连续开区注氮对采空区自燃“三带”分布特征的影响

2020-04-24王帅

煤矿安全 2020年4期

王帅

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺113122）

矿井火灾作为5 大灾害之一，对煤矿安全生产带来严重威胁[1-3]。截至2018 年12 月底，我国现有生产矿井3 373 座，核定产能35.3 亿t/a[4]。由于煤层赋存条件的复杂性和开采技术条件的特殊性，火灾重特大事故仍时有发生，其中煤炭自燃引起的火灾占70%以上，逐渐成为制约我国矿井安全生产的主要瓶颈之一[5-7]。

注氮惰化防灭火技术由于其具有工艺简单、操作方便，有优良的阻燃阻爆性能，逐渐成为我国自然发火矿井的主要防灭火技术手段[8-10]。近年来，国内外科研院所及高校先后研发了基于变压吸附[11]与膜分离[12]原理的2 种类型的制氮机；同时，根据使用地点的不同，又设计了地面固定式与井下移动式两种不同安装形式的制氮系统[13-14]。制氮系统通过埋管或钻孔的方式注入采空区内，起到稀释氧气，降低温度的作用。但由于大量氮气的注入使得采空区渗流场与气体浓度场发生了明显改变，需要因地制宜的开展注氮条件下的采空区自然发火危险区域划分，进而优化注氮参数，为防灭火技术措施的采取提供依据[15-16]。基于此，以大兴煤矿南五902 综采工作面为研究对象，探究不同开区注氮量条件下的采空区自燃“三带”分布规律，为合理优化采空区注氮参数提供依据。

1 工作面概况

大兴矿南五902 工作面位于南五采区东部，工作面走向长1 118 m，倾向长160 m，采用走向长壁后退式采煤法，综合机械化采煤工艺，自然垮落法处理采空区。工作面采用“U”型通风方式，风量1 100 m3/min。工作面所采9#煤层，平均煤厚为1.79 m，经鉴定为Ⅰ类易自燃煤层，最短自然发火期仅30 d 左右。回风巷掘进期间在 40～320 m 处发现 0.4～2.1 m火成岩岩床，回风巷火成岩从煤层底板侵入，在191～240 m 处逐渐过渡到煤层顶板，严重影响工作面推进速度，给工作面自然发火防治工作带来挑战。

因此，工作面回采初期设计采取以连续开区注氮为主的防灭火技术措施，利用地面固定式碳分子筛制氮机组，沿运输巷铺设2 趟注氮管路，其中第1趟管路出口距离切眼30 m，第2 趟管路出口距离切眼60 m。当第1 趟注氮管出口进入采空区30～60 m区域时进行注氮，超出60 m 范围后停止注氮，并断开第1 条注氮管，改由第2 条注氮管进行注氮，如此循环，直至工作面回采结束。初始注氮量为1 500 m3/h，24 h 连续开区注氮，氮气浓度大于97%。

2 采空区自燃“三带”划分依据及测定方案

2.1 煤自然发火临界氧浓度

目前，根据煤氧复合理论，可将采空区自然发火危险区域划分为“三带”，即散热带、氧化带以及自燃带。根据自燃“三带”划分方法的不同主要有3种：采空区漏风风速划分、氧浓度划分和温度划分[17]。氧浓度划分方法因其操作简单、取样方便、数据可靠等优点，逐渐成为煤炭行业应用最为广泛的测定方法。采用氧浓度φ（O2）划分方法测定采空区自燃“三带”时，一般通过预埋管路对采空区各点气体进行动态取样分析，获得各测点氧气含量的大小，表征该地点供氧与蓄热升温条件，进而判定煤体自然发火的可能性。其划分标准如下：散热带：φ（O2）＞18%；氧化带：18%≥φ（O2）≥φ（O2）L；窒息带：φ（O2）≤φ（O2）L。φ（O2）L为煤体自然发火临界氧浓度，当氧气浓度低于该值时，煤氧复合反应得到有效抑制，因此可以将其作为氧化带与窒息带的界限值。

为准确测定大兴煤矿9#煤层自然发火临界氧浓度，选取南五902 工作面新鲜暴露的煤体为研究对象，利用自主研发的煤自然发火模拟实验装置，分别开展 O2浓度 20.9%、10.0%以及 7.0%条件下的煤氧化气体产物及热力学特性实验研究。实验基本参数如下：粒度：100 目（＜0.15 mm）；质量：1 g；供气流量：100 cm3/min；升温速率：25～80 ℃为 0.5 ℃/min，80～201 ℃为 1.0 ℃/min，201～300 ℃为 2.0 ℃/min；取样间隔时间：20 min/次。

不同O2浓度条件下CO 气体产物与煤温关系曲线如图1。当煤体温度超过50 ℃后，各氧气浓度条件下均检出CO，且随煤体温度升高CO 浓度呈现先上升后下降的规律。其中，供氧浓度20.9%时，CO产生速率最快，浓度最高可达2 582×10-6；供氧浓度10.0%时，CO 产生速度开始放缓，最高浓度1 739×10-6；供氧浓度 7.0%时，CO 产生速率最低，最高浓度1 289×10-6。

不同O2浓度条件下热力学特征曲线如图2。供氧浓度20.9%时，煤体发生剧烈氧化，使得煤体温度高于实验炉温度，最高可达487 ℃；而当供氧浓度10.0%时，煤体温度平稳升高，并未出现剧烈氧化现象，说明该氧气浓度条件下，煤的氧化反应开始受到抑制，最高温度413 ℃；当氧气浓度7.0%时，煤体温升速率进一步减缓，最高温度391 ℃。

图2 不同氧气浓度下热力学特性曲线Fig.2 Thermodynamic characteristics of different oxygen concentrations

通过实验结果分析表明，与O2浓度20.9%相比，O2浓度 10.0%时，其 CO 产生速率、CO 最高浓度以及最高反应温度均呈现大幅度下降规律，煤体氧化进程开始减缓，且未出现剧烈氧化现象，说明煤体自然氧化受到抑制；而当O2浓度降低至7.0%时，煤体氧化进程进一步放缓，但降幅明显降低，说明O2浓度的降低对于煤自然氧化的影响开始减弱，因此最终确定9#煤层自然发火临界氧浓度为7%。

2.2 采空区自燃“三带”测定方案

南五902 工作面形成后，在回风巷内，自开切眼向外间隔20 m 设置1 趟取样束管，取样口依次编号1#～10#，采空区束管测点布置如图3。为防止束管被垮落后的顶板砸断或堵塞，设计采用“φ100 mm无缝钢管+三通连接头+筛管”的束管保护装置，其中无缝钢管长8 m；三通连接头水平段长2 m，竖直段长1 m；筛管上0.5 m。取样束管穿入保护装置后沿巷道外帮侧底板布置，束管取样口通过三通连接头放入筛管中，取样口连接束管采样器，防治粉尘及水蒸气进入束管，筛管沿巷帮固定，并用木垛加以保护。束管编号后依次向外延伸至巷道口位置，随工作面推进，取样点依次进入采空区，通过巷道内设置的取样泵依次抽取束管内气体进行取样分析。

图3 注氮管路及束管布置示意图Fig.3 Schematic layout of nitrogen injection pipeline and beam tube

为优化采空区注氮参数，分别选取1 500、1 200 m3/h 以及1 000 m3/h 3 种注氮量测试方案，开展不同注氮量采空区惰化效果考察。随工作面推进，注氮管路依次进入采空区，待第1 条注氮管进入采空区30 m 范围后，开始首次注氮，注氮量1 500 m3/h。同时，通过回风侧预埋束管进行采空区氧气浓度监测，待采空区束管测点氧气浓度稳定降至7%以下时，则改变注氮量，进行下一方案的惰化效果考察，循环往复，直至完成全部3 种注氮量条件下的采空区自燃“三带”分布规律测定工作。

3 采空区气体测试结果

3.1 采空区CO浓度变化规律

南五902 工作面3 种注氮量条件下采空区各地点CO 变化规律如图4。随工作面推进，采空区内遗煤逐渐氧化产生CO，但由于采空区浅部漏风较大，遗煤氧化时间短，因此CO 浓度维持在较低水平并缓慢升高，不同注氮量对该区域CO 浓度变化影响不大；工作面继续推进，采空区测点依次进入氧化带与窒息带范围，遗煤氧化产生的CO 浓度也呈现先升高后降低的变化规律，且随着注氮量的降低，采空区CO 产生速率与最高浓度均呈升高的趋势。

图4 不同注氮量条件下采空区CO 浓度变化曲线Fig.4 Variation of CO concentration in goaf under different nitrogen injection conditions

注氮量1 500 m3/h 与1 200 m3/h 条件下，采空区CO 变化规律基本一致，CO 最高浓度分别出现在采空区距工作面 42.4 m 和 53.6 m 位置，最大值分别为 103×10-6和 126×10-6，随工作面推进，CO 浓度缓慢降低并最终维持在10×10-6以下，且无其他自然发火标志气体出现，说明以上2 种注氮方案均有效抑制煤体自然氧化。当采空区注氮量降至1 000 m3/h 后，随工作面推进，采空区CO 浓度快速上升至195×10-6，且伴随微量C2H4出现，说明采空区遗煤发生激烈氧化，后通过均压通风、快速推进等手段，快速将隐患点甩入窒息带内，成功处置该起隐患。

3.2 采空区O2浓度变化规律

南五902 工作面3 种注氮量条件下采空区各地点O2变化规律如图5。随工作面推进，采空区各测点氧气浓度均呈现下降趋势；其中注氮量越大，采空区氧气浓度下降越快，氧化带范围越窄；但采空区注氮对O2浓度分布的影响范围存在一定限制，受采空区漏风及注氮扩散半径影响，注氮量对采空区浅部O2浓度下降作用并不明显。

图5 不同注氮量条件下采空区O2 浓度变化曲线Fig.5 Variation curves of O2 concentration in goaf under different nitrogen injection conditions

3.3 采空区自燃“三带”分布规律及最优注氮量

按照采空区自燃“三带”划分方法，结合采空区各测点O2实测结果，获得的3 种注氮量条件下采空区自燃“三带”分布见表1。从表1 可以看出，不同注氮量条件下采空区散热带宽度变化不大；注氮量对采空区氧化带范围影响较大，采空区注氮量越大自燃带范围越短，1 500、1 200、1 000 m3/h 3 种注氮量条件下，采空区氧化带宽度为 78.0、87.6、100.4 m。

根据煤氧复合理论，为避免采空区遗煤自然发火，遗煤在自燃带内的时间应小于该煤层的自然发火期，则工作面最小推进度为[18]：

式中：Vmin为工作面最小推进度，m/d；Lmax为采空区氧化带宽度，m；τmin为煤层最短发火期，d。

表1 不同注氮量条件下采空区自燃“三带”对比Table 1 Comparison of“three zones”of spontaneous combustion in goaf under different nitrogen injection

南五902 工作面回采过程中，受火成岩侵入煤层影响，导致采空区遗煤增多，工作面推进速度缓慢，平均进尺 4 刀/d，割煤截距 0.8 m/刀，平均推进度3.2 m/d；根据鉴定结果表明，9#煤层自然发火期30 d；则采空区氧化带宽度为＜96 m。

因此，南五902 工作面氧化带宽度应小于96 m，根据自燃“三带”测定结果，采空区注氮量1000 m3/h 时，氧化带宽度为100.4 m，超出了最大氧化带宽度范围，易导致采空区自然发火，理论计算结果在现场实测中得到验证，证明计算结果的准确性。在科学防火与经济治灾的前提下，结合实地考察的采空区惰化效果，最终确定采空区注氮量1 200 m3/h时，即可满足工作面日常防火需要。