综采工作面采空区托管注氮技术的研究与应用

郭 君

（晋能控股煤业集团鄂尔多斯矿业公司内蒙古鄂尔多斯017000）

1 前言

我国能源存储特点为“煤多、气少”，因此煤炭在我国有着不可撼动的地位，国家的发展也离不开煤炭资源。由于我国在工业和经济方面迅速崛起，我国煤炭产出和销售量跻身榜首。我国耗煤量大的行业如火力发电、建材工业、化学工业等行业均保持较快的发展速度，推动着煤炭需求不断上升。煤矿开采量日益扩大，随之而来的是采煤工作设备的快速发展进步，工作面掘进速度越来越快，安全隐患也随之增加，一旦发生煤炭自燃事故，造成后果非常严重。如吉林八宝煤矿煤炭自燃引起瓦斯爆炸事故，死亡36 人，财产损失高达4 708.9万元；皖北煤电集团任楼煤矿煤炭自燃引起瓦斯爆炸事故，死亡3人，财产损失达898.53万元。造成此类事故的最根本的原因是由于矿内领导对安全防火方面工作不重视，安全措施没有落实，导致工作面巷道跑风进来，遗煤与空气接触氧化发火，引燃巷道内的瓦斯并发生爆燃，才会造成上述惨剧。因此研究煤矿内综采面采空区煤炭自燃的防治的工作是十分有必要。

2 色连煤矿概况

2.1 地理位置

色连一号煤矿位于东经：109°49′54″～109°55′39″，北纬：39°50′50″～39°55′49″的内蒙鄂尔多斯市。矿井井田的南北长8.2 km，东西宽4.9 km，面积约35.746 7 km2。此井田可掘采的煤层有10层，主要是第2煤层2煤组的上、中区域，第3煤层1煤组的上煤层区域、第4 煤层1 煤组的上煤层区域，第4 煤层1 煤组区域，第5 煤层1 煤组的上煤层区域，第5 煤层1 煤组区域，第6煤层1煤组上、中、下煤层区域，主要生产不黏煤，还有少量的长焰煤。该矿所设计的生产能力为5.00 Mt/a，矿井现剩余可采储量352.81 Mt，同时该矿建有1 个技术较为领先的洗煤厂，该煤矿是内蒙古自治区及东胜区重要煤矿组成部分。

2.2 煤层自燃危险情况

色连煤矿2-2 上及4-1 煤层属于Ⅰ级易自燃煤层，该煤层主要存在发火时间短、氧需求量大、发火速度快等特点，其发火期为40天左右。加上由于回采速度慢，采空区内有余煤，若是巷道存在进风情况，那么余煤极易发生氧化自燃造成严重的事故后果。因此配备相应的防灭火系统就显得尤为重要。

3 防灭火技术的研究

3.1 氮气防灭火的机理

氮气是一种无色、无味、没有毒性的难燃气体，密度稍轻于空气。正常情况下不会受外界条件的影响，同时也不与输送氮气管道及其他金属发生反应[1-2]。氮气防治火灾的机理见图1。

图1 氮气防灭火的机理

3.2 氮气防灭火特点[6]

（1）氮气是悬浮在空中的，可以在一定的时间内占据采空区整个空间，并把采空区内的氧气全部排出去，从而使煤炭没有发生自燃的条件。

（2）氮气通过管道运送，不借助外物，输送便利。

（3）氮气属于惰性气体，灭火过程中主要是隔绝氧气不会损坏井巷设施。

（4）由于氮气不具备毒性，故工人可放心使用。

（5）启用便利，防灭火成果较好。采空区内余煤有发生火灾的前兆时，开启控制开关，氮气就可以很快的把采空区填满，把煤炭自燃扼杀在摇篮中。

（6）在对采空区注氮时，能快速降低氧气浓度，遏制煤炭氧化，从而降低二氧化碳登气体的产出，保障人员安全。

（7）能增大火区内气压，降低火区漏风可能性。

（8）火区若发生过多漏风时，灭火能力就会明显降低，因此进行氮气灭火时须有一个较为封闭的环境。

（9）密闭环境内进行输送氮气时，对灾区的降温是不理想的，因此氮气灭火后需要对巷道灾区进行降温。

3.3 注氮方式[7]

输送氮气的方法一般有埋管、托管、钻孔以及插管等，其中常用的是埋管及托管两种输入氮方式。这两种防灭火技术各有优缺点，其中：

(1)埋管注氮。是在采空区进风方向架设输送氮气管线。随着工作忙的推进，管线也架设相当长度后就开始往采空区内的氧化带输入氮气，与此时间开始下一阶段的输氮管线的架设。当第2次输氮管线口架设到氧化带与散热带相接壤的界面时关闭第1次架设的管线开关，开启第2 次输氮管线开关往里输送氮气。重复上述至整个区域煤炭开采完成。

埋管注氮技术能有效降低采空区内氧气以及一氧化碳的含量，技术相对简单，可起到不错的防止煤炭自燃的效果，阻止事故发生。但传统埋管注氮技术存在较明显的缺陷，输送氮气的管路都为一次性消耗品，得不到再次利用，资源被变相的浪费掉；氮气输送管线是跟着工作面的掘进而推进的，由于工作面掘进速度会造成采空区前移，造成氮气输入口在采空区间间距较远，导致氧化带内存在氮气输送不到的空间，使用氮气分布不均匀（如图2所示），不能起到较好的防止火灾的效果；还有就是进行注氮输入口的加工、钢丝缠绕管路的运输、连接及架设会浪费大量的人力和资源。

图2 氮气输入口注氮示意图

(2)拖管注氮。在采空区进风方向架设相当长度的管壁径较大钢管当作输送氮气的管线，它的推进根据简单的机械动力原理，主要是以巷道内的滑轮作为轨道，巷道内的绞车为动力源。输入氮气的管线可以通过机械设备将管线进行拖移，因此在综采面回采过程中，能使管线一直保持在采空区内30 m的距离。

托管注氮可以弥补埋管注氮所存在的不足，主要是由于托管注氮在前期投入可能会多一点，但到了管线架设完成后就不需要再投入资金了，可以为公司节省一大笔资金，最好的体现就是工作面每掘进1 000 m就能比相同距离的使用埋管注氮的方式节省28 万元。拖管注氮能使管线一直保持在采空区内30 m 的距离，保证采空区能被氮气持续充满，同时也能保证采空区内一氧化碳的稳定在最低限度，故能达到较好的防灭火成效。最后就是托管注氮时，可以不用进行钢丝缠绕管的运输、安装、架设等一系列操作，加工简便、安装操作方便。

综上所述，再根据具体现场情况，色连煤矿领导决定采用拖管注氮技术对煤矿进行防灭火处理。

3.4 拖管注氮技术

色连煤矿拖管注氮技术即在工作面进风侧从开孔开始沿进风顺槽端头外侧架设30 m 长度的直径为φ89 mm 壁厚为10 mm 的钢管作为注氮管路，距离近的钢管的连接处增加保护套。为预防管路被掉落的煤块或者石块堵住氮气输出口，在输送氮气线路最后2 m上打孔，每隔20 cm打一组φ20 mm的孔眼，这样不仅能使扩大输入氮所能达到的空间，还能保证管线即使被掉落的石块砸到也不会影响输氮效果。

为了有助于架设线路，在原先已经架设的拖管的外沿加焊接2 个可以用手拉的圈，同时把相当长度的钢丝围着钢管绕几圈同原先搭设的拖管以及输送氮气的主线路,托管和外界是绝缘的。拖管输入氮气防治火灾技术见图3。

图3 拖管注氮防灭火工艺

4 结语

色连矿井下综采面采空区所使用的拖管注氮工艺与集团公司其它矿井比较，使用简单的机械动力原理，加工简便、安装操作方便、节约成本，提高了注氮效果，可以在同类矿井中进行推广。