易燃特厚煤层综放开采采空区注氮技术应用研究

高永胜

(山西焦煤山煤国际长春兴煤业有限公司，山西 大同 037100)

1 工程概况

山西焦煤山煤国际长春兴煤业有限公司(长春兴矿)103综放工作面开采22号煤层，工作面倾斜长度148.8 m，可采煤壁长151.5 m，走向长度为760 m，可采走向长度为680 m，停采线位于西胶带大巷外帮77.5 m处，煤层平均厚度为12.5 m，有三层夹矸，第一层夹矸距离该煤层顶板0.6 m，平均厚0.4 m，第二层夹矸距离该煤层顶板2.2 m，平均厚0.4 m，第三层夹矸距离该煤层底板5.2 m，平均厚0.1 m，结构复杂。工作面煤层呈现单斜构造，走向为168～152°，倾向为78～62°，平均倾角2°，工作面地面标高1 238～1 350 m，煤层底板标高633～838 m，平均埋深558 m.矿井为低瓦斯矿井。自燃倾向性等级为Ⅱ类，属自燃煤层。为保障工作面安全高效生产，对103工作面采空区注氮工艺及效果展开相关研究。

2 煤自然发火的指标气体测试

为掌握长春兴矿现阶段所采22号煤层自然发火特性，以便更好的指导综放工作面的防灭火工作，对103综放工作面煤样进行自燃特性实验[1]，根据实验室测定数据整理得到气体浓度随温度变化曲线如图1所示。

根据图1所示结果可以看出，当煤样升温到30 ℃时，开始产生CO2、CO气体，温度达到90 ℃及以上时，CO2、CO气体浓度的增长速度均明显加快，说明此时煤样开始迅速的氧化反应；煤样温度达到100 ℃、140 ℃、170 ℃时，分别开始产生C2H6、C2H4、C3H8气体，当温度达到190 ℃时，开始出现C2H2气体。综上可知，可将CO气体作为采空区自燃情况监测预警指标性气体，C2H6、C2H4等烷氢类气体作为辅助性判定指标；当监测到CO浓度增长速度加快，说明此时采空区温度以达到90 ℃以上，需发出预警；当监测到C2H4、C3H8气体表明温度已超过140 ℃，应立即采取灌浆、注氮等强有力的灭火措施。

图1 各种气体浓度随温度变化曲线

3 注氮方案设计

3.1 注氮防灭火工艺方案选择

1) 注氮方法与注氮制度。开放式注氮是在未封闭的情况下进行的一种注氮方式[2]。适用于推进中的工作面采空区早期自燃的防灭火工作。封闭式注氮(闭区注氮)是为控制火情或防治瓦斯爆炸，将发生火灾或积聚瓦斯的区域先封闭后进行注氮，防止工作面正常回采期间采空区自燃应采用该种注氮方式。根据采空区注氮是否连续可连续性、间歇性两种注氮制度，非连续性注氮：对于采空区自然发火危险性不强的矿井，在工作面正常回采期间，可采用间断非连续性注氮。实际工作中根据对火情预测的实际情况，和对自燃危险的重点地段进行注氮，长春兴矿103综放工作面煤层厚度大，采空区遗煤较多、煤体自然发火期短，因此，由此设计采用连续性注氮方式。

2) 注氮工艺方式选择。埋管工艺形式根据具体情况而定。当不采取灌浆方法，且采空区无水时，优先采用直管拖管注氮方法，拖管采用液压千斤顶支柱完成，保持注氮口距工作面15 m.对重点防灭火地点，采用埋弯管注氮方法，此时应采用交替埋管方法，距离工作面25 m时实施交替管。交替埋管工艺形式：沿着运输巷道下帮紧贴底板安设站管，站管的长度为巷道高度，站管上部1 m长的部分为条形眼，顶部管孔用铁板焊封，防止煤、矸将站管堵塞，其余部分的焊接必须严密，以防止进水，站管周围利用木垛保护站管。第一路站管及管路在开采时埋设，以后工作面每推进25 m安设站管及管路，如此交替进行，直至采终。103工作面注氮管路如图2所示。

图2 103综放工作面注氮管路示意

3) 注氮地点与管口的安全最小距离。埋管安全最小距离主要是防止和避免因大气喘息使氮气回流。所谓氮气回流工作面是指因大气压力变化，采空区发生“喘息”导致大量采空区气体从进风侧涌出的现象(一般工作面上游进风侧漏风总是流向采空区的，当外界大气压力突然下降时，采空区内部气体压力相对较高，膨胀涌出进入工作面)。采空区温度变化主要是受工作面通风风流温度的影响，说明采空区内的冷却带比较宽，计算冷却带宽度取25 m，根据以上的划分，结合本矿采空区上下帮两巷不落空隙比较大的实际情况，本设计在采用埋管注氮中，取埋入采空区的注氮管口距离工作面位置的安全最小距离为15 m.

3.2 注氮防灭火参数确定

1) 采空区防火耗氮量的计算。供氮能力(1个工作面注氮量)可按公式(1)计算[3]：

(1)

2) 输氮管路、输氮流量与压力的计算。矿用输氮管路直径按公式(2)计算[4]：

(2)

式中：QN为最大输氮流量，m3/min；D为注氮管路最小直径，mm；V为管道内允许流速，当氮气压力为0.3～0.6 MPa时，V选为20 m/s.考虑到长春兴矿注氮输送管路最远距离较长，阻力损失较大，实际选型主干管选择D159 mm管路，支管选择D108 mm管路。

3.3 束管监测系统布置

103工作面采空区布置束管监测系统，从切眼处开始布置，采样点布置间距120 m，采用埋管法布置，8芯束管埋设在103回风巷道煤柱帮水沟底部，在工作面推进至预先设定的采样点时，引出单芯束管穿入PE管内，起到保护束管的作用，然后将束管抬升2.5 m固定在煤柱帮，采用木垛支撑稳定、保护束管，束管末端安装采样器，为保证取样的精度，每次取样时预先抽排15 min束管内气体，束管监测系统布置如图3所示。

图3 束管监测系统(m)

4 注氮防灭火效果监测与评价

4.1 采空区氧气、一氧化碳浓度变化规律

根据束管监测系统监测数据，得到连续注氮条件下103综放工作面采空区内CO、O2浓度随着各测点深入采空区距离的变化规律如图4所示，1号测站位于切眼处，深入采空区70 m之前，工作面回采初期未采取注氮措施，采空区内氧气浓度始终稳定在20%左右，表明此时采空区存在较大的自燃隐患，工作面开挖68 m后，开始向采空区内采取24 h连续注氮工艺，注氮量约 600 m3/h，持续注氮5 d后，工作面推进了约60 m，采空区氧气浓度下降至12%左右。后续各测点在连续注氮条件下，在束管测点深入采空区约30 m后，氧气浓度迅速降低至8%左右，之后随着测点深入采空区，氧气浓度进一步逐渐减小至更低水平。采空区内CO浓度持续稳定在200×10-6以下，CO来自氧化带内浮煤的缓慢氧化，表明此时采空区温度保持在90 ℃以下。综上可知，通过连续注氮工艺可迅速降低采空区氧气浓度，对采空区遗煤起到良好的惰化作用，消除了采空区自然发火的可能性。

图4 采空区O2浓度、CO浓度变化趋势图

4.2 采空区“三带”变化及防灭火效果分析

连续注氮条件下，103综放工作面采空区自燃“三带”宽度基本稳定，散热带深入采空区0～25 m，氧化带深入采空区25～41 m，窒息带深入采空区41 m以上，注氮前后对于采空区散热带宽度影响较小，对于氧化带宽度影响显著，氧化带宽度减小了约80 m，窒息带向工作面方向前移了约100 m.根据近一年的束管监测结果，长春兴矿103综放工作面采空区连续注氮起到了惰化采空区、减小氧化带宽度、使采空区尽早实现窒息带的效果，保证了综放工作面的顺利推进。

5 结 语

1) 通过对长春兴矿22号自燃特性实验研究，基本确定了该煤层自燃特征，建立以CO为指标性气体、以C2H6、C2H4等烷氢为辅助性气体的预测预报指标。

2) 根据103综采放顶煤工作面煤层厚、遗煤多、易自燃的特点，设计采空区注氮防灭火工艺技术及参数，采用开放式连续注氮方法，注氮管路主干管选择D159 mm管路，支管选择D108 mm管路。

3) 连续注氮条件下，103综放工作面采空区氧气浓度保持在8%以下，氧化带宽度减小约80 m，起到明显惰化采空区的效果，消除了采空区自然发火的可能性，为高产高效综放面开采提供可靠的安全保障。