氧为煤自燃的三要素，当对采空区的氧化带进行注氮作业后能够较为有效的降低该区域内氧气的含量，破坏煤自燃要素中连续供氧的条件，进而有效的阻力煤的自燃[3-5]。

3 采空区CO超限治理方案

3.1 采空区注氮方案设计

1）注氮设备的选型和注氮量的确定。根据目前国内外现有的注氮设备，选择制氮设备为DT1000移动变压吸附制氮装置，并结合220109工作面采空区的具体情况确定采空区的注氮量为1000m3/h。

2）注氮管路及管径参数。本次注氮作业使用的埋入采空区内注氮管路采用的为3寸钢管，输送氮气的管路为4寸钢管，注氮钢管长25m，并且钢管的尾部5m的范围内布置孔径为10mm的花眼用以提高注氮的效果。

3）注氮管路的布置。注氮管路从注氮设备中引出，沿着22109工作面材料巷进行布置，在距离底板1.0m的位置处布置主管路，在22109工作面停采线向采空区方向6m的位置处开始布置注氮管路，注氮管间的间距为6m，通过在22109工作面材料巷穿过保安煤柱向着采空区方向打设钻孔，钻孔在材料巷煤柱帮距离底板1m的高度处打设，钻孔的垂深为15m，倾角为3°，在钻孔打设完毕后使用封孔器进行封孔作业，在钻孔进行有效封孔后，使用三通阀门将其与主管路相连接，具体注氮管路和注氮钻孔的布置方式如图2所示。

4）注氮作业的停止条件。当CO的浓度达到24ppm时进行注氮作业，但实际中由于采空区气体流入束管内已经被稀释，使得CO的浓度会相应降低，因此当采空区内CO的浓度一般均会大于束管内测得的CO浓度，故取安全系数为2通过测试CO浓度，当CO浓度大于48ppm时便可开始注氮作业。为实时充分了解采空区内各组分气体的含量以便更好的进行注氮作业，通过设计密闭墙打钻孔布置束管，再将各束管通过分路箱顺至各个监测点，以此对采空区内各组分的气体浓度进行监测，保证注氮效果。

图2 注氮管路及钻孔布置位置示意图

根据上述注氮设计方案进行采空区注氮作业，根据《煤矿安全规程》规定CO的浓度降低至24ppm时，即表明CO浓度处于安全范围，注氮作业能够停止，基于此得出注氮作业的停止时采空区气体成分含量如下：CO的浓度下降并稳定至24ppm，采空区内O2的浓度下降至10%以下。

3.2 注氮效果分析

为对22109工作面采空区的注氮效果进行有效分析，在注氮作业期间对采空区内各项气体的含量进行分析，具体注氮作业期间密闭采空区的CO含量如图3所示。

图3 密闭采空区注氮后CO和O2的含量

通过分析图3可知，在2016年5月开始密闭对采空区进行注氮作业，采空区注氮后CO的浓度迅速降低至《煤矿安全规程》规定的24ppm以下，虽然CO的含量存在着波动，但仅仅在一定的范围内出现波动，但及时的进行注氮处理后，CO的浓度便又会迅速下降至24ppm以下，在2016年11月份由于一些原因致使未能进行注氮作业，从而导致了CO的浓度达到850ppm，超过了规定值，在12月份将及时对密闭采空区进行注氮作业后CO的浓度便又降低至20ppm的范围内，有效的控制了密闭采空区内CO的含量；注氮作业后采空区氧气的浓度基本稳定在1%～8%的范围内；另外根据注氮期间各项气体监测可知N2浓度在注氮期间能够迅速上升到95.6%，由于氮气为惰性气体，其含量上升必然会导致采空区内的一氧化碳和氧气的浓度下降，基于此可知注氮作业降低了密闭采空区内CO和O2的含量。

4 结 论

针对回采完毕密闭的22109工作面采空区内气体的含量的监测知采空区瓦斯一直处于超限状态，为防止采空区氧化带发生自燃，通过有效分析采空区注氮作业的理论，确定对22109工作面采空区采取注氮作业，根据注氮作业后采空区气体的监测数据可知，注氮方案实施后N2的含量基本稳定在95%左右，采空区内的CO的浓度降低至20ppm以下，基于此可知采空区注氮作业有效的解决了密闭采空区CO超限的问题，为矿井的安全生产提供了保障。