趙 強,孫永康,張曉東

(1.山西壽陽段王煤業(yè)集團有限公司,山西 晉中 045400;2.煤科集團沈陽研究院有限公司,沈陽 110000)

1 工作面概況

段王煤礦分兩個水平分別開采8+9號和15號煤層,現(xiàn)8+9號煤層采空區(qū)面積為116萬m2,15號煤層采空區(qū)面積32.2萬m2。根據(jù)對150405采空區(qū)的研究結(jié)論,確認15號煤的最短自然發(fā)火期為117.74 d,8+9號煤的最短自然發(fā)火期為85.22 d。采空區(qū)煤的氧化時間遠遠大于煤的最短自然發(fā)火期,現(xiàn)有的正常開采條件容易產(chǎn)生自然發(fā)火現(xiàn)象。為此,對該煤礦自燃煤層進行了采空區(qū)進風側(cè)埋管注氮防滅火設(shè)計及注氮氣系統(tǒng)的管路布置,經(jīng)檢驗,該設(shè)計能有效降低段王煤礦發(fā)火的可能性及危險性,保障了段王煤礦安全生產(chǎn)。8+9號煤層、15號煤層自燃傾向等級如表1所示。

表1 煤層自燃傾向等級Table 1 Spontaneous combustion tendency level

2 注氮防滅火技術(shù)分析

注氮防滅火的實質(zhì)是向采空區(qū)氧化帶內(nèi)或火區(qū)內(nèi)注入一定流量的氮氣,等量取代了部分漏入風流的氧氣,減少了向采空區(qū)的絕對供氧量,使其氧含量降到10%以下,氮流帶惰化采空區(qū),削弱高溫區(qū),達到防火、滅火和抑制瓦斯爆炸的目的[1-2]。注氮防滅火原理框圖見圖1。

圖1 注氮防滅火原理框圖Fig.1 Fire prevention and extinguishing principle with nitrogen injection

氮氣具有滅火速度快、能防火、能滅火、有較好的稀釋作用、能抑制瓦斯爆炸、無污染環(huán)境和機電設(shè)備等優(yōu)點。但是氮氣的密度比空氣輕,容易流失,因此,在注氮的同時,必須采用堵漏措施相配合。注氮能迅速滅火,但火區(qū)完全滅火時間相當長,不能有效消除高溫點。氮氣本身無毒,但具有窒息性,濃度較高時對人體有害[3-4]。因此,礦井在應(yīng)用氮氣防滅火技術(shù)時,要根據(jù)實際情況,采取合理的技術(shù)及管理措施,充分發(fā)揮其優(yōu)越性。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,采空區(qū)防火注氮的氮氣純度≥97%;采空區(qū)氧化帶防火惰化指標φ(O2)≤7%。

3 防滅火措施

3.1 采空區(qū)防火耗氮量的計算及設(shè)備選型

按采空區(qū)氧化帶氧濃度計算:此方法實質(zhì)是將采空區(qū)氧化帶內(nèi)的原始氧濃度降到防滅火惰化指標以下,此方法較合理,符合注氮防火的實際情況。采空區(qū)防火耗氮量QN可按下式計算[5-6]:

(1)

式中:QV為采空區(qū)氧化帶漏風量,根據(jù)該礦150405采空區(qū)流場風流規(guī)律計算,工作面向采空區(qū)漏風量為230 m3/min,其中漏風主流從工作面附近冷卻帶和頂板裂縫中流走,采空區(qū)底層面遺留煤耗氧層(氧化帶)漏風量取55 m3/min;C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)初始氧含量(取平均值),取16.5%;C2為采區(qū)防火惰化指標,一般規(guī)定為氧氣含量7%～10%;8+9號和15號煤層煤樣的耗氧實驗結(jié)果,煤的氧化速率低,取臨界氧化濃度為15%;CN為注入氮氣的純度,取97%;K為注氮備用系數(shù),一般取1.2～1.5; 8+9號和15號煤層煤的氧化速率低,備用系數(shù)取1.2。

該計算結(jié)果的注氮流量為495 m3/h,為配合制氮設(shè)備這里取500 m3/h作為礦井注氮防滅火系統(tǒng)的注氮流量。根據(jù)制氮能力和注氮壓力的計算,選用PSA-500型煤礦用碳分子篩制氮裝置。

3.2 注氮工藝的選擇

結(jié)合該礦煤層易發(fā)生自燃的實際情況,本設(shè)計常規(guī)注氮采用采空區(qū)進風側(cè)埋管注氮防滅火技術(shù)方案。段王煤礦煤的自燃主要來自采空區(qū),常規(guī)的注氮地點選擇在工作面后方采空區(qū)。根據(jù)對150405采空區(qū)實際觀測,采空區(qū)溫度無明顯的升溫現(xiàn)象,實測溫度在16 ℃～18 ℃之間,采空區(qū)溫度變化主要是受工作面風流溫度的影響,計算得到冷卻帶寬度為25 m。當不采取灌漿方法且采空區(qū)無水時,優(yōu)先采用直管拖管注氮方法,拖管采用液壓千斤頂支柱完成,保持注氮口距工作面15 m。對重點防滅火地點,采用埋彎管注氮,交替埋管方法,距離工作面25 m時實施交替埋管。

3.3 注氮系統(tǒng)

8+9號煤層注氮系統(tǒng):地面制氮站→地面注氮管鉆孔→通過鉆孔進入15煤總回風巷→0205總回風巷→二水平集中回風巷Ⅰ→瓦斯管道巷→一水平集中回風巷Ⅰ→0105采區(qū)各工作面。

15號煤層注氮系統(tǒng):地面制氮站→地面注氮管鉆孔→通過鉆孔進入15煤總回風巷→0205總回風巷→二水平集中回風巷Ⅰ→0205采區(qū)各工作面。

3.4 注氮時機分析

正常開采期間當工作面CO濃度達到0.024 ‰時,啟動注氮系統(tǒng)進行注氮。當開采遇到地質(zhì)構(gòu)造時,根據(jù)大量遺留煤的位置區(qū)域,提前開始注氮,使大量遺留煤區(qū)域進入自燃氧化帶時被及時惰化;工作面推進度減慢或停頓,為防止采空區(qū)自然發(fā)火,進行注氮氣惰化,情況嚴重時,封閉工作面進行閉區(qū)注氮。工作面出現(xiàn)自燃征兆時注氮。采空區(qū)內(nèi)的CO濃度超過0.100 ‰,或者工作面內(nèi)CO濃度超過0.024 ‰,或出現(xiàn)高溫異味等自燃征兆時,立即啟動注氮工作并加大注氮強度。

4 效果檢驗

根據(jù)束管監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù),段王煤礦采空區(qū)防火注氮惰化氧化帶的效果考察表明:以氮氣純度≥97%、產(chǎn)氣量500 m3/h的設(shè)備制氮并注入采空區(qū)后,在工作面風量為79.29 m3/min左右時,能將采空區(qū)25 m處的O2濃度降至8%以下,表明采空區(qū)25 m以外的O2濃度全部低于8%,監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。氧化帶已被惰化,不會發(fā)生浮煤自燃,有效地減少了自然發(fā)火的危險。

圖2 監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.2 Monitoring data

5 結(jié)束語

段王煤礦煤層屬于易自燃煤層,需采取注氮措施抑制其自然發(fā)火,保證礦井安全生產(chǎn)。對礦井注氮設(shè)計進行分析研究,確定采用采空區(qū)進風側(cè)埋管注氮防滅火技術(shù)對其進行防火。應(yīng)用注氮系統(tǒng)后,采空區(qū)25 m以內(nèi)氧氣濃度均低于8%,氧化帶惰化,起到了良好的防滅火效果,保證了礦井的安全生產(chǎn)。