申南凹煤礦20106工作面采空區(qū)注氮防滅火技術(shù)研究與優(yōu)化

任紅軍

(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán) 申南凹焦煤有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100)

1 工程概況

山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)申南凹煤業(yè)有限公司20108工作面開采2號(hào)煤層，煤層平均厚度4.2 m，煤層內(nèi)平均含有1層夾矸，煤層頂板巖層為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，底板巖層為泥巖和細(xì)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(fēng)方式為“U”型通風(fēng)。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，2號(hào)煤層屬低瓦斯煤層，絕對(duì)瓦斯涌出量8.08 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量3.35 m3/t，煤層自燃傾向性為Ⅱ級(jí)。20106工作面采空區(qū)采用注氮進(jìn)行防滅火，現(xiàn)為提升注氮防滅火效果，特進(jìn)行采空區(qū)注氮防滅火應(yīng)用效果和優(yōu)化分析。

2 采空區(qū)注氮方案與效果

2.1 采空區(qū)注氮方案

20106工作面注氮作業(yè)時(shí)從工作面開切眼20 m的位置處，每間隔20 m進(jìn)行一趟注氮管路的預(yù)埋作業(yè)，注氮管路一頭插入采空區(qū)內(nèi)，一頭安裝控制注氮流量的閥門，并將其與現(xiàn)有管路系統(tǒng)連接。注氮作業(yè)時(shí)，通過閥門控制注氮流量為600 m3/h；具體注氮作業(yè)時(shí)采用間隔式注氮工藝[1-3]，具作業(yè)流程如下：第一趟注氮管路埋入采空區(qū)內(nèi)20 m后，開啟第一趟注氮管路的閥門進(jìn)行注氮作業(yè)，同時(shí)進(jìn)行第二趟注氮管路的埋入作業(yè)；當(dāng)一趟注氮管路埋入采空區(qū)40 m后，即可關(guān)閉第一趟注氮管路，開啟第二趟注氮管路，如此往復(fù)循環(huán)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(xiàn)有注氮效果分析

為有效分析20106工作面現(xiàn)有間隔式注氮工藝的實(shí)施效果，在工作面注氮作業(yè)時(shí)每日均對(duì)注氮各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，具體工作面機(jī)巷注氮口及編號(hào)方式見圖2。

圖2 工作面注氮口及編號(hào)示意

根據(jù)工作面回采期間采空區(qū)的注氮記錄，能夠得出工作面機(jī)巷和風(fēng)巷采空區(qū)在不同測(cè)點(diǎn)處氧氣濃度隨工作面回采距離之間的關(guān)系曲線及氮?dú)庥绊懛秶?，具體如圖3所示。

圖3 采空區(qū)各測(cè)點(diǎn)氮?dú)庥绊懛秶疽?/p>

分析圖3(a)、(b)可知，采空區(qū)風(fēng)巷側(cè)在距工作面13 m的位置處，此時(shí)氧氣濃度出現(xiàn)突然下降的趨勢(shì)，在距工作面40～64 m的范圍內(nèi)，采空區(qū)的氧氣濃度緩慢上升，當(dāng)測(cè)點(diǎn)埋入采空區(qū)64 m后，氧氣濃度不斷下降，這是由于此時(shí)上覆巖層已垮落嚴(yán)實(shí)，內(nèi)部裂隙較少，故綜合上述分析可知，采空區(qū)風(fēng)巷側(cè)氮?dú)獾挠绊懛秶饕獮椴煽諈^(qū)18～64 m的范圍內(nèi)。

分析圖3(c)、(d)可知，工作面機(jī)巷側(cè)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)與工作面間的距離為70 m時(shí)，采空區(qū)氧氣濃度逐漸降低至18%以下?；诠ぷ髅娴捻?shù)装鍘r層特征可知，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)楣ぷ髅婊夭珊?，機(jī)巷側(cè)頂板在垮落時(shí)不能有效充填壓實(shí)采空區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致采空區(qū)機(jī)巷側(cè)存在著嚴(yán)重的漏風(fēng)現(xiàn)象。另外從圖中能夠看出，采空區(qū)距工作面75～90 m的范圍內(nèi)氧氣濃度呈現(xiàn)為逐漸上升的趨勢(shì)，采空區(qū)與工作面的距離大于90 m時(shí)，采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度才出現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。隨著工作面的回采作業(yè)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離工作面的距離為70 m時(shí)，隨著頂板巖層的垮落和氮?dú)獾牟粩嘧⑷耄沟貌煽諈^(qū)內(nèi)的氧氣濃度呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)。在工作面測(cè)點(diǎn)距工作面75～90 m時(shí)，采空區(qū)注氮作業(yè)對(duì)測(cè)點(diǎn)區(qū)域氣體濃度的影響程度會(huì)不斷減小。當(dāng)測(cè)點(diǎn)距工作面大于90 m時(shí)，頂板巖層不斷垮落下沉，進(jìn)而導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度不斷下降。綜合上述分析可知，工作面機(jī)巷側(cè)70～90 m的區(qū)域?yàn)樽⒌跈C(jī)巷側(cè)的影響區(qū)域。

基于上述對(duì)工作面機(jī)巷和風(fēng)巷側(cè)注氮影響范圍的確定，能夠看出采空區(qū)注氮作業(yè)能夠在一定區(qū)域內(nèi)有效降低采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度，進(jìn)而降低采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃的可能性，但總體注氮卻未達(dá)到預(yù)想的效果，其中在靠近機(jī)巷一側(cè)3號(hào)測(cè)點(diǎn)68 m以前，該區(qū)域的氧氣濃度均在20%以上，機(jī)巷4號(hào)測(cè)點(diǎn)在埋入采空區(qū)75 m以前，采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度均在20%以上?；谏鲜龇治隹芍?，采空區(qū)頂板未完全垮落導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)也是導(dǎo)致采空區(qū)機(jī)巷側(cè)氧氣濃度較高的原因[4-6]。根據(jù)注氮數(shù)據(jù)的分析，能夠大致推斷出采空區(qū)氧化帶的大致范圍，其中機(jī)巷側(cè)氧化帶為31～88 m，風(fēng)巷側(cè)氧化帶的范圍為18～70 m，由于采空區(qū)內(nèi)氧化帶的范圍較大，為確保工作面在地質(zhì)構(gòu)造、推進(jìn)緩慢區(qū)域無采空區(qū)自燃發(fā)火現(xiàn)象，需對(duì)現(xiàn)有注氮方案進(jìn)行優(yōu)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(qū)自燃的危險(xiǎn)性。

3 注氮防滅火技術(shù)優(yōu)化

為確定20106工作面合理的注氮位置及注氮流量，采用Fluent數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，在工作面采空區(qū)0～16 m為自然堆積區(qū)，采空區(qū)16～68 m為破碎堆積區(qū)，采空區(qū)68 m以上的區(qū)域?yàn)閴簩?shí)穩(wěn)定區(qū)[7]，依據(jù)此模型具體進(jìn)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(shè)置注氮流量為600 m3/h時(shí)，分別設(shè)置注氮口為距工作面20 m、30 m、40 m、50 m進(jìn)行采空區(qū)的注氮作業(yè)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出工作面在不同注氮位置下采空區(qū)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(qū)氧氣分布云圖

分析圖4可知，當(dāng)注氮口設(shè)置在距工作面20 m和30 m時(shí)，注氮口與自然堆積區(qū)較近，由于采空區(qū)冒落的煤巖體較為松軟，易導(dǎo)致注入的氮?dú)怆S著采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象出現(xiàn)，氮?dú)饬魅牖仫L(fēng)巷和工作面內(nèi)，進(jìn)而造成注氮效果不佳；當(dāng)注氮口布置在距工作面40 m、50 m時(shí)，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度的等值線相對(duì)于注氮口布置在20 m、30 m時(shí)出現(xiàn)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(shí)采空區(qū)內(nèi)注入的氮?dú)怆S著漏風(fēng)流逐漸擴(kuò)散，起到了有效降低采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度的作用。通過具體對(duì)比分析注氮口布置在距工作面40 m和50 m時(shí)采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度等值線可知，注氮口布置在距工作面40 m時(shí)，相對(duì)于布置在距工作面50 m，采空區(qū)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(shè)置注氮口布置在機(jī)巷距工作面40 m的位置處，分別設(shè)置注氮流量為600 m3/h、800 m3/h、1 400 m3/h、1 600 m3/h進(jìn)行注氮作業(yè)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出采空區(qū)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(qū)氧氣濃度分布云圖

分析圖5可知，當(dāng)采空區(qū)注氮流量由600 m3/h增大為800 m3/h時(shí)，此時(shí)注氮口周圍的氧氣濃度出現(xiàn)明顯變化，在采空區(qū)20～60 m的深度范圍內(nèi)，氧氣濃度降低為10%～13%，隨著注氮流量的進(jìn)一步增大，當(dāng)注氮流量增大為1 400 m3/h時(shí)，氧氣濃度已降低至4%～6%，另外從圖中能夠看出當(dāng)注氮流量從600 m3/h增大為800 m3/h時(shí)，此時(shí)采空區(qū)內(nèi)氧化帶寬度的降低幅度較小，當(dāng)注氮流量由800 m3/h增大為1 400 m3/h時(shí)，采空區(qū)氧化帶寬度降低明顯，當(dāng)進(jìn)一步增大采空區(qū)注氮流量時(shí)，采空區(qū)散熱帶和氧化帶的寬度在進(jìn)一步增大，但此時(shí)采空區(qū)中部至回風(fēng)側(cè)區(qū)域氧氣濃度大于20%區(qū)域與工作面的距離已小于5 m，會(huì)嚴(yán)重影響工作面的安全生產(chǎn)，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(qū)注氮方案的優(yōu)化分析，調(diào)整注氮口為機(jī)巷距工作面40 m、注氮流量為1 400 m3/h。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施可知，優(yōu)化后的注氮方案實(shí)施后，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)、中部及回風(fēng)側(cè)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(qū)自燃現(xiàn)象出現(xiàn)，優(yōu)化效果顯著。

4 結(jié) 語

根據(jù)20106工作面的地質(zhì)條件，通過分析現(xiàn)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(shù)值模擬軟件進(jìn)行合理注氮口和注氮流量的模擬分析，基于模擬結(jié)果調(diào)整注氮口為機(jī)巷距工作面40 m、注氮流量為1 400 m3/h，基于優(yōu)化后注氮方案實(shí)施后的效果分析可知，采空區(qū)氧化帶的寬度大幅降低，工作面回采期間無遺煤自燃現(xiàn)象出現(xiàn)，優(yōu)化效果顯著。