綜采工作面采空區托管注氮技術的研究與應用

郭 君

（晉能控股煤業集團鄂爾多斯礦業公司內蒙古鄂爾多斯017000）

1 前言

我國能源存儲特點為“煤多、氣少”，因此煤炭在我國有著不可撼動的地位，國家的發展也離不開煤炭資源。由于我國在工業和經濟方面迅速崛起，我國煤炭產出和銷售量躋身榜首。我國耗煤量大的行業如火力發電、建材工業、化學工業等行業均保持較快的發展速度，推動著煤炭需求不斷上升。煤礦開采量日益擴大，隨之而來的是采煤工作設備的快速發展進步，工作面掘進速度越來越快，安全隱患也隨之增加，一旦發生煤炭自燃事故，造成后果非常嚴重。如吉林八寶煤礦煤炭自燃引起瓦斯爆炸事故，死亡36 人，財產損失高達4 708.9萬元；皖北煤電集團任樓煤礦煤炭自燃引起瓦斯爆炸事故，死亡3人，財產損失達898.53萬元。造成此類事故的最根本的原因是由于礦內領導對安全防火方面工作不重視，安全措施沒有落實，導致工作面巷道跑風進來，遺煤與空氣接觸氧化發火，引燃巷道內的瓦斯并發生爆燃，才會造成上述慘劇。因此研究煤礦內綜采面采空區煤炭自燃的防治的工作是十分有必要。

2 色連煤礦概況

2.1 地理位置

色連一號煤礦位于東經：109°49′54″～109°55′39″，北緯：39°50′50″～39°55′49″的內蒙鄂爾多斯市。礦井井田的南北長8.2 km，東西寬4.9 km，面積約35.746 7 km2。此井田可掘采的煤層有10層，主要是第2煤層2煤組的上、中區域，第3煤層1煤組的上煤層區域、第4 煤層1 煤組的上煤層區域，第4 煤層1 煤組區域，第5 煤層1 煤組的上煤層區域，第5 煤層1 煤組區域，第6煤層1煤組上、中、下煤層區域，主要生產不黏煤，還有少量的長焰煤。該礦所設計的生產能力為5.00 Mt/a，礦井現剩余可采儲量352.81 Mt，同時該礦建有1 個技術較為領先的洗煤廠，該煤礦是內蒙古自治區及東勝區重要煤礦組成部分。

2.2 煤層自燃危險情況

色連煤礦2-2 上及4-1 煤層屬于Ⅰ級易自燃煤層，該煤層主要存在發火時間短、氧需求量大、發火速度快等特點，其發火期為40天左右。加上由于回采速度慢，采空區內有余煤，若是巷道存在進風情況，那么余煤極易發生氧化自燃造成嚴重的事故后果。因此配備相應的防滅火系統就顯得尤為重要。

3 防滅火技術的研究

3.1 氮氣防滅火的機理

氮氣是一種無色、無味、沒有毒性的難燃氣體，密度稍輕于空氣。正常情況下不會受外界條件的影響，同時也不與輸送氮氣管道及其他金屬發生反應[1-2]。氮氣防治火災的機理見圖1。

圖1 氮氣防滅火的機理

3.2 氮氣防滅火特點[6]

（1）氮氣是懸浮在空中的，可以在一定的時間內占據采空區整個空間，并把采空區內的氧氣全部排出去，從而使煤炭沒有發生自燃的條件。

（2）氮氣通過管道運送，不借助外物，輸送便利。

（3）氮氣屬于惰性氣體，滅火過程中主要是隔絕氧氣不會損壞井巷設施。

（4）由于氮氣不具備毒性，故工人可放心使用。

（5）啟用便利，防滅火成果較好。采空區內余煤有發生火災的前兆時，開啟控制開關，氮氣就可以很快的把采空區填滿，把煤炭自燃扼殺在搖籃中。

（6）在對采空區注氮時，能快速降低氧氣濃度，遏制煤炭氧化，從而降低二氧化碳登氣體的產出，保障人員安全。

（7）能增大火區內氣壓，降低火區漏風可能性。

（8）火區若發生過多漏風時，滅火能力就會明顯降低，因此進行氮氣滅火時須有一個較為封閉的環境。

（9）密閉環境內進行輸送氮氣時，對災區的降溫是不理想的，因此氮氣滅火后需要對巷道災區進行降溫。

3.3 注氮方式[7]

輸送氮氣的方法一般有埋管、托管、鉆孔以及插管等，其中常用的是埋管及托管兩種輸入氮方式。這兩種防滅火技術各有優缺點，其中：

(1)埋管注氮。是在采空區進風方向架設輸送氮氣管線。隨著工作忙的推進，管線也架設相當長度后就開始往采空區內的氧化帶輸入氮氣，與此時間開始下一階段的輸氮管線的架設。當第2次輸氮管線口架設到氧化帶與散熱帶相接壤的界面時關閉第1次架設的管線開關，開啟第2 次輸氮管線開關往里輸送氮氣。重復上述至整個區域煤炭開采完成。

埋管注氮技術能有效降低采空區內氧氣以及一氧化碳的含量，技術相對簡單，可起到不錯的防止煤炭自燃的效果，阻止事故發生。但傳統埋管注氮技術存在較明顯的缺陷，輸送氮氣的管路都為一次性消耗品，得不到再次利用，資源被變相的浪費掉；氮氣輸送管線是跟著工作面的掘進而推進的，由于工作面掘進速度會造成采空區前移，造成氮氣輸入口在采空區間間距較遠，導致氧化帶內存在氮氣輸送不到的空間，使用氮氣分布不均勻（如圖2所示），不能起到較好的防止火災的效果；還有就是進行注氮輸入口的加工、鋼絲纏繞管路的運輸、連接及架設會浪費大量的人力和資源。

圖2 氮氣輸入口注氮示意圖

(2)拖管注氮。在采空區進風方向架設相當長度的管壁徑較大鋼管當作輸送氮氣的管線，它的推進根據簡單的機械動力原理，主要是以巷道內的滑輪作為軌道，巷道內的絞車為動力源。輸入氮氣的管線可以通過機械設備將管線進行拖移，因此在綜采面回采過程中，能使管線一直保持在采空區內30 m的距離。

托管注氮可以彌補埋管注氮所存在的不足，主要是由于托管注氮在前期投入可能會多一點，但到了管線架設完成后就不需要再投入資金了，可以為公司節省一大筆資金，最好的體現就是工作面每掘進1 000 m就能比相同距離的使用埋管注氮的方式節省28 萬元。拖管注氮能使管線一直保持在采空區內30 m 的距離，保證采空區能被氮氣持續充滿，同時也能保證采空區內一氧化碳的穩定在最低限度，故能達到較好的防滅火成效。最后就是托管注氮時，可以不用進行鋼絲纏繞管的運輸、安裝、架設等一系列操作，加工簡便、安裝操作方便。

綜上所述，再根據具體現場情況，色連煤礦領導決定采用拖管注氮技術對煤礦進行防滅火處理。

3.4 拖管注氮技術

色連煤礦拖管注氮技術即在工作面進風側從開孔開始沿進風順槽端頭外側架設30 m 長度的直徑為φ89 mm 壁厚為10 mm 的鋼管作為注氮管路，距離近的鋼管的連接處增加保護套。為預防管路被掉落的煤塊或者石塊堵住氮氣輸出口，在輸送氮氣線路最后2 m上打孔，每隔20 cm打一組φ20 mm的孔眼，這樣不僅能使擴大輸入氮所能達到的空間，還能保證管線即使被掉落的石塊砸到也不會影響輸氮效果。

為了有助于架設線路，在原先已經架設的拖管的外沿加焊接2 個可以用手拉的圈，同時把相當長度的鋼絲圍著鋼管繞幾圈同原先搭設的拖管以及輸送氮氣的主線路,托管和外界是絕緣的。拖管輸入氮氣防治火災技術見圖3。

圖3 拖管注氮防滅火工藝

4 結語

色連礦井下綜采面采空區所使用的拖管注氮工藝與集團公司其它礦井比較，使用簡單的機械動力原理，加工簡便、安裝操作方便、節約成本，提高了注氮效果，可以在同類礦井中進行推廣。