臧燕杰，楊彥龍

（國家能源集團沙吉海煤礦，新疆 和布克賽爾 834411）

1 概況

沙吉海煤礦位于新疆和布克賽爾蒙古自治縣特大型煤田內(nèi)，行政區(qū)域隸屬和布克賽爾蒙古自治縣，距離縣城70 km。沙吉海煤礦井田面積為44 km2，可采儲量4.7億噸，設(shè)計生產(chǎn)能力5.0 Mt/a；采用2斜井1立井的綜合開拓方式；主要運輸采用帶式運輸機，輔助運輸為無軌膠輪車；通風(fēng)方法采用機械抽出式；通風(fēng)方式為中央分列式，主、副斜井進風(fēng)，立風(fēng)井回風(fēng)。

該礦目前開采B10煤層，該煤層為31號不粘煤、41號長焰煤，經(jīng)鑒定煤塵具有爆炸危險性，屬于容易自燃煤層（I類），煤層最短自然發(fā)火期45天。B10煤層平均厚度約6.8 m，煤層傾角為9°～16°，平均為13°，其頂、底板均為泥砂巖。工作面采用綜采放頂煤開采工藝，工作面斜長253 m，設(shè)計采高為3.2 m，采放比為1∶1.12。工作面沿傾向布置，順槽沿煤層頂板布置。工作面采用下行通風(fēng)，通風(fēng)方式為“U”型，設(shè)計風(fēng)量為1 251 m3/min，實際供風(fēng)1 300 m3/min。

2 礦井防滅火系統(tǒng)建設(shè)情況

沙吉海煤礦在立風(fēng)井工業(yè)廣場設(shè)有灌漿站及儲灰場，安裝ZLJ-60型灌漿設(shè)備2套（每套制漿能力為60 m3/h，1用1備）；副斜井工業(yè)廣場壓風(fēng)制氮車間安裝AH-GT-2000型制氮機2臺（每套制氮能力為2 000 m3/h，1用1備）；地面設(shè)有JSG-8型束管監(jiān)測系統(tǒng)1套，氣相色譜儀型號GC-2060，在+670 m水平變電硐室安裝1套JSG-5激光束管監(jiān)測系統(tǒng)，用于對采空區(qū)氣體連續(xù)實時監(jiān)測分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至地面智能化信息管控平臺；綜放工作面采空區(qū)預(yù)埋設(shè)鎧裝式測溫電阻3個（循環(huán)測溫）和光纖測溫系統(tǒng)。礦井建有完善的“防滅火”管理組織機構(gòu)，編制了相應(yīng)的礦井防滅火設(shè)計和綜放工作面防滅火設(shè)計、方案及安全技術(shù)措施。

3 綜放工作面防滅火工作現(xiàn)狀

在液壓支架尾梁附近沿工作面傾斜方向每間隔50 m，預(yù)埋一路全長（全斷面）注氮花管并連續(xù)注氮形成氮氣幕來預(yù)防采空區(qū)遺煤發(fā)火，設(shè)計注氮流量為908 m3/h［1-3］。沿工作面傾斜方向每間隔30 m埋設(shè)一趟注漿管路，管路長約20 m，注漿管打滿花眼，易于漿液滲流，設(shè)計每次灌漿量為84 m3。結(jié)合工作面實際生產(chǎn)狀況，每天夜班在上、下端頭15 m范圍區(qū)域進行噴灑阻化劑。

依據(jù)工作面采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”［4-6］范圍及寬度埋設(shè)束管采樣器，每天利用JSG-5自然發(fā)火在線監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)氣體進行連續(xù)抽樣分析，預(yù)測采空區(qū)是否存在發(fā)火征兆。采空區(qū)溫度監(jiān)測主要以分布式光纖在線測溫系統(tǒng)為主，鎧裝測溫電阻作為輔助監(jiān)測手段，工作面采空區(qū)鋪設(shè)測溫光纖，可對工作面采空區(qū)溫度進行實時在線監(jiān)測［7］。

雖然采取了以上綜合防滅火措施，但工作面采空區(qū)煤層自燃治理效果不明顯，B1003W03工作面生產(chǎn)時采空區(qū)及回風(fēng)隅角CO濃度居高不下，回風(fēng)隅角CO濃度最高時達180 ppm［8-9］。

4 工作面采空區(qū)CO濃度過高原因分析

1）B1003W03工作面受過地質(zhì)構(gòu)造影響，直接頂砂巖受淋水浸泡變的軟化、松散，為加強頂板管理，使得托頂煤變厚，回采期間減少放頂煤，易造成采空區(qū)存有大量遺煤。根據(jù)B1003W03工作面作業(yè)規(guī)程，工作面機采回采率為93%，放煤回采率為70%，綜合回采率為75%。工作面回風(fēng)順槽和進風(fēng)順槽沿煤層頂板掘進，巷道高度分別為3.65 m和3.75 m，寬度均為5.4 m。工作面支架具體布置如圖1所示。

圖1 工作面與上、下順槽銜接

（1）工作面下部端頭：采用布置“鍋底坑”的方式連接回風(fēng)順槽，具體為1#～4#液壓支架按照0°布置，5#～12#液壓支架由0°逐步抬升至9°，之后液壓支架沿工作面底板正常布置。

（2）工作面上部端頭：采用增大工作面傾斜角度的方式連接進風(fēng)順槽，具體為：133#～136#支架傾斜角度由9°逐步抬升為11°，之后137#～148#支架按照傾斜角度13°布置至W03工作面進風(fēng)順槽上幫。

（3）工作面中間段：13#～132#支架傾斜布置平均角度為9°。

2）開采強度增加，工作面揭露煤體及采空區(qū)遺留浮煤增加。

隨著礦井產(chǎn)能的逐步釋放，B1003W03工作面開采期間日產(chǎn)量較B1003W01、B1003E02工作面實現(xiàn)了跳躍式增長，由于開采強度的大幅增加，每天揭露煤體及采空區(qū)遺留的浮煤明顯增多，揭露的煤體及遺留的浮煤氧化后造成CO濃度升高。

3）B1003W03工作面開采標(biāo)高抬升并位于上部含水層靜水位之上，直接頂板淋水減少，自然灌漿優(yōu)勢消失。

在B1003W01、B1003E02工作面開采期間，兩工作面均位于西山窯組含水層靜水位之下，回采后煤層泥巖、含水砂巖等直接頂板冒落并隨著含水砂巖內(nèi)賦存水釋放，泥巖崩解、沙化，形成立體式自然灌漿，減緩了采空區(qū)遺煤低溫氧化速率。根據(jù)當(dāng)前水文觀測，上部西山窯組含水層靜水位正處于B1003W03工作面兩順槽之間，工作面淋水減少，自然灌漿優(yōu)勢消失［10］。

4）工作面采用下行通風(fēng)及端頭支架支護，減弱了通風(fēng)對CO濃度的稀釋作用。

一是B1003W03工作面采用下行通風(fēng)，風(fēng)流方向與自然風(fēng)壓方向相反，不利于CO氣體稀釋排出。二是工作面下端頭采用端頭支架支護，采空區(qū)方向支護面積較寬，回風(fēng)隅角面積增大。同時由于工作面支架工作阻力有限，立柱行程長期處于低位狀態(tài)，通風(fēng)斷面減小。以上因素造成B1003W03工作面回風(fēng)隅角區(qū)域渦流區(qū)增加，該區(qū)域CO氣體不易被風(fēng)流稀釋排出，致使CO氣體積聚。

5 對現(xiàn)有防滅火措施的改進

由于B1003W03工作面采取綜合防滅火措施后，工作面回風(fēng)隅角CO治理效果不明顯，為了降低工作面回風(fēng)隅角CO濃度，確保工作面采空區(qū)防滅火效果，決定引進氮氣冷卻裝置［11］進行采空區(qū)注氮。

1）裝置組成：采用ZLDOG-1500G型煤礦用氮氣冷卻裝置，該裝置由單螺桿壓縮、風(fēng)冷式冷凝器、油氣分離器、膨脹閥、蒸發(fā)器及防爆電氣設(shè)備等組成，防爆電器應(yīng)具有防爆合格證及安標(biāo)證。

2）冷氮裝置管路安裝：根據(jù)沙吉海煤礦地面現(xiàn)有的注氮系統(tǒng)，主管路采用DN159×4.5無縫鋼管由制氮機沿綜合管溝至主斜井、清理撒煤斜巷、檢修平巷至運輸石門，支管采用DN108×4無縫鋼管由運輸石門、軌運石門B10聯(lián)絡(luò)巷、軌道上山、B1003W03進風(fēng)順槽到工作面；在工作面設(shè)備列車前200 m處安裝“一變四”控制閥門以便使預(yù)埋管進入預(yù)定地點時進行開啟。設(shè)計在B1003W03工作面進風(fēng)順槽設(shè)備列車尾部安裝1臺氮氣制冷裝置，制冷能力1 500 m3/h，制冷溫度-30℃，用高壓軟管連接氮氣管路，氮氣經(jīng)制冷裝置冷卻后注入采空區(qū)［12］。

注氮管路埋設(shè)選用?50 mm阻燃聚乙烯管，每根注氮管間隔1 m布置2個?10 mm的氮氣擴散孔。注氮管路沿進風(fēng)順槽外側(cè)鋪設(shè)，在液壓支架尾梁附近以90°彎拐向采空區(qū),沿工作面傾斜方向，預(yù)埋一趟全長注氮花管并連續(xù)注氮形成氮氣幕來預(yù)防采空區(qū)遺煤發(fā)火。注氮管孔口不可向上，需將花管加以保護，防止浮煤堵塞注氮孔,注氮管路末端用風(fēng)筒布封堵。全長注氮花管埋設(shè)步距：根據(jù)采空區(qū)“三帶”測定結(jié)果，工作面正?；夭蓵r（≥1.6 m/d）采空區(qū)埋設(shè)注氮管間距為50 m，回采速度較慢時（＜1.6 m/d）采空區(qū)埋設(shè)注氮管間距為30 m，當(dāng)注氮管進入采空區(qū)20 m時開始注氮，進入采空區(qū)63.6 m后停止注氮［13］，如圖2所示。

根據(jù)工作面采空區(qū)煤層自燃“三帶”劃分：散熱帶：進風(fēng)側(cè)0～20 m，回風(fēng)側(cè)0～9 m；氧化帶：進風(fēng)側(cè)范圍為20～63.6 m，回風(fēng)側(cè)范圍為9～53.6 m；窒息帶：進風(fēng)側(cè)＞63.6 m，回風(fēng)側(cè)＞53.6 m，具體劃分如圖3所示。

圖2 采空區(qū)注氮管路布置

圖3 采空區(qū)“三帶”劃分范圍

3）注氮流量計算

按《煤炭礦井設(shè)計防火規(guī)范》（GB 51078-2015），計算公式為：

式中：QN為注氮流量，m3/h；Q0為采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量，m3/min；C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)平均氧濃度，取13%；C2為采空區(qū)惰化防火指標(biāo)，取7%；CN為注入氮氣中的氮氣濃度，取98%；k為備用系數(shù)，一般為1.2～1.5，取1.2。

根據(jù)沙吉海煤礦工作面采空區(qū)實際情況，正常開采時采空區(qū)漏風(fēng)量取12.6 m3/min，代入上式可得注氮流量為908 m3/h。

6 應(yīng)用效果

圖4 1#測點低溫注氮前后CO變化

圖5 2#測點低溫注氮前后CO變化

圖6 3#測點低溫注氮前后CO變化

圖7 回風(fēng)隅角測點低溫注氮前后CO變化

通過ZLDOG-1500G型氮氣冷卻裝置在B1003W03工作面試用，氮氣降溫后對工作面采空區(qū)的防滅火效果明顯，回風(fēng)隅角20 m范圍氮氣溫度最低為-18℃左右，利用回風(fēng)巷預(yù)埋地測溫光纖，測得回風(fēng)巷采空區(qū)內(nèi)35 m處溫度最低為10.5℃左右，采空區(qū)0～60 m范圍內(nèi)總體溫度降低5℃～8℃，采空區(qū)48 m范圍內(nèi)CO濃度由冷卻前的300 ppm左右降至50 ppm，低溫氮氣的注入對于抑制采空區(qū)遺煤氧化效果顯著［14-16］；采取在回風(fēng)隅角設(shè)置導(dǎo)風(fēng)簾等輔助措施，進而使工作面回風(fēng)隅角CO濃度降到10 ppm左右，有效降低采空區(qū)遺煤自然發(fā)火隱患。在B1003W03工作面采空區(qū)注氮防滅火技術(shù)應(yīng)用過程中通過相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、分析，為采空區(qū)自然發(fā)火防治提供技術(shù)指導(dǎo)［17-18］。B1003W03工 作 面 采 空 區(qū) 以 及 回 風(fēng) 隅 角CO濃度變化如圖4～圖7所示。

7 結(jié)語

B1003W03綜放工作面采用連續(xù)低溫注氮防滅火技術(shù)后，采空區(qū)未出現(xiàn)自然發(fā)火征兆，該技術(shù)為工作面采空區(qū)防滅火奠定了基礎(chǔ)；同時也解決了在工作面末采和支架回撤過程中采空區(qū)防滅火技術(shù)的難題，確保了礦井安全高效生產(chǎn)。經(jīng)過初步計算，B1003W03綜放工作面采用連續(xù)低溫注氮防滅火技術(shù)，防滅火工程量大幅度減少，節(jié)約防滅火經(jīng)費200余萬元，且工作面有效采煤時間增加，多采出煤炭資源約0.15 Mt，為礦井實現(xiàn)增效4 000余萬元，經(jīng)濟效益顯著。