張冬冬

（山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)公司，山西 忻州 036000）

1 工程概況

潞寧煤業(yè)22109工作面位于礦井2#煤層皮帶下山、軌道下山和總回風(fēng)下山巷東北側(cè)，該工作面上部為22107工作面采空區(qū)，下部為22111工作面采空區(qū)，工作面走向長(zhǎng)度為1288.5m，傾斜長(zhǎng)度為181m，所采煤層為2#煤層，煤層均厚為4.4m，平均傾角為13°，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部含有一層炭質(zhì)泥巖夾層，煤層上方偽頂為炭質(zhì)泥巖，均厚0.3m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚3m，基本頂為砂巖，均厚為7m，基本底為中粒砂巖，均厚17m，工作面采用一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板，工作面在14年已回采完畢，隨后即對(duì)工作面進(jìn)行了封閉。

CO是煤升溫氧化的產(chǎn)物，因此可通過(guò)CO的濃度來(lái)判斷煤層氧化情況，CO也被多國(guó)選為煤自燃的指標(biāo)氣體。在22109綜采工作面采空區(qū)封閉后，通過(guò)在密閉墻上打設(shè)鉆孔布置束管對(duì)采空區(qū)內(nèi)的各項(xiàng)氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)束管反映出來(lái)的氣體含量來(lái)有效的分析采空區(qū)內(nèi)各組分氣體濃度的變化規(guī)律，在2015年6份到2016年4月份采空區(qū)采集到的CO和O2的含量如圖1所示。

圖1 采空區(qū)CO及O2濃度隨時(shí)間的變化曲線

通過(guò)具體分析圖1可知，在2015年6份到2016年4月份對(duì)22109工作面采空區(qū)氣體含量的監(jiān)測(cè)期間，根據(jù)圖1（a）、(b)可知監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中CO濃度最大含量為7100ppm，濃度基本在2000ppm～5000ppm之間聚集，基于此可知采空區(qū)的CO濃度一直在超限的范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)；通過(guò)分析圖 1（c）、1（d）可知，在 2015年6份到2016年4月份采空區(qū)氣體監(jiān)測(cè)期間，采空區(qū)內(nèi)氧氣的含量在2015年6月到10月之間氧氣含量基本全部處于10%以上，基于氣體爆炸三角形和火三角形理論能夠得出CO和O2在該種濃度下可能致使出現(xiàn)煤體氧化自燃，進(jìn)而致使出現(xiàn)火災(zāi)爆炸現(xiàn)象，故急需采取有效措施降低采空區(qū)CO的含量，防止采空區(qū)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。

2 采空區(qū)注氮技術(shù)

通過(guò)對(duì)采空區(qū)注氮作業(yè)為解決采空區(qū)CO超限、防止采空區(qū)自燃問(wèn)題的有效途徑，注氮作業(yè)的本質(zhì)為將一定量的氮?dú)庾⑷氲交饏^(qū)或者采空區(qū)的氧化帶內(nèi)，由于氮?dú)獾某淙肽軌驅(qū)⒉煽諈^(qū)氧氣含量在一定時(shí)間內(nèi)降低10%以下，另外通過(guò)注入大量的氮?dú)?，能夠降低采空區(qū)內(nèi)CO所占的百分比，有效解決采空區(qū)CO含量超限的問(wèn)題，進(jìn)而有效防止采空區(qū)由于CO超限出現(xiàn)的自燃現(xiàn)象，注氮作業(yè)同時(shí)能夠防止采空區(qū)出現(xiàn)瓦斯爆炸現(xiàn)象，具體采空區(qū)注氮的主要作用機(jī)理如下：

1）消除瓦斯爆炸的危險(xiǎn)。在采空區(qū)出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)容易進(jìn)一步導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)的氣體出現(xiàn)爆炸，根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究表明，當(dāng)氧氣的含量小于10%時(shí)，混合氣體出現(xiàn)爆炸的可能性會(huì)大大降低，在氧氣的含量小于5%時(shí)，此時(shí)氣體便不再會(huì)出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象，依據(jù)該理論在對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注氮后將氧氣的含量降低至10%以下，將采空區(qū)內(nèi)CO的含量降低至24ppm以下，防止采空區(qū)出現(xiàn)瓦斯爆炸爆現(xiàn)象[1-2]。

2）減少漏風(fēng)的作用。礦井出現(xiàn)煤自燃的情況主要的主要原因中便包括漏風(fēng)現(xiàn)象的存在，根據(jù)相關(guān)理論知當(dāng)進(jìn)行注氮作業(yè)后，采空區(qū)內(nèi)CO等不良?xì)怏w含量會(huì)減小，采空區(qū)內(nèi)氣體的總體積會(huì)增大，進(jìn)而使得采空區(qū)內(nèi)的氣壓升高，這便能夠在一定程度上減小采空區(qū)外和采空區(qū)內(nèi)的壓力差值，從而改善采空區(qū)的漏風(fēng)情況，防止采空區(qū)出現(xiàn)CO含量超限導(dǎo)致的煤的自燃現(xiàn)象。

3）起到降溫作用。在礦井采空區(qū)出現(xiàn)煤體的自燃或者其他的火災(zāi)時(shí)，此時(shí)密閉采空區(qū)內(nèi)的溫度會(huì)大于采空區(qū)外的溫度，在使用注氮作業(yè)進(jìn)行滅火后能夠有效的對(duì)采空區(qū)形成降溫作用。

4）阻止煤出現(xiàn)自燃。煤的自燃傾向性、熱量積聚和連續(xù)供氧為煤自燃的三要素，當(dāng)對(duì)采空區(qū)的氧化帶進(jìn)行注氮作業(yè)后能夠較為有效的降低該區(qū)域內(nèi)氧氣的含量，破壞煤自燃要素中連續(xù)供氧的條件，進(jìn)而有效的阻力煤的自燃[3-5]。

3 采空區(qū)CO超限治理方案

3.1 采空區(qū)注氮方案設(shè)計(jì)

1）注氮設(shè)備的選型和注氮量的確定。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的注氮設(shè)備，選擇制氮設(shè)備為DT1000移動(dòng)變壓吸附制氮裝置，并結(jié)合220109工作面采空區(qū)的具體情況確定采空區(qū)的注氮量為1000m3/h。

2）注氮管路及管徑參數(shù)。本次注氮作業(yè)使用的埋入采空區(qū)內(nèi)注氮管路采用的為3寸鋼管，輸送氮?dú)獾墓苈窞?寸鋼管，注氮鋼管長(zhǎng)25m，并且鋼管的尾部5m的范圍內(nèi)布置孔徑為10mm的花眼用以提高注氮的效果。

3）注氮管路的布置。注氮管路從注氮設(shè)備中引出，沿著22109工作面材料巷進(jìn)行布置，在距離底板1.0m的位置處布置主管路，在22109工作面停采線向采空區(qū)方向6m的位置處開(kāi)始布置注氮管路，注氮管間的間距為6m，通過(guò)在22109工作面材料巷穿過(guò)保安煤柱向著采空區(qū)方向打設(shè)鉆孔，鉆孔在材料巷煤柱幫距離底板1m的高度處打設(shè)，鉆孔的垂深為15m，傾角為3°，在鉆孔打設(shè)完畢后使用封孔器進(jìn)行封孔作業(yè)，在鉆孔進(jìn)行有效封孔后，使用三通閥門(mén)將其與主管路相連接，具體注氮管路和注氮鉆孔的布置方式如圖2所示。

4）注氮作業(yè)的停止條件。當(dāng)CO的濃度達(dá)到24ppm時(shí)進(jìn)行注氮作業(yè)，但實(shí)際中由于采空區(qū)氣體流入束管內(nèi)已經(jīng)被稀釋?zhuān)沟肅O的濃度會(huì)相應(yīng)降低，因此當(dāng)采空區(qū)內(nèi)CO的濃度一般均會(huì)大于束管內(nèi)測(cè)得的CO濃度，故取安全系數(shù)為2通過(guò)測(cè)試CO濃度，當(dāng)CO濃度大于48ppm時(shí)便可開(kāi)始注氮作業(yè)。為實(shí)時(shí)充分了解采空區(qū)內(nèi)各組分氣體的含量以便更好的進(jìn)行注氮作業(yè)，通過(guò)設(shè)計(jì)密閉墻打鉆孔布置束管，再將各束管通過(guò)分路箱順至各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以此對(duì)采空區(qū)內(nèi)各組分的氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證注氮效果。

圖2 注氮管路及鉆孔布置位置示意圖

根據(jù)上述注氮設(shè)計(jì)方案進(jìn)行采空區(qū)注氮作業(yè)，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定CO的濃度降低至24ppm時(shí)，即表明CO濃度處于安全范圍，注氮作業(yè)能夠停止，基于此得出注氮作業(yè)的停止時(shí)采空區(qū)氣體成分含量如下：CO的濃度下降并穩(wěn)定至24ppm，采空區(qū)內(nèi)O2的濃度下降至10%以下。

3.2 注氮效果分析

為對(duì)22109工作面采空區(qū)的注氮效果進(jìn)行有效分析，在注氮作業(yè)期間對(duì)采空區(qū)內(nèi)各項(xiàng)氣體的含量進(jìn)行分析，具體注氮作業(yè)期間密閉采空區(qū)的CO含量如圖3所示。

圖3 密閉采空區(qū)注氮后CO和O2的含量

通過(guò)分析圖3可知，在2016年5月開(kāi)始密閉對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注氮作業(yè)，采空區(qū)注氮后CO的濃度迅速降低至《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的24ppm以下，雖然CO的含量存在著波動(dòng)，但僅僅在一定的范圍內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)，但及時(shí)的進(jìn)行注氮處理后，CO的濃度便又會(huì)迅速下降至24ppm以下，在2016年11月份由于一些原因致使未能進(jìn)行注氮作業(yè)，從而導(dǎo)致了CO的濃度達(dá)到850ppm，超過(guò)了規(guī)定值，在12月份將及時(shí)對(duì)密閉采空區(qū)進(jìn)行注氮作業(yè)后CO的濃度便又降低至20ppm的范圍內(nèi)，有效的控制了密閉采空區(qū)內(nèi)CO的含量；注氮作業(yè)后采空區(qū)氧氣的濃度基本穩(wěn)定在1%～8%的范圍內(nèi)；另外根據(jù)注氮期間各項(xiàng)氣體監(jiān)測(cè)可知N2濃度在注氮期間能夠迅速上升到95.6%，由于氮?dú)鉃槎栊詺怏w，其含量上升必然會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)的一氧化碳和氧氣的濃度下降，基于此可知注氮作業(yè)降低了密閉采空區(qū)內(nèi)CO和O2的含量。

4 結(jié) 論

針對(duì)回采完畢密閉的22109工作面采空區(qū)內(nèi)氣體的含量的監(jiān)測(cè)知采空區(qū)瓦斯一直處于超限狀態(tài)，為防止采空區(qū)氧化帶發(fā)生自燃，通過(guò)有效分析采空區(qū)注氮作業(yè)的理論，確定對(duì)22109工作面采空區(qū)采取注氮作業(yè)，根據(jù)注氮作業(yè)后采空區(qū)氣體的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，注氮方案實(shí)施后N2的含量基本穩(wěn)定在95%左右，采空區(qū)內(nèi)的CO的濃度降低至20ppm以下，基于此可知采空區(qū)注氮作業(yè)有效的解決了密閉采空區(qū)CO超限的問(wèn)題，為礦井的安全生產(chǎn)提供了保障。