注氮技术在矿井防灭火的应用
基于色连二矿3－1#煤层自燃特点及12309工作面开采状况，综合运用开区旁路注氮技术和固氮技术，在传统的迈步式埋管注氮方式的基础上，成功将旁路注氮技术和固氮技术应用在3－1#自燃煤层自然防火的防治中。实践表明，12309工作面实施旁路注氮和固氮技术后，提高了采空区气体压力，减少了工作面漏风量，降低了采空区氧气浓度。采空区CO气体浓度始终控制在5×10－5以下，同时无其它烷烃、烯烃气体检出，有效解决“一面三巷”采煤工作面采空区深部防灭火问题。
关键词:自然发火;采空区“三带”;注氮防火技术;封堵;采空区漏风
随着矿井开采范围和规模逐渐扩大，采空区自然发火已成为威胁我国西部浅埋、易自燃煤层井工开采煤矿安全生产的主要因素之一。由于煤层赋存条件的复杂性、开采技术条件的特殊性以及大范围开采后采空区相互贯通增大了漏风供氧能力，煤矿防灭火压力比较大，因而如何实现自然发火高效管控，已成为困扰浅埋易自燃煤层井工开采煤矿安全生产的主要难题［1－6］。近年来，国内学者对注氮防灭火技术进行了大量研究，如刘文永［7］等在色连二矿12205工作面恢复开采后，为防止遗煤氧化自然，采用多点连续注氮的方式降低采空区氧气浓度;黄彦云［8］在红柳煤矿采空区监测区域内采取大量灌浆和连续性注氮措施，有效的抑制浮煤氧化自燃;罗利卜［9］成功地将旁路注氮技术应用在昊达煤矿Ⅳ－2自燃煤层自然发火防治中且防治效果显著;肖雪峰［10］通过注氮防灭火技术有效防止林南仓矿1227轻放工作面采空区遗煤的自燃且注氮5d后CO气体浓度大幅降低。尽管国内外一些学者对矿井注氮防火技术进行了一系列研究［11－15］，但注氮与固氮相结合的防火技术及其效果观测方面报道较少。同时，不少研究者在采用多种技术联合法治理采空区防灭火问题时，由于技术实施混杂，采空区局部仍存在微弱火源，无法实现全面防控的基本格局。为进一步优化防灭火技术路线的明确性和有针对性，针对色连二矿12309工作面煤层赋存条件、巷道布置、回采工艺等实际情况，在传统的迈步式埋管注氮方式基础上，利用开区旁路注氮技术和固氮技术相结合的防灭火技术，系统研究该结合技术对3－1#自燃煤层的防灭火效果，以期为进一步提高治理采空区自然发火问题提供理论支持。
1工作面概况及工作面采空区“三带”划分
1.1工作面概况色连二矿12309工作面布置在3－1#煤层，采用“一面三巷”布置方式，工作面走向长度240m，倾斜长度2819m，平均煤厚2.17m。采用“两进一回”的通风方式，采用综合机械化采煤法回采工作面，全部垮落法管理顶板。3－1#煤层自燃倾向性等级属Ⅰ类，属于容易自燃煤层，最短自然发火期为41d。12309采煤工作面每隔300m在主运巷与辅助运输巷之间设置联络巷，工作面推过前需在两巷道间的联络巷构筑密闭墙以封闭采空区。联络巷易受矿压影响易开裂漏风，容易造成采空区遗煤氧化自燃。传统迈步埋管式注氮方式无法向采空区深部注氮，无法有效的降低采空区深部的氧气含量。12309工作面在传统的注氮方式上，利用旁路措施管通过联络巷管路向采空区注氮，可以有效解决采空区深部防灭火问题，为易自燃中厚煤层“一面三巷”布置的综采工作面积累了宝贵经验。1.2工作面采空区“三带”划分12309工作面回采初期前200m范围，分析采空区内气体成分确定采空区内自然发火“三带”。采空区的气体成分采用埋管抽样检测，采空区气体成分测定范围大约距工作面150m左右，进、回风侧各3个测点，每侧两点间隔50m，进、回风巷同时观测。待氧气浓度低于5%以下，观测即可结束。“三带”观测取样束管布置如图1所示。综合氧气和CO气体浓度随采空区深度的变化规律和趋势来进行划分，划分的采空区自燃“三带”结果如图2所示。在12309工作面推进的过程中，回风侧10～30m是防灭火的重点区域，进风侧分布范围比较大，30～90m为防灭火的重点区域。
2注氮管路布置方式
2.1初采和正常回采期间12309综采工作面主运巷与辅助运输巷每隔300m施工1个联络巷，工作面推过前需在两巷之间的联络巷构筑密闭墙以封闭采空区。在传统迈步埋管式注氮的基础上，利用联络巷上预留的措施管向12309工作面采空区进行注氮。2.2临时终采及收作期间根据工作面采空区自然发火“三带”划分，采取深部与浅部注氮相结合的方式，在氧化带和散热带两个点分别埋设注氮管路。收作期间，注氮管路预埋应在采空区内距工作面停采位置至少100m的位置。能满足采空区深部防灭火的要求。在距工作面20m范围内，为确保链网上绳施工效果，在链网上绳期间工作面留顶煤回采，遗煤进入采空区，因此在采空区内距工作面停采位置15m位置也要预埋一路注氮管路，采取注氮措施，减缓采空区内浅部区域内遗煤氧化，降低CO浓度。注氮管路布置如图4所示。
3注氮措施实施后的固氮技术
3.1正常回采期间在全风压通风方式下，注入采空区的氮气会随漏风流场而汇出，试验研究表明，经采空区进、回风端流入或流出采空区的风量占漏风总量的57.8%～62.4%，因此，必须采用固氮技术对漏风重点区域进行封堵，12309采空区固氮技术采用封堵采空区漏风源和汇联合抑漏固氮方式，用黄土沙袋在进、回风端头构筑全断面临时密闭墙进行外部封堵，封堵频率为每周封堵1次(约为90～100m)。3.2收作期间工作面回采至终采线位置时，在两端头支架后方各施工一道黄土隔离墙，墙厚2m;进风端头施工注胶钻孔，在12309辅助运输巷内施工注胶钻孔。对进风巷道上隅角进行封堵，将隔离墙端头密闭严实。进风端头注胶封堵措施如图5所示。
4效果分析
旁路注氮技术在12309工作面实施后，通过在采空区内化验分析结果如图6所示，由图6可知，经过一段时间注氮，工作面推进度超过150m过程中，CO气体浓度始终控制在0.5‰以下，低于色连二矿制定的防灭火CO气体指标浓度，同时无其它烷烃、烯烃气体检出。
5结论
1)色连二矿实施注氮和固氮封堵相结合的方式，有效的遏制采空区自然发火。采空区CO气体浓度始终控制在0.5‰以下，同时无其它烷烃、烯烃气体。2)采用注氮和固氮封堵相结合的方式，提高采空区内气体压力，减少采空区漏风量，对于回采期间的密闭墙管理及回采过后的采空区防灭火工作带来益处。可以有效解决“两进一回”工作面采空区深部防火问题。
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作者：王臣凯 韩保音 薛巨云
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