申南凹煤礦20106工作面采空區注氮防滅火技術研究與優化

任紅軍

(山西鄉寧焦煤集團 申南凹焦煤有限公司，山西 鄉寧 042100)

1 工程概況

山西鄉寧焦煤集團申南凹煤業有限公司20108工作面開采2號煤層，煤層平均厚度4.2 m，煤層內平均含有1層夾矸，煤層頂板巖層為砂質泥巖和粉砂巖，底板巖層為泥巖和細粒砂巖。20106工作面采用一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板，工作面采高4.2 m，通風方式為“U”型通風。根據礦井地質資料可知，2號煤層屬低瓦斯煤層，絕對瓦斯涌出量8.08 m3/min，相對瓦斯涌出量3.35 m3/t，煤層自燃傾向性為Ⅱ級。20106工作面采空區采用注氮進行防滅火，現為提升注氮防滅火效果，特進行采空區注氮防滅火應用效果和優化分析。

2 采空區注氮方案與效果

2.1 采空區注氮方案

20106工作面注氮作業時從工作面開切眼20 m的位置處，每間隔20 m進行一趟注氮管路的預埋作業，注氮管路一頭插入采空區內，一頭安裝控制注氮流量的閥門，并將其與現有管路系統連接。注氮作業時，通過閥門控制注氮流量為600 m3/h；具體注氮作業時采用間隔式注氮工藝[1-3]，具作業流程如下：第一趟注氮管路埋入采空區內20 m后，開啟第一趟注氮管路的閥門進行注氮作業，同時進行第二趟注氮管路的埋入作業；當一趟注氮管路埋入采空區40 m后，即可關閉第一趟注氮管路，開啟第二趟注氮管路，如此往復循環直至工作面回采完畢，見圖1。

圖1 工作面注氮管路布置示意

2.2 現有注氮效果分析

為有效分析20106工作面現有間隔式注氮工藝的實施效果，在工作面注氮作業時每日均對注氮各項數據進行記錄，具體工作面機巷注氮口及編號方式見圖2。

圖2 工作面注氮口及編號示意

根據工作面回采期間采空區的注氮記錄，能夠得出工作面機巷和風巷采空區在不同測點處氧氣濃度隨工作面回采距離之間的關系曲線及氮氣影響范圍，具體如圖3所示。

圖3 采空區各測點氮氣影響范圍示意

分析圖3(a)、(b)可知，采空區風巷側在距工作面13 m的位置處，此時氧氣濃度出現突然下降的趨勢，在距工作面40～64 m的范圍內，采空區的氧氣濃度緩慢上升，當測點埋入采空區64 m后，氧氣濃度不斷下降，這是由于此時上覆巖層已垮落嚴實，內部裂隙較少，故綜合上述分析可知，采空區風巷側氮氣的影響范圍主要為采空區18～64 m的范圍內。

分析圖3(c)、(d)可知，工作面機巷側，當測點與工作面間的距離為70 m時，采空區氧氣濃度逐漸降低至18%以下。基于工作面的頂底板巖層特征可知，產生這種現象的主要原因為工作面回采后，機巷側頂板在垮落時不能有效充填壓實采空區，進而導致采空區機巷側存在著嚴重的漏風現象。另外從圖中能夠看出，采空區距工作面75～90 m的范圍內氧氣濃度呈現為逐漸上升的趨勢，采空區與工作面的距離大于90 m時，采空區內的氧氣濃度才出現逐漸下降的趨勢。隨著工作面的回采作業，當測點距離工作面的距離為70 m時，隨著頂板巖層的垮落和氮氣的不斷注入，使得采空區內的氧氣濃度呈現出不斷下降的趨勢。在工作面測點距工作面75～90 m時，采空區注氮作業對測點區域氣體濃度的影響程度會不斷減小。當測點距工作面大于90 m時，頂板巖層不斷垮落下沉，進而導致采空區內的氧氣濃度不斷下降。綜合上述分析可知，工作面機巷側70～90 m的區域為注氮在機巷側的影響區域。

基于上述對工作面機巷和風巷側注氮影響范圍的確定，能夠看出采空區注氮作業能夠在一定區域內有效降低采空區內的氧氣濃度，進而降低采空區內遺煤自燃的可能性，但總體注氮卻未達到預想的效果，其中在靠近機巷一側3號測點68 m以前，該區域的氧氣濃度均在20%以上，機巷4號測點在埋入采空區75 m以前，采空區內的氧氣濃度均在20%以上。基于上述分析可知，采空區頂板未完全垮落導致采空區漏風也是導致采空區機巷側氧氣濃度較高的原因[4-6]。根據注氮數據的分析，能夠大致推斷出采空區氧化帶的大致范圍，其中機巷側氧化帶為31～88 m，風巷側氧化帶的范圍為18～70 m，由于采空區內氧化帶的范圍較大，為確保工作面在地質構造、推進緩慢區域無采空區自燃發火現象，需對現有注氮方案進行優化，主要考慮改變注氮位置及增大注氮量的方式，以降低采空區自燃的危險性。

3 注氮防滅火技術優化

為確定20106工作面合理的注氮位置及注氮流量，采用Fluent數值模擬軟件建立數值模型，在工作面采空區0～16 m為自然堆積區，采空區16～68 m為破碎堆積區，采空區68 m以上的區域為壓實穩定區[7]，依據此模型具體進行合理注氮位置及注氮流量的模擬分析。

1) 注氮位置分析：為確定合理的注氮位置，設置注氮流量為600 m3/h時，分別設置注氮口為距工作面20 m、30 m、40 m、50 m進行采空區的注氮作業，根據數值模擬結果得出工作面在不同注氮位置下采空區氧氣濃度分布云圖如圖4所示。

圖4 不同注氮位置下采空區氧氣分布云圖

分析圖4可知，當注氮口設置在距工作面20 m和30 m時，注氮口與自然堆積區較近，由于采空區冒落的煤巖體較為松軟，易導致注入的氮氣隨著采空區漏風現象出現，氮氣流入回風巷和工作面內，進而造成注氮效果不佳；當注氮口布置在距工作面40 m、50 m時，采空區內氧氣濃度的等值線相對于注氮口布置在20 m、30 m時出現明顯前移，且在注氮口附近，氧氣濃度下降幅度明顯，表明此時采空區內注入的氮氣隨著漏風流逐漸擴散，起到了有效降低采空區內氧氣濃度的作用。通過具體對比分析注氮口布置在距工作面40 m和50 m時采空區內氧氣濃度等值線可知，注氮口布置在距工作面40 m時，相對于布置在距工作面50 m，采空區注氮口位置18%的氧濃度等值線前移7 m。綜合上述分析確定工作面合理的注氮位置為距工作面40 m。

2) 注氮量：基于上述分析，設置注氮口布置在機巷距工作面40 m的位置處，分別設置注氮流量為600 m3/h、800 m3/h、1 400 m3/h、1 600 m3/h進行注氮作業，根據數值模擬結果得出采空區在不同注氮流量下氧氣濃度分布云圖如圖5所示。

圖5 不同注氮流量下采空區氧氣濃度分布云圖

分析圖5可知，當采空區注氮流量由600 m3/h增大為800 m3/h時，此時注氮口周圍的氧氣濃度出現明顯變化，在采空區20～60 m的深度范圍內，氧氣濃度降低為10%～13%，隨著注氮流量的進一步增大，當注氮流量增大為1 400 m3/h時，氧氣濃度已降低至4%～6%，另外從圖中能夠看出當注氮流量從600 m3/h增大為800 m3/h時，此時采空區內氧化帶寬度的降低幅度較小，當注氮流量由800 m3/h增大為1 400 m3/h時，采空區氧化帶寬度降低明顯，當進一步增大采空區注氮流量時，采空區散熱帶和氧化帶的寬度在進一步增大，但此時采空區中部至回風側區域氧氣濃度大于20%區域與工作面的距離已小于5 m，會嚴重影響工作面的安全生產，綜合上述分析，合理的注氮流量為1 400 m3/h。

通過20106工作面采空區注氮方案的優化分析，調整注氮口為機巷距工作面40 m、注氮流量為1 400 m3/h。通過現場實施可知，優化后的注氮方案實施后，采空區進風側、中部及回風側的氧化升溫帶的范圍分別為20～22 m、8～13 m、25～29 m，與原有注氮方案相比降低幅度明顯，且工作面回采期間無采空區自燃現象出現，優化效果顯著。

4 結 語

根據20106工作面的地質條件，通過分析現有注氮施工方案的效果可知，目前注氮方案注氮效果不理想，采用數值模擬軟件進行合理注氮口和注氮流量的模擬分析，基于模擬結果調整注氮口為機巷距工作面40 m、注氮流量為1 400 m3/h，基于優化后注氮方案實施后的效果分析可知，采空區氧化帶的寬度大幅降低，工作面回采期間無遺煤自燃現象出現，優化效果顯著。