鄒宗旺， 張繼濤

(山東唐口煤業(yè)有限公司， 山東 濟(jì)寧 272000)

1 前言

我國大部分煤礦為高瓦斯礦井，因此在開采結(jié)束后采空區(qū)內(nèi)部仍然留有大量高濃度瓦斯，具有極大的安全隱患。已開采空區(qū)極易受到臨近采空區(qū)巷道掘進(jìn)的影響而發(fā)生相互貫通，此時(shí)新鮮風(fēng)流不斷涌入采空區(qū)，而瓦斯不斷溢出至掘進(jìn)工作面，極易發(fā)生掘進(jìn)工作面瓦斯超限以及采空區(qū)遺煤自燃的危險(xiǎn)。瓦斯抽采是瓦斯治理的根本措施[1-2]。進(jìn)行采空區(qū)低負(fù)壓瓦斯抽采會(huì)在工作面、采空區(qū)抽采區(qū)域間形成漏風(fēng)動(dòng)力及漏風(fēng)通道，將增大采空區(qū)漏風(fēng)，加速遺煤氧化進(jìn)程。采空區(qū)注氮驅(qū)替瓦斯技術(shù)是防治自燃和抑制瓦斯爆炸的有效技術(shù)手段，因此，本文就注氮驅(qū)替瓦斯技術(shù)針對唐口煤礦6309巷道掘進(jìn)期間進(jìn)行了應(yīng)用，分析了注氮驅(qū)替瓦斯技術(shù)的原理、效果及其實(shí)用性。

2 工程概況

6308綜采工作面是唐口煤礦六采區(qū)第八個(gè)綜放工作面，該工作面于2017年回采結(jié)束并密閉。6309軌道巷掘進(jìn)工作面為沿空掘進(jìn)工作面，巷道向北5 m為6308采空區(qū),6309軌道掘進(jìn)期間緊臨6308采空區(qū)。6308與6309工作面位置如圖1所示。

圖1 6308與6309工作面位置圖

6309軌道在施工期間，由于所留煤柱過窄，在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的采動(dòng)裂隙極易與6308采空區(qū)相互貫通，從而使得6308工作面瓦斯通過采動(dòng)裂隙不斷滲透至巷道掘進(jìn)工作面，同時(shí)使得巷道掘進(jìn)期間工作面瓦斯?jié)舛瘸抟约?308采空區(qū)遺煤發(fā)生復(fù)燃。

3 軌道巷掘進(jìn)期間危險(xiǎn)因素分析

3.1 煤柱危險(xiǎn)性分析

6308采空區(qū)與6309軌道巷道僅留有5 m煤柱，煤柱標(biāo)高990 m，煤柱在高地壓高應(yīng)力的情況下極易發(fā)生破碎。同時(shí)，軌道巷道掘進(jìn)期間，產(chǎn)生的高地壓與高應(yīng)力互相重合，進(jìn)而加劇了煤柱中裂隙的擴(kuò)展。因此，在6309軌道巷道掘進(jìn)期間，煤柱內(nèi)會(huì)發(fā)生壓酥破碎的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生漏風(fēng)通道。

3.2 6308采空區(qū)遺煤自燃危險(xiǎn)性分析

主采煤層為Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為62天。且煤層成分以亮煤為主，煤層整體易破碎，其氧化面積增大，與氧氣接觸后放出大量熱。且伴隨著深度的增加，地溫逐漸增加，6308工作面埋深近千米，其采空區(qū)后部溫度為30 ℃～40 ℃。同時(shí)，松散煤體蓄熱性好，熱量不易散失，易形成自燃點(diǎn)。

3.3 6308采空區(qū)瓦斯含量豐富

6308煤層瓦斯含量為5.6 m3/t，受采動(dòng)影響，6308工作面煤層不斷破碎。并且煤層成分為亮煤，開采后煤體破碎程度更明顯。在工作面撤面后，采空區(qū)仍留有大量遺煤，破碎遺煤瓦斯不斷解吸附，并充滿采空區(qū)。當(dāng)煤柱受采動(dòng)應(yīng)力影響而導(dǎo)致煤柱壓酥破碎后，6308采空區(qū)內(nèi)部瓦斯極易通過煤柱漏風(fēng)通道涌入6309軌道巷掘進(jìn)工作面，從而威脅工作面作業(yè)人員的安全。

4 注氮驅(qū)替技術(shù)原理

氮?dú)馐且环N無色、無味、無臭的氣體，其性質(zhì)穩(wěn)定，不助燃、不易燃，不與煤發(fā)生發(fā)反應(yīng)，是井下常見的一種用于防滅火方面的惰性氣體。井下所需N2，由制氮機(jī)DM600分離氧氣而得。其原理為利用空氣中不同組分在高分子材料上的擴(kuò)散系數(shù)大小不同而達(dá)到氣體分離的物理過程[3-5]。

制得氮?dú)馔ㄟ^管路或氣體擴(kuò)散形式，利用制氮時(shí)的壓力，將氮?dú)庾⑷?308采空區(qū)內(nèi)部。其作用機(jī)理:①注入過量氮?dú)獾倪^程中，同時(shí)采用瓦斯抽放泵不斷對注氮采空區(qū)進(jìn)行氣體抽放，將易爆的高濃度瓦斯置換出來，達(dá)到防止瓦斯爆炸以及防治高濃度瓦斯向軌道掘進(jìn)工作面過量溢出的目的；② 氮?dú)饩哂薪禍?、隔離氧氣的作用，因此對采空區(qū)火災(zāi)具有抑制作用。

采用數(shù)值模擬研究氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)后對火災(zāi)的抑制情況如圖2所示。初始流速為500 m/s，注入壓力0.85 MPa。液氮注入后采空區(qū)內(nèi)溫度迅速下降。由2圖可知，液氮注入1 h后距離采空區(qū)3 m范圍內(nèi)的溫度降到50 ℃以下。氮?dú)鉁缁?、降溫效果明顯。

圖2 采空區(qū)注入氮?dú)夂? h溫度場云圖

5 注氮驅(qū)替技術(shù)方案

采空區(qū)注入氮?dú)馀c抽出氣體混合量為1∶1.2.根據(jù)DM- 500注氮機(jī)每小時(shí)制氮量500 m3，瓦斯抽放泵每小時(shí)抽氣量為1 800 m3計(jì)算，確定每班注入采空區(qū)氮?dú)? h，采空區(qū)瓦斯抽放1.5 h。

氮?dú)獠捎妹禾靠茖W(xué)研究總院撫順分院生產(chǎn)的DM- 500膜分離注氮機(jī)制備而得，注氮壓力0.85 MPa，氮?dú)饬髁?00 m3/h[6-9]。注氮機(jī)位于原6308施工巷道進(jìn)風(fēng)流中。經(jīng)由以下線路注入6308采空區(qū)，管路直徑尺寸為50 mm。M- 500制氮裝置由空氣預(yù)處理段、空壓機(jī)段、膜分離段三部分組成。移動(dòng)制氮設(shè)備主要部件圖如圖3所示。

圖3 移動(dòng)制氮設(shè)備的三大主要組件圖

1)巷道里段掘進(jìn)期間注氮

注氮線路：注氮機(jī)→6308施工道→6309一路聯(lián)絡(luò)巷→6309皮帶巷道→6309二路聯(lián)絡(luò)巷→6309軌道巷道里段→注氮鉆孔→6308采空區(qū)[10]。

2)巷道外段掘進(jìn)期間注氮

注氮線路：注氮機(jī)→6308施工道→6309軌道巷道外段→注氮鉆孔→6308采空區(qū)。

瓦斯抽放泵站安設(shè)在原6308施工巷道進(jìn)風(fēng)流中，采用ZWY- 60/90型水環(huán)真空泵，極限真空度150 hPa，最大抽氣量為60 m3/min，電機(jī)功率90 kW。

高位鉆孔布置方案如下：當(dāng)6309軌道巷道從里段掘進(jìn)(從6309二路聯(lián)絡(luò)巷向里沿空掘進(jìn))，高位鉆孔布置方法為第一個(gè)高位鉆孔從6309二路聯(lián)絡(luò)巷門口向里50 m施工，依次向里每隔200 m施工一個(gè)高位鉆孔。當(dāng)6309軌道巷道外段開始掘進(jìn)時(shí)，高位鉆孔布置方式為外段第一個(gè)鉆孔從6309第一聯(lián)絡(luò)巷門口向里50 m施工，依次向里每隔200 m施工一個(gè)高位鉆孔。

6 注氮驅(qū)替技術(shù)效果分析

通過觀察6309掘進(jìn)工作面回風(fēng)隅角注氮前后瓦斯日報(bào)表，可以清楚的看到，注氮前后瓦斯和一氧化碳濃度隨著注氮量的提高被逐步驅(qū)替。注氮前后災(zāi)害氣體濃度對比如圖4所示。由圖可知，注氮后，上隅角CO、瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)下降的趨勢，下降后均為出現(xiàn)超限現(xiàn)象，CO2濃度整體下降。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，CO濃度下降了78%，瓦斯?jié)舛认陆盗?6%，CO2濃度下降了到0，下降率為100%。綜上所述，注氮后工作面上隅角未出現(xiàn)災(zāi)害氣體超限現(xiàn)象。

圖4 注氮前后災(zāi)害氣體濃度對比曲線圖

7 結(jié)論

通過本次6308采空區(qū)氮?dú)怛?qū)替技術(shù)的應(yīng)用，對6308采空區(qū)共抽放瓦斯300萬m3，CO 100萬m3，并注氮450萬m3，注氮后進(jìn)行了相關(guān)效果考察，得到以下結(jié)論：

(1)完整陳述了注氮工藝流程，通過數(shù)值模擬分析了注氮后有效抑制了距離工作面3 m范圍內(nèi)的自燃火災(zāi)。

(2)進(jìn)行注氮工藝實(shí)施后，進(jìn)行了效果考察，結(jié)果顯示：注氮后CO濃度降低了CO濃度下降了78%，瓦斯?jié)舛认陆盗?6%，CO2濃度下降了100%。

綜上所示，注氮滅火工藝有效解決了6309工作面自燃發(fā)火的情況，保證了礦井安全生產(chǎn)。