連續開區注氮對采空區自燃“三帶”分布特征的影響

王 帥

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

礦井火災作為5 大災害之一，對煤礦安全生產帶來嚴重威脅[1-3]。截至2018 年12 月底，我國現有生產礦井3 373 座，核定產能35.3 億t/a[4]。由于煤層賦存條件的復雜性和開采技術條件的特殊性，火災重特大事故仍時有發生，其中煤炭自燃引起的火災占70%以上，逐漸成為制約我國礦井安全生產的主要瓶頸之一[5-7]。

注氮惰化防滅火技術由于其具有工藝簡單、操作方便，有優良的阻燃阻爆性能，逐漸成為我國自然發火礦井的主要防滅火技術手段[8-10]。近年來，國內外科研院所及高校先后研發了基于變壓吸附[11]與膜分離[12]原理的2 種類型的制氮機；同時，根據使用地點的不同，又設計了地面固定式與井下移動式兩種不同安裝形式的制氮系統[13-14]。制氮系統通過埋管或鉆孔的方式注入采空區內，起到稀釋氧氣，降低溫度的作用。但由于大量氮氣的注入使得采空區滲流場與氣體濃度場發生了明顯改變，需要因地制宜的開展注氮條件下的采空區自然發火危險區域劃分，進而優化注氮參數，為防滅火技術措施的采取提供依據[15-16]。基于此，以大興煤礦南五902 綜采工作面為研究對象，探究不同開區注氮量條件下的采空區自燃“三帶”分布規律，為合理優化采空區注氮參數提供依據。

1 工作面概況

大興礦南五902 工作面位于南五采區東部，工作面走向長1 118 m，傾向長160 m，采用走向長壁后退式采煤法，綜合機械化采煤工藝，自然垮落法處理采空區。工作面采用“U”型通風方式，風量1 100 m3/min。工作面所采9#煤層，平均煤厚為1.79 m，經鑒定為Ⅰ類易自燃煤層，最短自然發火期僅30 d 左右。回風巷掘進期間在 40～320 m 處發現 0.4～2.1 m火成巖巖床，回風巷火成巖從煤層底板侵入，在191～240 m 處逐漸過渡到煤層頂板，嚴重影響工作面推進速度，給工作面自然發火防治工作帶來挑戰。

因此，工作面回采初期設計采取以連續開區注氮為主的防滅火技術措施，利用地面固定式碳分子篩制氮機組，沿運輸巷鋪設2 趟注氮管路，其中第1趟管路出口距離切眼30 m，第2 趟管路出口距離切眼60 m。當第1 趟注氮管出口進入采空區30～60 m區域時進行注氮，超出60 m 范圍后停止注氮，并斷開第1 條注氮管，改由第2 條注氮管進行注氮，如此循環，直至工作面回采結束。初始注氮量為1 500 m3/h，24 h 連續開區注氮，氮氣濃度大于97%。

2 采空區自燃“三帶”劃分依據及測定方案

2.1 煤自然發火臨界氧濃度

目前，根據煤氧復合理論，可將采空區自然發火危險區域劃分為“三帶”，即散熱帶、氧化帶以及自燃帶。根據自燃“三帶”劃分方法的不同主要有3種：采空區漏風風速劃分、氧濃度劃分和溫度劃分[17]。氧濃度劃分方法因其操作簡單、取樣方便、數據可靠等優點，逐漸成為煤炭行業應用最為廣泛的測定方法。采用氧濃度φ（O2）劃分方法測定采空區自燃“三帶”時，一般通過預埋管路對采空區各點氣體進行動態取樣分析，獲得各測點氧氣含量的大小，表征該地點供氧與蓄熱升溫條件，進而判定煤體自然發火的可能性。其劃分標準如下：散熱帶：φ（O2）＞18%；氧化帶：18%≥φ（O2）≥φ（O2）L；窒息帶：φ（O2）≤φ（O2）L。φ（O2）L為煤體自然發火臨界氧濃度，當氧氣濃度低于該值時，煤氧復合反應得到有效抑制，因此可以將其作為氧化帶與窒息帶的界限值。

為準確測定大興煤礦9#煤層自然發火臨界氧濃度，選取南五902 工作面新鮮暴露的煤體為研究對象，利用自主研發的煤自然發火模擬實驗裝置，分別開展 O2濃度 20.9%、10.0%以及 7.0%條件下的煤氧化氣體產物及熱力學特性實驗研究。實驗基本參數如下：粒度：100 目（＜0.15 mm）；質量：1 g；供氣流量：100 cm3/min；升溫速率：25～80 ℃為 0.5 ℃/min，80～201 ℃為 1.0 ℃/min，201～300 ℃為 2.0 ℃/min；取樣間隔時間：20 min/次。

不同O2濃度條件下CO 氣體產物與煤溫關系曲線如圖1。當煤體溫度超過50 ℃后，各氧氣濃度條件下均檢出CO，且隨煤體溫度升高CO 濃度呈現先上升后下降的規律。其中，供氧濃度20.9%時，CO產生速率最快，濃度最高可達2 582×10-6；供氧濃度10.0%時，CO 產生速度開始放緩，最高濃度1 739×10-6；供氧濃度 7.0%時，CO 產生速率最低，最高濃度1 289×10-6。

不同O2濃度條件下熱力學特征曲線如圖2。供氧濃度20.9%時，煤體發生劇烈氧化，使得煤體溫度高于實驗爐溫度，最高可達487 ℃；而當供氧濃度10.0%時，煤體溫度平穩升高，并未出現劇烈氧化現象，說明該氧氣濃度條件下，煤的氧化反應開始受到抑制，最高溫度413 ℃；當氧氣濃度7.0%時，煤體溫升速率進一步減緩，最高溫度391 ℃。

圖2 不同氧氣濃度下熱力學特性曲線Fig.2 Thermodynamic characteristics of different oxygen concentrations

通過實驗結果分析表明，與O2濃度20.9%相比，O2濃度 10.0%時，其 CO 產生速率、CO 最高濃度以及最高反應溫度均呈現大幅度下降規律，煤體氧化進程開始減緩，且未出現劇烈氧化現象，說明煤體自然氧化受到抑制；而當O2濃度降低至7.0%時，煤體氧化進程進一步放緩，但降幅明顯降低，說明O2濃度的降低對于煤自然氧化的影響開始減弱，因此最終確定9#煤層自然發火臨界氧濃度為7%。

2.2 采空區自燃“三帶”測定方案

南五902 工作面形成后，在回風巷內，自開切眼向外間隔20 m 設置1 趟取樣束管，取樣口依次編號1#～10#，采空區束管測點布置如圖3。為防止束管被垮落后的頂板砸斷或堵塞，設計采用“φ100 mm無縫鋼管+三通連接頭+篩管”的束管保護裝置，其中無縫鋼管長8 m；三通連接頭水平段長2 m，豎直段長1 m；篩管上0.5 m。取樣束管穿入保護裝置后沿巷道外幫側底板布置，束管取樣口通過三通連接頭放入篩管中，取樣口連接束管采樣器，防治粉塵及水蒸氣進入束管，篩管沿巷幫固定，并用木垛加以保護。束管編號后依次向外延伸至巷道口位置，隨工作面推進，取樣點依次進入采空區，通過巷道內設置的取樣泵依次抽取束管內氣體進行取樣分析。

圖3 注氮管路及束管布置示意圖Fig.3 Schematic layout of nitrogen injection pipeline and beam tube

為優化采空區注氮參數，分別選取1 500、1 200 m3/h 以及1 000 m3/h 3 種注氮量測試方案，開展不同注氮量采空區惰化效果考察。隨工作面推進，注氮管路依次進入采空區，待第1 條注氮管進入采空區30 m 范圍后，開始首次注氮，注氮量1 500 m3/h。同時，通過回風側預埋束管進行采空區氧氣濃度監測，待采空區束管測點氧氣濃度穩定降至7%以下時，則改變注氮量，進行下一方案的惰化效果考察，循環往復，直至完成全部3 種注氮量條件下的采空區自燃“三帶”分布規律測定工作。

3 采空區氣體測試結果

3.1 采空區CO濃度變化規律

南五902 工作面3 種注氮量條件下采空區各地點CO 變化規律如圖4。隨工作面推進，采空區內遺煤逐漸氧化產生CO，但由于采空區淺部漏風較大，遺煤氧化時間短，因此CO 濃度維持在較低水平并緩慢升高，不同注氮量對該區域CO 濃度變化影響不大；工作面繼續推進，采空區測點依次進入氧化帶與窒息帶范圍，遺煤氧化產生的CO 濃度也呈現先升高后降低的變化規律，且隨著注氮量的降低，采空區CO 產生速率與最高濃度均呈升高的趨勢。

圖4 不同注氮量條件下采空區CO 濃度變化曲線Fig.4 Variation of CO concentration in goaf under different nitrogen injection conditions

注氮量1 500 m3/h 與1 200 m3/h 條件下，采空區CO 變化規律基本一致，CO 最高濃度分別出現在采空區距工作面 42.4 m 和 53.6 m 位置，最大值分別為 103×10-6和 126×10-6，隨工作面推進，CO 濃度緩慢降低并最終維持在10×10-6以下，且無其他自然發火標志氣體出現，說明以上2 種注氮方案均有效抑制煤體自然氧化。當采空區注氮量降至1 000 m3/h 后，隨工作面推進，采空區CO 濃度快速上升至195×10-6，且伴隨微量C2H4出現，說明采空區遺煤發生激烈氧化，后通過均壓通風、快速推進等手段，快速將隱患點甩入窒息帶內，成功處置該起隱患。

3.2 采空區O2濃度變化規律

南五902 工作面3 種注氮量條件下采空區各地點O2變化規律如圖5。隨工作面推進，采空區各測點氧氣濃度均呈現下降趨勢；其中注氮量越大，采空區氧氣濃度下降越快，氧化帶范圍越窄；但采空區注氮對O2濃度分布的影響范圍存在一定限制，受采空區漏風及注氮擴散半徑影響，注氮量對采空區淺部O2濃度下降作用并不明顯。

圖5 不同注氮量條件下采空區O2 濃度變化曲線Fig.5 Variation curves of O2 concentration in goaf under different nitrogen injection conditions

3.3 采空區自燃“三帶”分布規律及最優注氮量

按照采空區自燃“三帶”劃分方法，結合采空區各測點O2實測結果，獲得的3 種注氮量條件下采空區自燃“三帶”分布見表1。從表1 可以看出，不同注氮量條件下采空區散熱帶寬度變化不大；注氮量對采空區氧化帶范圍影響較大，采空區注氮量越大自燃帶范圍越短，1 500、1 200、1 000 m3/h 3 種注氮量條件下，采空區氧化帶寬度為 78.0、87.6、100.4 m。

根據煤氧復合理論，為避免采空區遺煤自然發火，遺煤在自燃帶內的時間應小于該煤層的自然發火期，則工作面最小推進度為[18]：

式中：Vmin為工作面最小推進度，m/d；Lmax為采空區氧化帶寬度，m；τmin為煤層最短發火期，d。

表1 不同注氮量條件下采空區自燃“三帶”對比Table 1 Comparison of“three zones”of spontaneous combustion in goaf under different nitrogen injection

南五902 工作面回采過程中，受火成巖侵入煤層影響，導致采空區遺煤增多，工作面推進速度緩慢，平均進尺 4 刀/d，割煤截距 0.8 m/刀，平均推進度3.2 m/d；根據鑒定結果表明，9#煤層自然發火期30 d；則采空區氧化帶寬度為＜96 m。

因此，南五902 工作面氧化帶寬度應小于96 m，根據自燃“三帶”測定結果，采空區注氮量1000 m3/h 時，氧化帶寬度為100.4 m，超出了最大氧化帶寬度范圍，易導致采空區自然發火，理論計算結果在現場實測中得到驗證，證明計算結果的準確性。在科學防火與經濟治災的前提下，結合實地考察的采空區惰化效果，最終確定采空區注氮量1 200 m3/h時，即可滿足工作面日常防火需要。

4 結 論

1）煤自然發火模擬實驗表明，氧濃度為7%時可以有效抑制9#煤層自然氧化進程，可作為氧化帶與窒息帶的劃分依據。

2）采空區連續開區注氮可以顯著改變自燃“三帶”分布，隨注氮量增加氧化帶寬度逐漸縮小，1 500、1 200、1 000 m3/h 3 種注氮量條件下，氧化帶寬度分別為 78.0、87.6、100.4 m；但受采空區漏風影響，注氮量對于散熱帶范圍影響不大，始終保持在20 m左右。

3）南五902 工作面在現有推進度條件下，采用1 200 m3/h 連續開區注氮的防滅火手段，可滿足工作面日常防火需要。