申南凹煤矿20106工作面采空区注氮防灭火技术研究与优化

任红军

(山西乡宁焦煤集团 申南凹焦煤有限公司，山西 乡宁 042100)

1 工程概况

山西乡宁焦煤集团申南凹煤业有限公司20108工作面开采2号煤层，煤层平均厚度4.2 m，煤层内平均含有1层夹矸，煤层顶板岩层为砂质泥岩和粉砂岩，底板岩层为泥岩和细粒砂岩。20106工作面采用一次采全高采煤方法，全部垮落法管理顶板，工作面采高4.2 m，通风方式为“U”型通风。根据矿井地质资料可知，2号煤层属低瓦斯煤层，绝对瓦斯涌出量8.08 m3/min，相对瓦斯涌出量3.35 m3/t，煤层自燃倾向性为Ⅱ级。20106工作面采空区采用注氮进行防灭火，现为提升注氮防灭火效果，特进行采空区注氮防灭火应用效果和优化分析。

2 采空区注氮方案与效果

2.1 采空区注氮方案

20106工作面注氮作业时从工作面开切眼20 m的位置处，每间隔20 m进行一趟注氮管路的预埋作业，注氮管路一头插入采空区内，一头安装控制注氮流量的阀门，并将其与现有管路系统连接。注氮作业时，通过阀门控制注氮流量为600 m3/h；具体注氮作业时采用间隔式注氮工艺[1-3]，具作业流程如下：第一趟注氮管路埋入采空区内20 m后，开启第一趟注氮管路的阀门进行注氮作业，同时进行第二趟注氮管路的埋入作业；当一趟注氮管路埋入采空区40 m后，即可关闭第一趟注氮管路，开启第二趟注氮管路，如此往复循环直至工作面回采完毕，见图1。

图1 工作面注氮管路布置示意

2.2 现有注氮效果分析

为有效分析20106工作面现有间隔式注氮工艺的实施效果，在工作面注氮作业时每日均对注氮各项数据进行记录，具体工作面机巷注氮口及编号方式见图2。

图2 工作面注氮口及编号示意

根据工作面回采期间采空区的注氮记录，能够得出工作面机巷和风巷采空区在不同测点处氧气浓度随工作面回采距离之间的关系曲线及氮气影响范围，具体如图3所示。

图3 采空区各测点氮气影响范围示意

分析图3(a)、(b)可知，采空区风巷侧在距工作面13 m的位置处，此时氧气浓度出现突然下降的趋势，在距工作面40～64 m的范围内，采空区的氧气浓度缓慢上升，当测点埋入采空区64 m后，氧气浓度不断下降，这是由于此时上覆岩层已垮落严实，内部裂隙较少，故综合上述分析可知，采空区风巷侧氮气的影响范围主要为采空区18～64 m的范围内。

分析图3(c)、(d)可知，工作面机巷侧，当测点与工作面间的距离为70 m时，采空区氧气浓度逐渐降低至18%以下。基于工作面的顶底板岩层特征可知，产生这种现象的主要原因为工作面回采后，机巷侧顶板在垮落时不能有效充填压实采空区，进而导致采空区机巷侧存在着严重的漏风现象。另外从图中能够看出，采空区距工作面75～90 m的范围内氧气浓度呈现为逐渐上升的趋势，采空区与工作面的距离大于90 m时，采空区内的氧气浓度才出现逐渐下降的趋势。随着工作面的回采作业，当测点距离工作面的距离为70 m时，随着顶板岩层的垮落和氮气的不断注入，使得采空区内的氧气浓度呈现出不断下降的趋势。在工作面测点距工作面75～90 m时，采空区注氮作业对测点区域气体浓度的影响程度会不断减小。当测点距工作面大于90 m时，顶板岩层不断垮落下沉，进而导致采空区内的氧气浓度不断下降。综合上述分析可知，工作面机巷侧70～90 m的区域为注氮在机巷侧的影响区域。

基于上述对工作面机巷和风巷侧注氮影响范围的确定，能够看出采空区注氮作业能够在一定区域内有效降低采空区内的氧气浓度，进而降低采空区内遗煤自燃的可能性，但总体注氮却未达到预想的效果，其中在靠近机巷一侧3号测点68 m以前，该区域的氧气浓度均在20%以上，机巷4号测点在埋入采空区75 m以前，采空区内的氧气浓度均在20%以上。基于上述分析可知，采空区顶板未完全垮落导致采空区漏风也是导致采空区机巷侧氧气浓度较高的原因[4-6]。根据注氮数据的分析，能够大致推断出采空区氧化带的大致范围，其中机巷侧氧化带为31～88 m，风巷侧氧化带的范围为18～70 m，由于采空区内氧化带的范围较大，为确保工作面在地质构造、推进缓慢区域无采空区自燃发火现象，需对现有注氮方案进行优化，主要考虑改变注氮位置及增大注氮量的方式，以降低采空区自燃的危险性。

3 注氮防灭火技术优化

为确定20106工作面合理的注氮位置及注氮流量，采用Fluent数值模拟软件建立数值模型，在工作面采空区0～16 m为自然堆积区，采空区16～68 m为破碎堆积区，采空区68 m以上的区域为压实稳定区[7]，依据此模型具体进行合理注氮位置及注氮流量的模拟分析。

1) 注氮位置分析：为确定合理的注氮位置，设置注氮流量为600 m3/h时，分别设置注氮口为距工作面20 m、30 m、40 m、50 m进行采空区的注氮作业，根据数值模拟结果得出工作面在不同注氮位置下采空区氧气浓度分布云图如图4所示。

图4 不同注氮位置下采空区氧气分布云图

分析图4可知，当注氮口设置在距工作面20 m和30 m时，注氮口与自然堆积区较近，由于采空区冒落的煤岩体较为松软，易导致注入的氮气随着采空区漏风现象出现，氮气流入回风巷和工作面内，进而造成注氮效果不佳；当注氮口布置在距工作面40 m、50 m时，采空区内氧气浓度的等值线相对于注氮口布置在20 m、30 m时出现明显前移，且在注氮口附近，氧气浓度下降幅度明显，表明此时采空区内注入的氮气随着漏风流逐渐扩散，起到了有效降低采空区内氧气浓度的作用。通过具体对比分析注氮口布置在距工作面40 m和50 m时采空区内氧气浓度等值线可知，注氮口布置在距工作面40 m时，相对于布置在距工作面50 m，采空区注氮口位置18%的氧浓度等值线前移7 m。综合上述分析确定工作面合理的注氮位置为距工作面40 m。

2) 注氮量：基于上述分析，设置注氮口布置在机巷距工作面40 m的位置处，分别设置注氮流量为600 m3/h、800 m3/h、1 400 m3/h、1 600 m3/h进行注氮作业，根据数值模拟结果得出采空区在不同注氮流量下氧气浓度分布云图如图5所示。

图5 不同注氮流量下采空区氧气浓度分布云图

分析图5可知，当采空区注氮流量由600 m3/h增大为800 m3/h时，此时注氮口周围的氧气浓度出现明显变化，在采空区20～60 m的深度范围内，氧气浓度降低为10%～13%，随着注氮流量的进一步增大，当注氮流量增大为1 400 m3/h时，氧气浓度已降低至4%～6%，另外从图中能够看出当注氮流量从600 m3/h增大为800 m3/h时，此时采空区内氧化带宽度的降低幅度较小，当注氮流量由800 m3/h增大为1 400 m3/h时，采空区氧化带宽度降低明显，当进一步增大采空区注氮流量时，采空区散热带和氧化带的宽度在进一步增大，但此时采空区中部至回风侧区域氧气浓度大于20%区域与工作面的距离已小于5 m，会严重影响工作面的安全生产，综合上述分析，合理的注氮流量为1 400 m3/h。

通过20106工作面采空区注氮方案的优化分析，调整注氮口为机巷距工作面40 m、注氮流量为1 400 m3/h。通过现场实施可知，优化后的注氮方案实施后，采空区进风侧、中部及回风侧的氧化升温带的范围分别为20～22 m、8～13 m、25～29 m，与原有注氮方案相比降低幅度明显，且工作面回采期间无采空区自燃现象出现，优化效果显著。

4 结 语

根据20106工作面的地质条件，通过分析现有注氮施工方案的效果可知，目前注氮方案注氮效果不理想，采用数值模拟软件进行合理注氮口和注氮流量的模拟分析，基于模拟结果调整注氮口为机巷距工作面40 m、注氮流量为1 400 m3/h，基于优化后注氮方案实施后的效果分析可知，采空区氧化带的宽度大幅降低，工作面回采期间无遗煤自燃现象出现，优化效果显著。