王磊

（國(guó)家能源集團(tuán) 新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引 言

急傾斜特厚煤層常采用水平分段綜放開(kāi)采的采煤方法，造成采空區(qū)遺留大量浮煤，在采空區(qū)漏風(fēng)供氧條件下，工作面極易出現(xiàn)自然發(fā)火危險(xiǎn)。工作面回采期間，若采用隨采隨灌防滅火技術(shù)，容易造成巷道底頂板垮塌變形和工作面頂部大量淋水，惡化作業(yè)環(huán)境和影響工作面安全生產(chǎn)。因此，水平分段綜采放頂煤工作面不適宜采用隨采隨灌技術(shù)。注氮惰化防滅火技術(shù)由于其工藝簡(jiǎn)單、操作方便，有較好的稀釋抑爆作用，已成為綜采放頂煤工作面回采期間防治采空區(qū)自然發(fā)火最常用的技術(shù)手段，該技術(shù)不僅能有效稀釋采空區(qū)氧氣濃度、降低浮煤氧化速度，而且注入的氮?dú)饪梢允共煽諈^(qū)形成正壓狀態(tài)，減少地面漏風(fēng)量，對(duì)采空區(qū)深部和高位火點(diǎn)都能起到較好的治理效果。然而，傳統(tǒng)的采空區(qū)埋管注氮是將制氮機(jī)排出的高溫或常溫氮?dú)庵苯幼⑷敕阑?、滅火區(qū)域，注氮點(diǎn)在空間上存在間隔，致使氮?dú)庠诓煽諈^(qū)為非連續(xù)性分布，惰化所需氮?dú)饬看?；且?duì)采空區(qū)無(wú)降溫特性，不能有效消除采空區(qū)高溫點(diǎn)。單純的增大注氮量會(huì)造成防滅火成本增加、造成回風(fēng)隅角低氧等問(wèn)題，若采用液態(tài)氮汽化式或液氮直注式方法，通過(guò)地面鉆孔或井下運(yùn)輸液氮槽車將低溫氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)，可增大氮?dú)獾牧鲃?dòng)范圍、提高防滅火效果，但該工藝存在成本過(guò)高、流程復(fù)雜以及液氮?dú)饣菀讓?dǎo)致管路應(yīng)力變形等弊端，難以在井下大面積推廣應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)學(xué)者主要集中在如何優(yōu)化注氮口位置、注氮時(shí)間等參數(shù)而減少氮?dú)馐褂昧康妊芯?，?duì)回撤工作面低溫氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)研究較少。譬如，王坤在探究不同區(qū)注氮量條件下的采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律基礎(chǔ)上，優(yōu)化了采空區(qū)注氮參數(shù)，可有效降低注氮量。李宗翔等人基于CFD理論，利用流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件，研究了不同注氮量、注氮位置參數(shù)下采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律。丁香香等人運(yùn)用理論分析、CFD數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)分析等手段研究采用液氮直注式方式將低溫氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)后的降溫惰化效果，并得出了最佳注氮參數(shù)。

本文以烏東煤礦+469mB3+6回撤工作面為研究對(duì)象，在邁步式埋管注氮方式基礎(chǔ)上，利用井下氮?dú)庵苯永鋮s技術(shù)來(lái)研究低溫氮?dú)鈱?duì)采空區(qū)三帶、溫度場(chǎng)、漏風(fēng)及采空區(qū)氣體成分等影響，并驗(yàn)證其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，為工作面安全回撤提供一種新的技術(shù)保障措施。

1 回撤工作面概況

烏東煤礦+469mB3+6工作面采用水平分段綜采放頂煤采煤法，走向長(zhǎng)度1 795 m，煤層平均厚度50.6 m，煤層傾角在3°~7°，屬急傾斜特厚煤層。工作面開(kāi)采階段高度26 m，機(jī)采采高3.2 m，放頂高22.8 m，放頂煤采放比1∶7.125。通風(fēng)方式采用“U”型全負(fù)壓通風(fēng)，B6巷為進(jìn)風(fēng)巷，B3巷為回風(fēng)巷。B3+6煤層屬于容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期為3 d。

末采期間，利用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和采空區(qū)分布式測(cè)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”范圍劃分，結(jié)果為進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶為0~11 m，氧化帶為11~31 m，31 m之后為窒息帶；回風(fēng)側(cè)散熱帶為0 3.2 m，氧化帶為3.2~22 m，22 m之后為窒息帶。

工作面末采期間采取連續(xù)開(kāi)區(qū)注氮方式，氮?dú)鉂舛?8.5%，氮?dú)饬靠刂圃?50 m3/h左右。工作面進(jìn)風(fēng)巷鋪設(shè)1趟φ108 mm注氮管路，采空區(qū)預(yù)埋兩趟注氮管路，距離12 m。采空區(qū)注氮管路布置方式為，第一趟管路與順槽注氮主管路連接，使用φ108 mm無(wú)縫鋼管、末端m施工花眼，隨推進(jìn)埋入采空區(qū)15 m左右時(shí)，開(kāi)始注氮、27 m時(shí)停止注氮；在第一趟注氮管埋入架后12 m時(shí)預(yù)埋第二根注氮管，當(dāng)?shù)诙⒌苈袢?5 m后開(kāi)始注氮，同時(shí)停止第一根鋼管的注氮，如此反復(fù)安裝管路，確保注氮管路出口始終在采空區(qū)氧化帶范圍內(nèi)。采空區(qū)自燃“三帶”分布如圖1所示。

圖1 采空區(qū)自燃“三帶”分布圖Fig.1 Distribution map of spontaneous combustion'three zones'in goaf

2 氮?dú)饫鋮s裝置及安裝方案

2.1 結(jié)構(gòu)與原理

氮?dú)饫鋮s裝置利用制冷原理，將制冷機(jī)組與井下防爆技術(shù)相結(jié)合研制出的可移動(dòng)輪軌式礦用防爆氮?dú)饫鋮s機(jī)。冷氮機(jī)的單螺桿式制冷壓縮機(jī)由防爆電機(jī)驅(qū)動(dòng)、壓縮制冷劑通過(guò)換熱器（蒸發(fā)器、冷凝器）換熱使制冷劑產(chǎn)生相變。在蒸發(fā)器中，蒸發(fā)的制冷劑吸熱形成制冷效應(yīng)，經(jīng)與高溫的氮?dú)鈸Q熱，使氮?dú)庥伞?0℃冷卻到0~-30℃以下，熱量經(jīng)風(fēng)冷冷凝器帶走，實(shí)現(xiàn)氮?dú)饫鋮s的目的。冷卻機(jī)由防爆電機(jī)、制冷壓縮機(jī)、多級(jí)板式蒸發(fā)器、風(fēng)冷冷凝器、膨脹閥及防爆開(kāi)關(guān)等組成，所有部件安裝在可移動(dòng)車內(nèi)，底盤(pán)采用符合煤礦各種軌距要求的輪軌結(jié)構(gòu)，移動(dòng)自如。

2.2 設(shè)備參數(shù)

冷氮機(jī)控制采用智能型防爆控制器，操作控制在電子數(shù)碼顯示面板上進(jìn)行。氮?dú)饫鋮s機(jī)出廠時(shí)已全部連接好制冷壓縮機(jī)電機(jī)配線和控制回路配線，并經(jīng)過(guò)了絕緣測(cè)試及耐電壓試驗(yàn)，安裝現(xiàn)場(chǎng)接上動(dòng)力電源后即可運(yùn)轉(zhuǎn)。智能型防爆控制器具有狀態(tài)顯示、溫控設(shè)定、運(yùn)轉(zhuǎn)方式選擇及異常顯示等功能。氮?dú)饫鋮s機(jī)發(fā)生異常時(shí)，顯示面板自動(dòng)顯示異常原因信號(hào)，易于準(zhǔn)確地確定異常原因，并及時(shí)迅速排除故障。壓縮機(jī)采直接啟動(dòng)方式，確保壓縮機(jī)在低壓下平穩(wěn)啟動(dòng)。技術(shù)參數(shù)為氮?dú)饫鋮s流量1 000 m3/h，壓縮機(jī)電機(jī)功率37 kW，冷卻電機(jī)功率5.5 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速2 950 rpm/min。

2.3 安裝方案

氮?dú)饫鋮s裝置安裝在+469mB6巷設(shè)備列車處，使用平板車架設(shè)，隨開(kāi)關(guān)列車向外挪移。接入電壓電壓等級(jí)1 140 V，設(shè)備總功率42.5 kW。將巷道φ108 mm注氮管路連接至氮?dú)饫鋮s裝置的進(jìn)氣口，低溫氮?dú)獬隹谂c另一端φ108 mm注氮管路對(duì)接；埋入采空區(qū)的管路不做保溫處理，對(duì)出口至進(jìn)風(fēng)隅角內(nèi)φ108 mm注氮管路用聚乙烯防腐冷纏帶進(jìn)行保冷處理使管路與外界環(huán)境充分隔離，防止低溫氮?dú)饣厣?，確保氮?dú)饫鋮s效果。順槽管路聚氨酯保溫處理后，進(jìn)風(fēng)隅角管路外表面溫度為-20℃，使用熱電偶測(cè)定氮?dú)忉尫趴跍囟葹?12℃。氮?dú)饫鋮s裝置安裝示意如圖2所示。

圖2 氮?dú)饫鋮s裝置安裝示意Fig.2 Installation of Nitrogen cooling device

3 低溫氮?dú)鈱?duì)采空區(qū)影響分析

3.1 采空區(qū)三帶范圍變化規(guī)律

在工作面末采回撤期間，利用回風(fēng)側(cè)鋪設(shè)的四趟束管對(duì)回風(fēng)隅角和采空區(qū)的CO、O2氣體濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用測(cè)溫光纖對(duì)回風(fēng)側(cè)采空區(qū)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。1~15日注入20℃常溫氮?dú)猓?6日及以后冷卻裝置開(kāi)始連續(xù)運(yùn)行，每班對(duì)進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)冷卻氮?dú)庾⑷朦c(diǎn)溫度進(jìn)行記錄。

（1）注入低溫氮?dú)馇昂?，采空區(qū)三帶變化規(guī)律見(jiàn)表1。

表1 注低溫氮?dú)馇昂蟛煽諈^(qū)三帶范圍變化規(guī)律Table 1 Variation lawof three zones in goaf before and after low-temperature nitrogen injection

由表1可知，在注低溫氮?dú)夂?，采空區(qū)三帶范圍明顯縮小，且向支架后側(cè)前移。其中，注入低溫氮?dú)夂螅M(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶0~4.8 m，氧化帶4.8~15.2 m，窒息帶＞15.2 m；回風(fēng)側(cè)散熱帶0~1.5 m，氧化帶1.5~8.1 m，窒息帶＞8.1 m。

（2）注入常溫氮?dú)馄陂g，回風(fēng)側(cè)散熱帶CO濃度平均為15 ppm左右，氧化帶CO濃度平均為50 ppm左右，回風(fēng)隅角CO濃度平均為8 ppm左右。注入低溫氮?dú)夂?，回風(fēng)側(cè)散熱帶CO濃度平均為6 ppm左右，氧化帶CO濃度由冷卻前的50 ppm左右降至15 ppm左右，回風(fēng)隅角CO濃度平均為5 ppm左右。

由此可見(jiàn)，采空區(qū)注入低溫氮?dú)夂?，采空區(qū)散熱帶和氧化帶范圍明顯減小，不到注低溫氮?dú)馇暗囊话?，且采空區(qū)不同區(qū)域的CO濃度也顯著降低，表明了低溫氮?dú)鈱?duì)采空區(qū)三帶范圍及對(duì)自然發(fā)火有明顯抑制作用，提高工作面在末采回撤期間的安全性。

圖3 采空區(qū)溫度和氣體變化圖Fig.3 Diagram of temperature and gas change in goaf

3.2 采空區(qū)漏風(fēng)及溫度變化規(guī)律

（1）注入常溫氮?dú)馄陂g，每天對(duì)工作面進(jìn)、回巷風(fēng)量測(cè)定，計(jì)算出采空區(qū)平均漏風(fēng)量為12 m3/min。注入低溫氮?dú)夂?，采空區(qū)漏風(fēng)平均為5.8 m3/min。由此可知，采空區(qū)注入低溫氮?dú)夂髮?duì)減小采空區(qū)漏風(fēng)有顯著效果。

（2）注入常溫氮?dú)馄陂g，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)15 m處注氮出口處溫度為28.2℃左右、25 m處溫度為28.8℃左右，回風(fēng)隅角溫度為21℃左右。注入低溫氮?dú)夂?，設(shè)備出口氮?dú)鉁囟绕骄?30℃以下，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)15 m處注氮出口（距冷卻裝置150 m處）氮?dú)鉁囟葹?23℃左右，利用進(jìn)風(fēng)側(cè)預(yù)埋的光纖測(cè)得采空區(qū)25 m處溫度為5~10℃左右，回風(fēng)隅角溫度為14℃左右。

綜合上述，低溫氮?dú)鈱?duì)減小采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度和降溫有顯著效果?；仫L(fēng)側(cè)25 m處溫度下降至5~10℃，回風(fēng)隅角溫度降低7℃；采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度由12 m3/min降低至5.8 m3/min。

4 結(jié) 論

（1）注低溫氮?dú)夂螅煽諈^(qū)散熱帶和氧化帶范圍明顯縮小，且向支架后側(cè)前移，有利于采空區(qū)自然發(fā)火防治。

（2）采空區(qū)不同區(qū)域的CO濃度也顯著降低，表明低溫氮?dú)鈱?duì)采空區(qū)自然發(fā)火有明顯抑制作用，提高工作面在末采回撤期間的安全性。

（3）采空區(qū)注入低溫氮?dú)夂?，采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度由12 m3/min降低至5.8 m3/min；回風(fēng)側(cè)25 m處溫度下降至5~10℃，回風(fēng)隅角溫度降低7℃。