深井自燃煤层注复合惰气防灭火技术研究

邹宗旺 牛俊国 唐 礼

（1.山东唐口煤业有限公司，山东 济宁 272055；2.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）

煤炭是我国最主要的能源，对于国民经济的稳定发展起着重要的作用。然而受采空区遗煤自燃影响，我国每年由煤炭自燃而损失的煤炭多达2亿t，给矿井造成了极大的经济损失。随着矿井开采深度的增加，采空区遗煤自然发火形势将更加严峻。尤其当矿井在停采、遇断层期间，其采空区遗煤自然发火危险性将进一步加剧。

目前，注CO2防灭火技术是深井自燃矿井用于井下煤自然发火防治工作中最有效的手段之一， 然而CO2由于制备成本较高，在停采或过断层期间大面积长时间注入时其成本昂贵，经济效益相对较差。因此根据现有注惰性气体的优缺点，提出了将CO2及N2等按比例混合制成复合惰化气体，采用复合惰化气体用于深井自燃防灭火工作中的新思路。

1 矿井概况

唐口煤矿位于济宁市西部，行政区划属济宁市任城区南张镇管辖。井田南北长11.4～12.6km，东西宽2.1～7.4km，面积72.2189km2，开采深度标高-650m～ -1300m。5306工作面是530采区的第6个回采工作面，工作面标高-930.3～ -879.4m，煤层厚度3.0～9.9m，平均厚度5.5m，煤层倾角在0～12°之间，平均5°，原岩温度在30℃。工作面宽248m，可采长度为1800m。经鉴定：5306煤层属于Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期为69d。

2 停采撤面期间自燃危险因素分析

唐口煤矿5306工作面属于深井易自燃煤层，其采空区内遗煤自燃影响因素主要分为以下四个方面。

2.1 煤质自身易发火

经鉴定5306煤层属于Ⅱ类自燃煤层，其最短自然发火期为69d。且煤层成分以亮煤为主，煤体自身易破碎，破碎后与氧接触范围更为充分，蓄热条件更好，氧化蓄热条件更为充分。

2.2 深井开采地应力、地温高

5306煤层埋深近千米，深井开采过程煤层所受地应力较大，在地应力作用下，靠近工作面煤壁极易在应力作用下产生压酥变形，从而产生一定的漏风通道，加剧采空区内氧气供应。且随着埋深的增加，采空区内原始温度逐渐增加。经测定5306工作面采空区后方原始温度将近40°，工作面温度较高使得采空区遗煤氧化蓄热条件更加充分。

2.3 断层紧临停采线

5306工作面在靠近停采线时遇到断层，断层与停采线位置如图1所示。断层处遗煤较多，在停采前采空区后方具有较好的遗煤自燃基础。同时工作面在靠近断层处推采缓慢，工作面推采缓慢直接导致采空区内部处于长时间的氧化蓄热时间，且5306工作面断层推进结束后，直接进入停采撤面期间，从而使得原氧化蓄热煤体自燃蓄热态势得以延续，氧化带内部煤体仍得到长时间充分供氧。

图1 断层与停采线位置图

2.4 停采撤面时间长 、氧化带范围大

受深井开采的影响，5306工作面支架移架过程中工作面顶板开采更为破碎，支架移动缓慢。加之5306工作面宽度较大（248m），因此在移架过程中所需时间较普通煤层更长。而停采撤面时间过长及断层紧邻停采线将直接导致采空区后方遗煤长时间处于充分的氧化蓄热状态，致使采空区遗煤自燃的发生。受工作面宽度大、深井高温工作面供风量较大的影响，其采空区内部氧化带范围较其他煤层而言更大，进一步加大了采空区遗煤自燃防治难度。

通过分析可知， 5306工作面在停采撤面期间极易发生大面积长时间遗煤自然发火灾害。由于其发火时间长、发火面积大，因此原有注CO2防灭火技术的劣势将更为突出，因此在停采期间采用注复合惰化气体防灭火技术用于井下煤自燃的防治工作。

3 采空区遗煤自燃预测预警体系

为准确掌握采空区内部遗煤自然发火情况，采用束管分析取样、安全监测、人工监测、束管安全监测等方式对采空区遗煤自然发火情况进行了监测分析。通过结合工作面人工收集的数据及通过气象色谱仪对采空区收集而来的气样进行的分析结果，明晰了5306工作面采空区遗煤自然发火情况，进而建立采空区遗煤自然发火预测预警体系，实时掌握并分析5306工作面采空区遗煤自然发火情况，为工作面防灭火措施的实施及控火效果提供相应的判断依据。

（1）人工观测

检测地点：回风隅角、工作面风流。

（2）安全监测

检测地点：工作面回风流。

检测参数：CO、CH4、T（温度）。

（3）人工取样分析

采样地点：回风隅角（支架后部）、风流瓦斯检查点处和需要检测的其他地点。

（4）束管循环监测

每日上午安排专用气体分析工利用矿井专用气相色谱仪对采空区内埋设的束管井下抽集采样，并形成报表。

4 采空区注复合惰气防灭火技术

为兼顾深井自燃煤层防火的高效及经济性，结合矿井现有注惰防灭火技术及设备，提出了注复合惰化气体防灭火技术。

（1）复合惰化气体制备过程

复合惰化气体所需N2由井下制氮机分离空气而得，井下所需气态CO2由二氧化碳槽车内提供的液态CO2经过工作站气化而得。通过控制制氮机及二氧化碳工作站内相应阀门，从而保持N2与CO2流量一致。同时由于CO2及N2是两种理化性质完全不同的气体，故还需要使用专用气体混合器将两种气体混合均匀。CO2及N2通过气体混合设备后，复合惰化气体制备完成。

（2）复合惰化气体压注管路

复合惰化气体混合器位于5306一路联络巷内，CO2及N2分别由下列线路到达气体混合器内。

N2：南轨南四路联络巷制氮机→南轨南四路回风联络巷→南部回风大巷→5306一路联络巷→复合惰化气体混合设备。

CO2：运输线路为CO2防灭火工作站→钻孔（Φ219mm）→回风石门（Φ159mm）→回风石门（1）（Φ159mm）→南部回风大巷→5305回风钻孔（Φ108mm）→5306一路联络巷→复合惰化气体混合设备。

上述两种气体在混合器内经过充分混合均匀后制成复合惰化气体，复合惰化气经由下列线路运输至采空区：复合惰化气体混合设备→5306一路联络巷→5306皮带顺槽→5306皮顺进风隅角防火墙以里→5306采空区。

惰化气体运输线路如图2所示。

图2 惰性气体运输线路图

5 复合惰化气体防灭火效果及经济性分析

工作面于2月17日进入停采撤面阶段，停采撤面后工作面CO浓度迅速从2月17日的2ppm上升至2月24日的15ppm。为了有效对采空区内遗煤自燃进行控制，在2月25日采取了注复合惰化气体防灭火措施。自2月25日至3月4日，共计向采空区内部注入10.1万m3复合惰化气体，平均日注惰量达到1.25万m3左右。注入复合惰化气体8d后，工作面CO浓度迅速自15ppm下降至0ppm，证明复合惰化气体有效地抑制了采空区遗煤自燃，达到了与注CO2防灭火技术相同的效果。

复合惰化气体的价格为2.24元/m3，CO2的价格为3.94元/m3，其成本仅为注CO2防灭火技术的56%左右。说明复合惰化气体在有效防治深井采空区遗煤自燃的同时，其经济及实用性亦更高。

6 结论

（1）分析了唐口煤矿5306工作面深井自燃煤层停采撤面期间遗煤自然发火的特性，并提出了注复合惰化气体防灭火措施。

（2）复合惰化气体防灭火技术能够有效地抑制采空区内部遗煤自燃。在采用该技术8d后，工作面CO浓度由15ppm下降至0ppm，且其成本仅为注CO2防灭火技术的56%左右。说明复合惰化气体具有更高的经济性及实用性。