氮气置换法治理采空区有害气体技术

张 杰

（山西煤炭运销集团口泉煤业有限公司，山西 大同 037100）

引 言

煤炭公司想要防止煤炭发生自燃时，应该从采空区抽取有害气体时采取一系列手段。及时向采空区添加氮气，防止空气进入采空区并引起自燃。这种通过氮气置换处理采空区有害气体的技术可以避免有害气体对邻近工作面的威胁；同时可以保持采空区的惰化指标，最终解决了有害气体治理的难题。

1 煤炭企业采空区有害气体处理难点与途径

1.1 治理采空区瓦斯的难点

目前，采空区的瓦斯治理是一个主要的难点，也是人类研究天然气和煤炭防治的重点。我们提出了“采用硝酸盐替代方法控制采空区有害气体”的技术研究。一方面，它可以解决煤炭安全生产中面临的一些问题；另一方面是为了治理采空区有害气体，进而探究出一条更加有效的技术。

1.2 常规治理遇到的问题

在采空区的常规气体危害控制措施中，该矿采取了诸如安装排气扇和水射流风扇，钻孔预钻孔以及返回空气通道返回的措施。两者都取得了良好的效果，但在矿山复杂的地质条件下，工作面沿断层布置，采空中的煤柱较小，裂缝较多。

1.3 治理有害气体的途径探索

经过科学分析，实施采空区瓦斯抽放是控制采空区高浓度瓦斯的有效途径，但采空区瓦斯抽放会增加采区的漏气量。可能引起采空区遗煤自燃。因此，如何管理采空区高浓度瓦斯，防止采空区残煤自燃，为煤矿安全开采提供可靠保障，是矿井安全可持续发展的基础。通过更换氮气，一方面可以消除采空区中有害气体对相邻工作面的安全威胁，另一方面保持采空区的惰化状态。这可以防止煤的重新点火和点火，最终可以有效地解决自然点火控制采空区有害气体的技术问题［1］。

2 氮气置换处理采空区有害气体的研究

2.1 对采空区有害气体的全面观测

对采空区的有害气体进行实时监测为了更好的研究其有害气体的组成成分，以及它的变化规律和影响的因素。通过这种方式，可以为评估采空区的安全状态，为以后的相关气体置换方案的开发和实施提供正确的基础资料。与此同时，也要积极研究讨论采空区漏风的解决办法，为后续治理治理采空区的有害气体打下坚实的基础。

2.2 采空区煤的氧化和惰化模拟实验

对采空区进行煤的氧化和惰化的模拟实验也是不容忽视的问题。通过上述模拟试验，可以掌握煤的低温氧化规律，CO的来源及其变化规律，采空区中最低氧的溶解度等。可以防止和控制煤的自燃的相关参数和通过氮置换方法替换有害气体。同时，对煤的加热和氧化热力学进行特性试验，并对自然点火标志气进行相关研究，为预测残余煤的自燃提供相应的基本参数。

2.3 采空区氮气置换工艺的研究

对于采空区置换工艺也需要进行一系列的研究，不断发掘新的采空区瓦斯的抽放技术和注氮技术、实时监控等方法。可以制定更好的气体置换方案和实施措施，最终可以更好的实现治理采空区瓦斯与遗煤自燃灾害双赢的目标。

2.4 解决措施的制定

我们需要考虑安全原则和先进适用的方法，制定相应的采空区火灾事故应急措施。根据科学的观念，确立“采用硝酸盐替代方法控制采空区有害气体”的技术实施方案。

3 氮气置换法治理采空区有害气体技术操作的关键点

3.1 学用氮气置换法，防止新鲜空气的进入

当气体从采空区抽出时，泵送的负压将在一定程度上破坏自由状态和气体吸附状态的动态平衡。因此，一部分吸附态气体将根据一定的衰减速度引入和解吸。当泵送到一定程度时，外部气体将进入采空区以补充采空区从采空区抽出的气体，最终导致采空区的空气泄漏源增加。因此，我们需要使用氮气来防止所有外来气体进入采空区并始终保持采空区的惰性状态。

3.2 遵守“先注后抽，控制抽量”的原则

针对采空区的气体置换，实施过程中必须遵守“先放，然后抽水，同时抽水和控制抽量，实时监控”的原则。这确保氮气惰化区平稳地深入采空区。最重要的是有必要向采空区注入一定量的氮气，并在注入氮气的同时提取气体。主要的原理是注入的氮气是抽走的瓦斯的一倍多。同时，在相应的注入和提取过程中，需要进行实时监测，并采样和测量采空区的气体组成和温度。最后推断出具有相应的泵送条件和判断泵送时间是否安全可靠。应用这项技术一是首次系统地提出并实施了“气体替代气体排放控制有害气体”，该方案提出了气体置换的基本原理，系统设备的选择和设计，气体置换的工艺流程和控制参数，以及采空区的检查和效果检测方案。采空区的气体浓度C1和抽水时间T必须符合式（1）关系。

式中，C1为抽放1h后的采空区瓦斯浓度；C0为抽放前采空区瓦斯浓度；T为抽放时间，h；Q为采空区瓦斯抽放流量，m3／h；V 为采空区体积，m3［2］。

3.3 选择合适的抽注位置

在我们进行气体更换之前必须选择合理的泵送位置。需要进行全面的观测研究确定在什么工作面上进行抽放钻孔。然后，通过采空区的高位钻孔泵送和排出气体的方法进行泵送。在采空洞承载采空区最高点的屋顶裂缝区，根据实际采空区布置相应的孔。在进行瓦斯的抽放时，我们必须坚持“低负压，大流量”，同时必须控制泵送的气体量不超过注入的氮气量。

4 强化氮气置换法治理的监督工作

相应的矿井在进行“采空区有害气体硝酸盐替代技术”的研究和整个实施的过程中，它的责任都是层层划分，可以落实到每一个班组以及个人，确保这项技术在真正实施的时候得到相应的保障。可以通过以下方式通过氮气置换，有效实施采空区有害气体技术［3］。

1）可以形成有序的瓦斯抽放预警系统，严格控制瓦斯抽放的全过程。每天报告注入采空区的氮气量，泵送的气体量以及采空区中气体的总体变化状态。最后得到矿长和总工程师的签字认可。

2）可以建立责任分析的制度，把责任进行严格的落实，保证氮气注入和抽放瓦斯的安全和正常的运行。

3）可以实行瓦斯抽放确认制，这样一来可以实施细节上的有效控制，相应的班组就会在抽放瓦斯之前对相应的设备以及管路进行全面的检查和核对，清楚地监测采空区中的气体和氧气含量等有害气体，从而可以更准确地计算注入的氮气量及其泵送时间。

4）可以进一步改进评估系统，并制定监测和评估氮气和气体注入的规定。“采空区有害气体硝酸盐替代技术”的有效运用。

5 氮气置换法治理采空区有害气体的最终成效

通过采用氮气置换法控制采空区的有害气体技术，可以全面观察采空区的瓦斯发生状况。采用处理采空区有害气体的系统设备，以及过程和安全监测技术。通过该技术的应用，可以极大地解决采空区自燃的危险，并且可以消除采空区中的气体积聚。确保了在煤的相邻侧采矿的安全性。

6 结语

综上所述，任何事物的提升，都不会是单方面的努力。“采空区有害气体硝酸盐替代技术”，针对瓦斯的抽放以及氮气的灵活注入。有效的对因为煤炭自然而引发的火灾进行了治理。同时，该技术为相关煤炭企业积累了宝贵的经验，减少了煤炭的自燃，从根本上解决了采空区有害气体对安全生产的威胁，提供了一条比较合理科学的解决途径。同时，大大提高了煤炭资源的回收率，延长了矿山的使用寿命，为矿山的安全生产奠定了基础。