低溫氮氣對回撤工作面采空區自燃影響的研究與應用

王磊

（國家能源集團 新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引 言

急傾斜特厚煤層常采用水平分段綜放開采的采煤方法，造成采空區遺留大量浮煤，在采空區漏風供氧條件下，工作面極易出現自然發火危險。工作面回采期間，若采用隨采隨灌防滅火技術，容易造成巷道底頂板垮塌變形和工作面頂部大量淋水，惡化作業環境和影響工作面安全生產。因此，水平分段綜采放頂煤工作面不適宜采用隨采隨灌技術。注氮惰化防滅火技術由于其工藝簡單、操作方便，有較好的稀釋抑爆作用，已成為綜采放頂煤工作面回采期間防治采空區自然發火最常用的技術手段，該技術不僅能有效稀釋采空區氧氣濃度、降低浮煤氧化速度，而且注入的氮氣可以使采空區形成正壓狀態，減少地面漏風量，對采空區深部和高位火點都能起到較好的治理效果。然而，傳統的采空區埋管注氮是將制氮機排出的高溫或常溫氮氣直接注入防火、滅火區域，注氮點在空間上存在間隔，致使氮氣在采空區為非連續性分布，惰化所需氮氣量大；且對采空區無降溫特性，不能有效消除采空區高溫點。單純的增大注氮量會造成防滅火成本增加、造成回風隅角低氧等問題，若采用液態氮汽化式或液氮直注式方法，通過地面鉆孔或井下運輸液氮槽車將低溫氮氣注入采空區，可增大氮氣的流動范圍、提高防滅火效果，但該工藝存在成本過高、流程復雜以及液氮氣化容易導致管路應力變形等弊端，難以在井下大面積推廣應用。

國內學者主要集中在如何優化注氮口位置、注氮時間等參數而減少氮氣使用量等研究，對回撤工作面低溫氮氣防滅火技術研究較少。譬如，王坤在探究不同區注氮量條件下的采空區自燃“三帶”分布規律基礎上，優化了采空區注氮參數，可有效降低注氮量。李宗翔等人基于CFD理論，利用流體力學數值模擬軟件，研究了不同注氮量、注氮位置參數下采空區自燃“三帶”分布規律。丁香香等人運用理論分析、CFD數值模擬和現場分析等手段研究采用液氮直注式方式將低溫氮氣注入采空區后的降溫惰化效果，并得出了最佳注氮參數。

本文以烏東煤礦+469mB3+6回撤工作面為研究對象，在邁步式埋管注氮方式基礎上，利用井下氮氣直接冷卻技術來研究低溫氮氣對采空區三帶、溫度場、漏風及采空區氣體成分等影響，并驗證其現場應用效果，為工作面安全回撤提供一種新的技術保障措施。

1 回撤工作面概況

烏東煤礦+469mB3+6工作面采用水平分段綜采放頂煤采煤法，走向長度1 795 m，煤層平均厚度50.6 m，煤層傾角在3°~7°，屬急傾斜特厚煤層。工作面開采階段高度26 m，機采采高3.2 m，放頂高22.8 m，放頂煤采放比1∶7.125。通風方式采用“U”型全負壓通風，B6巷為進風巷，B3巷為回風巷。B3+6煤層屬于容易自燃煤層，最短自然發火期為3 d。

末采期間，利用束管監測系統和采空區分布式測系統對采空區自燃“三帶”范圍劃分，結果為進風側散熱帶為0~11 m，氧化帶為11~31 m，31 m之后為窒息帶；回風側散熱帶為0 3.2 m，氧化帶為3.2~22 m，22 m之后為窒息帶。

工作面末采期間采取連續開區注氮方式，氮氣濃度98.5%，氮氣量控制在450 m3/h左右。工作面進風巷鋪設1趟φ108 mm注氮管路，采空區預埋兩趟注氮管路，距離12 m。采空區注氮管路布置方式為，第一趟管路與順槽注氮主管路連接，使用φ108 mm無縫鋼管、末端m施工花眼，隨推進埋入采空區15 m左右時，開始注氮、27 m時停止注氮；在第一趟注氮管埋入架后12 m時預埋第二根注氮管，當第二根注氮管埋入15 m后開始注氮，同時停止第一根鋼管的注氮，如此反復安裝管路，確保注氮管路出口始終在采空區氧化帶范圍內。采空區自燃“三帶”分布如圖1所示。

圖1 采空區自燃“三帶”分布圖Fig.1 Distribution map of spontaneous combustion'three zones'in goaf

2 氮氣冷卻裝置及安裝方案

2.1 結構與原理

氮氣冷卻裝置利用制冷原理，將制冷機組與井下防爆技術相結合研制出的可移動輪軌式礦用防爆氮氣冷卻機。冷氮機的單螺桿式制冷壓縮機由防爆電機驅動、壓縮制冷劑通過換熱器（蒸發器、冷凝器）換熱使制冷劑產生相變。在蒸發器中，蒸發的制冷劑吸熱形成制冷效應，經與高溫的氮氣換熱，使氮氣由≤50℃冷卻到0~-30℃以下，熱量經風冷冷凝器帶走，實現氮氣冷卻的目的。冷卻機由防爆電機、制冷壓縮機、多級板式蒸發器、風冷冷凝器、膨脹閥及防爆開關等組成，所有部件安裝在可移動車內，底盤采用符合煤礦各種軌距要求的輪軌結構，移動自如。

2.2 設備參數

冷氮機控制采用智能型防爆控制器，操作控制在電子數碼顯示面板上進行。氮氣冷卻機出廠時已全部連接好制冷壓縮機電機配線和控制回路配線，并經過了絕緣測試及耐電壓試驗，安裝現場接上動力電源后即可運轉。智能型防爆控制器具有狀態顯示、溫控設定、運轉方式選擇及異常顯示等功能。氮氣冷卻機發生異常時，顯示面板自動顯示異常原因信號，易于準確地確定異常原因，并及時迅速排除故障。壓縮機采直接啟動方式，確保壓縮機在低壓下平穩啟動。技術參數為氮氣冷卻流量1 000 m3/h，壓縮機電機功率37 kW，冷卻電機功率5.5 kW，電機轉速2 950 rpm/min。

2.3 安裝方案

氮氣冷卻裝置安裝在+469mB6巷設備列車處，使用平板車架設，隨開關列車向外挪移。接入電壓電壓等級1 140 V，設備總功率42.5 kW。將巷道φ108 mm注氮管路連接至氮氣冷卻裝置的進氣口，低溫氮氣出口與另一端φ108 mm注氮管路對接；埋入采空區的管路不做保溫處理，對出口至進風隅角內φ108 mm注氮管路用聚乙烯防腐冷纏帶進行保冷處理使管路與外界環境充分隔離，防止低溫氮氣回升，確保氮氣冷卻效果。順槽管路聚氨酯保溫處理后，進風隅角管路外表面溫度為-20℃，使用熱電偶測定氮氣釋放口溫度為-12℃。氮氣冷卻裝置安裝示意如圖2所示。

圖2 氮氣冷卻裝置安裝示意Fig.2 Installation of Nitrogen cooling device

3 低溫氮氣對采空區影響分析

3.1 采空區三帶范圍變化規律

在工作面末采回撤期間，利用回風側鋪設的四趟束管對回風隅角和采空區的CO、O2氣體濃度實時監測，利用測溫光纖對回風側采空區溫度進行實時監測。1~15日注入20℃常溫氮氣，16日及以后冷卻裝置開始連續運行，每班對進風側采空區冷卻氮氣注入點溫度進行記錄。

（1）注入低溫氮氣前后，采空區三帶變化規律見表1。

表1 注低溫氮氣前后采空區三帶范圍變化規律Table 1 Variation lawof three zones in goaf before and after low-temperature nitrogen injection

由表1可知，在注低溫氮氣后，采空區三帶范圍明顯縮小，且向支架后側前移。其中，注入低溫氮氣后，進風側散熱帶0~4.8 m，氧化帶4.8~15.2 m，窒息帶＞15.2 m；回風側散熱帶0~1.5 m，氧化帶1.5~8.1 m，窒息帶＞8.1 m。

（2）注入常溫氮氣期間，回風側散熱帶CO濃度平均為15 ppm左右，氧化帶CO濃度平均為50 ppm左右，回風隅角CO濃度平均為8 ppm左右。注入低溫氮氣后，回風側散熱帶CO濃度平均為6 ppm左右，氧化帶CO濃度由冷卻前的50 ppm左右降至15 ppm左右，回風隅角CO濃度平均為5 ppm左右。

由此可見，采空區注入低溫氮氣后，采空區散熱帶和氧化帶范圍明顯減小，不到注低溫氮氣前的一半，且采空區不同區域的CO濃度也顯著降低，表明了低溫氮氣對采空區三帶范圍及對自然發火有明顯抑制作用，提高工作面在末采回撤期間的安全性。

圖3 采空區溫度和氣體變化圖Fig.3 Diagram of temperature and gas change in goaf

3.2 采空區漏風及溫度變化規律

（1）注入常溫氮氣期間，每天對工作面進、回巷風量測定，計算出采空區平均漏風量為12 m3/min。注入低溫氮氣后，采空區漏風平均為5.8 m3/min。由此可知，采空區注入低溫氮氣后對減小采空區漏風有顯著效果。

（2）注入常溫氮氣期間，進風側采空區15 m處注氮出口處溫度為28.2℃左右、25 m處溫度為28.8℃左右，回風隅角溫度為21℃左右。注入低溫氮氣后，設備出口氮氣溫度平均在-30℃以下，進風側采空區15 m處注氮出口（距冷卻裝置150 m處）氮氣溫度為-23℃左右，利用進風側預埋的光纖測得采空區25 m處溫度為5~10℃左右，回風隅角溫度為14℃左右。

綜合上述，低溫氮氣對減小采空區漏風強度和降溫有顯著效果。回風側25 m處溫度下降至5~10℃，回風隅角溫度降低7℃；采空區漏風強度由12 m3/min降低至5.8 m3/min。

4 結 論

（1）注低溫氮氣后，采空區散熱帶和氧化帶范圍明顯縮小，且向支架后側前移，有利于采空區自然發火防治。

（2）采空區不同區域的CO濃度也顯著降低，表明低溫氮氣對采空區自然發火有明顯抑制作用，提高工作面在末采回撤期間的安全性。

（3）采空區注入低溫氮氣后，采空區漏風強度由12 m3/min降低至5.8 m3/min；回風側25 m處溫度下降至5~10℃，回風隅角溫度降低7℃。