連續(xù)開區(qū)注氮對采空區(qū)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(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

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

注氮惰化防滅火技術(shù)由于其具有工藝簡單、操作方便，有優(yōu)良的阻燃阻爆性能，逐漸成為我國自然發(fā)火礦井的主要防滅火技術(shù)手段[8-10]。近年來，國內(nèi)外科研院所及高校先后研發(fā)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(jù)使用地點的不同，又設(shè)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(tǒng)[13-14]。制氮系統(tǒng)通過埋管或鉆孔的方式注入采空區(qū)內(nèi)，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(qū)滲流場與氣體濃度場發(fā)生了明顯改變，需要因地制宜的開展注氮條件下的采空區(qū)自然發(fā)火危險區(qū)域劃分，進而優(yōu)化注氮參數(shù)，為防滅火技術(shù)措施的采取提供依據(jù)[15-16]?；诖耍源笈d煤礦南五902 綜采工作面為研究對象，探究不同開區(qū)注氮量條件下的采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律，為合理優(yōu)化采空區(qū)注氮參數(shù)提供依據(jù)。

1 工作面概況

大興礦南五902 工作面位于南五采區(qū)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(qū)。工作面采用“U”型通風(fēng)方式，風(fēng)量1 100 m3/min。工作面所采9#煤層，平均煤厚為1.79 m，經(jīng)鑒定為Ⅰ類易自燃煤層，最短自然發(fā)火期僅30 d 左右?；仫L(fēng)巷掘進期間在 40～320 m 處發(fā)現(xiàn) 0.4～2.1 m火成巖巖床，回風(fēng)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(fā)火防治工作帶來挑戰(zhàn)。

因此，工作面回采初期設(shè)計采取以連續(xù)開區(qū)注氮為主的防滅火技術(shù)措施，利用地面固定式碳分子篩制氮機組，沿運輸巷鋪設(shè)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(dāng)?shù)? 趟注氮管出口進入采空區(qū)30～60 m區(qū)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(huán)，直至工作面回采結(jié)束。初始注氮量為1 500 m3/h，24 h 連續(xù)開區(qū)注氮，氮氣濃度大于97%。

2 采空區(qū)自燃“三帶”劃分依據(jù)及測定方案

2.1 煤自然發(fā)火臨界氧濃度

目前，根據(jù)煤氧復(fù)合理論，可將采空區(qū)自然發(fā)火危險區(qū)域劃分為“三帶”，即散熱帶、氧化帶以及自燃帶。根據(jù)自燃“三帶”劃分方法的不同主要有3種：采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)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(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點，逐漸成為煤炭行業(yè)應(yīng)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(qū)自燃“三帶”時，一般通過預(yù)埋管路對采空區(qū)各點氣體進行動態(tài)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(fā)火的可能性。其劃分標(biāo)準(zhǔn)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(fā)火臨界氧濃度，當(dāng)氧氣濃度低于該值時，煤氧復(fù)合反應(yīng)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(zhǔn)確測定大興煤礦9#煤層自然發(fā)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(fā)的煤自然發(fā)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(chǎn)物及熱力學(xué)特性實驗研究。實驗基本參數(shù)如下：粒度：100 目（＜0.15 mm）；質(zhì)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(chǎn)物與煤溫關(guān)系曲線如圖1。當(dāng)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(xiàn)先上升后下降的規(guī)律。其中，供氧濃度20.9%時，CO產(chǎn)生速率最快，濃度最高可達2 582×10-6；供氧濃度10.0%時，CO 產(chǎn)生速度開始放緩，最高濃度1 739×10-6；供氧濃度 7.0%時，CO 產(chǎn)生速率最低，最高濃度1 289×10-6。

不同O2濃度條件下熱力學(xué)特征曲線如圖2。供氧濃度20.9%時，煤體發(fā)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(dāng)供氧濃度10.0%時，煤體溫度平穩(wěn)升高，并未出現(xiàn)劇烈氧化現(xiàn)象，說明該氧氣濃度條件下，煤的氧化反應(yīng)開始受到抑制，最高溫度413 ℃；當(dāng)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(xué)特性曲線Fig.2 Thermodynamic characteristics of different oxygen concentrations

通過實驗結(jié)果分析表明，與O2濃度20.9%相比，O2濃度 10.0%時，其 CO 產(chǎn)生速率、CO 最高濃度以及最高反應(yīng)溫度均呈現(xiàn)大幅度下降規(guī)律，煤體氧化進程開始減緩，且未出現(xiàn)劇烈氧化現(xiàn)象，說明煤體自然氧化受到抑制；而當(dāng)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(fā)火臨界氧濃度為7%。

2.2 采空區(qū)自燃“三帶”測定方案

南五902 工作面形成后，在回風(fēng)巷內(nèi)，自開切眼向外間隔20 m 設(shè)置1 趟取樣束管，取樣口依次編號1#～10#，采空區(qū)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(shè)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(cè)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(qū)，通過巷道內(nèi)設(shè)置的取樣泵依次抽取束管內(nèi)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(yōu)化采空區(qū)注氮參數(shù)，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(qū)惰化效果考察。隨工作面推進，注氮管路依次進入采空區(qū)，待第1 條注氮管進入采空區(qū)30 m 范圍后，開始首次注氮，注氮量1 500 m3/h。同時，通過回風(fēng)側(cè)預(yù)埋束管進行采空區(qū)氧氣濃度監(jiān)測，待采空區(qū)束管測點氧氣濃度穩(wěn)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(huán)往復(fù)，直至完成全部3 種注氮量條件下的采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律測定工作。

3 采空區(qū)氣體測試結(jié)果

3.1 采空區(qū)CO濃度變化規(guī)律

南五902 工作面3 種注氮量條件下采空區(qū)各地點CO 變化規(guī)律如圖4。隨工作面推進，采空區(qū)內(nèi)遺煤逐漸氧化產(chǎn)生CO，但由于采空區(qū)淺部漏風(fēng)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(qū)域CO 濃度變化影響不大；工作面繼續(xù)推進，采空區(qū)測點依次進入氧化帶與窒息帶范圍，遺煤氧化產(chǎn)生的CO 濃度也呈現(xiàn)先升高后降低的變化規(guī)律，且隨著注氮量的降低，采空區(qū)CO 產(chǎn)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(qū)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(qū)CO 變化規(guī)律基本一致，CO 最高濃度分別出現(xiàn)在采空區(qū)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(fā)火標(biāo)志氣體出現(xiàn)，說明以上2 種注氮方案均有效抑制煤體自然氧化。當(dāng)采空區(qū)注氮量降至1 000 m3/h 后，隨工作面推進，采空區(qū)CO 濃度快速上升至195×10-6，且伴隨微量C2H4出現(xiàn)，說明采空區(qū)遺煤發(fā)生激烈氧化，后通過均壓通風(fēng)、快速推進等手段，快速將隱患點甩入窒息帶內(nèi)，成功處置該起隱患。

3.2 采空區(qū)O2濃度變化規(guī)律

南五902 工作面3 種注氮量條件下采空區(qū)各地點O2變化規(guī)律如圖5。隨工作面推進，采空區(qū)各測點氧氣濃度均呈現(xiàn)下降趨勢；其中注氮量越大，采空區(qū)氧氣濃度下降越快，氧化帶范圍越窄；但采空區(qū)注氮對O2濃度分布的影響范圍存在一定限制，受采空區(qū)漏風(fēng)及注氮擴散半徑影響，注氮量對采空區(qū)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(qū)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(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律及最優(yōu)注氮量

按照采空區(qū)自燃“三帶”劃分方法，結(jié)合采空區(qū)各測點O2實測結(jié)果，獲得的3 種注氮量條件下采空區(qū)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(qū)散熱帶寬度變化不大；注氮量對采空區(qū)氧化帶范圍影響較大，采空區(qū)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(qū)氧化帶寬度為 78.0、87.6、100.4 m。

根據(jù)煤氧復(fù)合理論，為避免采空區(qū)遺煤自然發(fā)火，遺煤在自燃帶內(nèi)的時間應(yīng)小于該煤層的自然發(fā)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(qū)氧化帶寬度，m；τmin為煤層最短發(fā)火期，d。

表1 不同注氮量條件下采空區(qū)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(dǎo)致采空區(qū)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(jù)鑒定結(jié)果表明，9#煤層自然發(fā)火期30 d；則采空區(qū)氧化帶寬度為＜96 m。

因此，南五902 工作面氧化帶寬度應(yīng)小于96 m，根據(jù)自燃“三帶”測定結(jié)果，采空區(qū)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(dǎo)致采空區(qū)自然發(fā)火，理論計算結(jié)果在現(xiàn)場實測中得到驗證，證明計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在科學(xué)防火與經(jīng)濟治災(zāi)的前提下，結(jié)合實地考察的采空區(qū)惰化效果，最終確定采空區(qū)注氮量1 200 m3/h時，即可滿足工作面日常防火需要。

4 結(jié) 論

1）煤自然發(fā)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(jù)。

2）采空區(qū)連續(xù)開區(qū)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(qū)漏風(fēng)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(xiàn)有推進度條件下，采用1 200 m3/h 連續(xù)開區(qū)注氮的防滅火手段，可滿足工作面日常防火需要。