近距離煤層工作面上覆采空區(qū)注液氮防滅火效果研究

孫連勝，陳寶義

（1.國(guó)家能源投資集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司 寸草塔煤礦，內(nèi)蒙古 伊金霍洛 017209；2.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

礦井內(nèi)外因火災(zāi)是煤礦常見(jiàn)的災(zāi)害，不僅嚴(yán)重威脅井下作業(yè)人員的生命安全，還影響礦井的正常生產(chǎn)接續(xù)計(jì)劃。采空區(qū)是煤層正常開(kāi)采后留下的破碎、壓實(shí)的三維多孔介質(zhì)空間[1]，在三維松散體空間內(nèi)充填著不同粒徑的塊狀及粉末狀遺煤，由于漏風(fēng)通道長(zhǎng)期處于動(dòng)態(tài)通風(fēng)供氧導(dǎo)致遺煤氧化蓄熱后發(fā)生自燃。近距離煤層群開(kāi)采，下覆煤層工作面回采過(guò)程中，復(fù)雜漏風(fēng)條件下，上覆采空區(qū)遺煤發(fā)生緩慢氧化自燃后，其產(chǎn)生的CO等有毒有害氣體會(huì)在下覆工作面負(fù)壓通風(fēng)作用下經(jīng)采動(dòng)裂隙下泄至工作面開(kāi)采空間[2]，嚴(yán)重威脅井下作業(yè)人員的生命安全。因此，結(jié)合西部地區(qū)某礦22303工作面，針對(duì)其上覆火區(qū)下的安全回采問(wèn)題，首先應(yīng)積極對(duì)高溫火區(qū)進(jìn)行有效治理，為下覆工作面生產(chǎn)消除安全隱患。

1 工作面概況

22303工作面是該煤礦三盤(pán)區(qū)第3個(gè)綜采工作面，工作面走向長(zhǎng)度3 914 m，傾斜長(zhǎng)度300 m，煤層設(shè)計(jì)采高為2.6 m。工作面距上覆采空區(qū)最近約120 m，地表鉆探結(jié)果表明：22303工作面上覆采空區(qū)存在局部高溫區(qū)域，經(jīng)測(cè)溫得知鉆孔孔底溫度最高在75℃，且高溫區(qū)域各鉆孔孔口呈微弱出氣狀態(tài)，便攜儀測(cè)得CO濃度最高在150×10-6左右。通過(guò)測(cè)溫取氣可知工作面上覆高溫區(qū)域遺煤目前處于氧化階段，其工作面和上覆高溫火區(qū)位置如圖1。

圖1 22303工作面與上覆火區(qū)位置關(guān)系圖

22303工作面上覆高溫區(qū)域在原工作面切眼附近沿著傾向布置鉆孔10個(gè)，鉆孔間距25 m。鉆孔形成后對(duì)地表鉆孔進(jìn)行持續(xù)測(cè)溫取氣后發(fā)現(xiàn)各鉆孔均為高溫狀態(tài)，溫度和氣體濃度相差不大，溫度平均在50～75℃之間，孔口CO濃度在200×10-6左右。實(shí)時(shí)關(guān)注高溫區(qū)域的發(fā)展變化，開(kāi)采前利用上覆高溫區(qū)域所有鉆孔采取注液氮治理工作，根據(jù)煤田火區(qū)成因機(jī)理，按照煤田滅火規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，治理后火區(qū)的溫度應(yīng)在70℃以下方可進(jìn)行安全生產(chǎn)[3]。根據(jù)初期探測(cè)的火區(qū)范圍及液氮的氣化性質(zhì)對(duì)所布置的10個(gè)鉆孔進(jìn)行設(shè)計(jì)。22303工作面上覆火區(qū)地表鉆孔位置關(guān)系圖如圖2。其平面位置及初期孔口CO濃度變化（1#鉆孔）曲線如圖3。

圖2 22303工作面上覆火區(qū)地表鉆孔位置關(guān)系圖

2 上覆高溫區(qū)域鉆孔注液氮治理方案

圖3 22301工作面上覆火區(qū)1#地表鉆孔CO濃度曲線圖（2018年）

22303首采工作面由于生產(chǎn)接續(xù)需要，且通過(guò)鉆孔進(jìn)行常規(guī)注漿降溫周期長(zhǎng)，水土分離后水流易沿固定裂隙流淌[4]，不能起到大范圍治理效果。液氮具有低溫、易儲(chǔ)存、易運(yùn)輸、成本低、汽化熱作用明顯、降溫效果突出、大面積惰化充填空間等優(yōu)點(diǎn)[5]，經(jīng)研究后決定對(duì)高溫區(qū)域的10個(gè)鉆孔進(jìn)行注液氮快速降溫治理。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)注氮完成并達(dá)到回采要求后應(yīng)在下覆22303工作面正常期間加強(qiáng)地表鉆孔的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)溫度、氣體有反彈跡象及時(shí)補(bǔ)注液氮，尤其是下覆工作面頂板初次來(lái)壓后應(yīng)對(duì)地表鉆孔集中補(bǔ)注1次液氮，以惰化上覆采空區(qū)及本層采空區(qū)，確保工作面正?；夭伞?/p>

2.1 液氮量計(jì)算

為了使火區(qū)得到有效控制從而不影響22303工作面正常安全回采，預(yù)計(jì)將上覆高溫火區(qū)三維多空介質(zhì)空間內(nèi)充滿(mǎn)氮?dú)膺M(jìn)行惰化處理，暫不考慮采空區(qū)頂板下沉量和氮?dú)獾膿p失量[6]。經(jīng)理論計(jì)算得知上覆高溫區(qū)域面積約61 000 m2。常溫狀態(tài)下，已知1 t液態(tài)氮轉(zhuǎn)換成氣體為800 m3[7]。上覆煤層為綜采工作面開(kāi)采，采高為2 m，液態(tài)氮計(jì)算方法如下：

式中：T為注液氮總量；S為高溫區(qū)域面積；H為采高。

經(jīng)理論計(jì)算后T=152.5 t，即得出上覆高溫區(qū)域總共需要152.5 t?？紤]到高溫區(qū)域有橫向發(fā)展跡象，在注液氮總量上需有一定富余度，再結(jié)合工業(yè)注液氮車(chē)容量，本次對(duì)高溫區(qū)域共注入約230 t液氮，共計(jì)10車(chē)。平均每個(gè)鉆孔注入液態(tài)氮量約為23 t。

2.2 注液氮方式

本次注液氮共計(jì)10車(chē)，約230 t。沿著上覆采空區(qū)傾斜方向已打鉆孔編號(hào)采用單車(chē)、單孔、定壓（0.8 MPa）、分組、連續(xù)直注方式，即 1#、10#，2#、9#，3#、8#，4#、7#，5#、6#共計(jì) 5 組。工業(yè)用槽車(chē)釋放裝置與鉆孔孔口對(duì)接完成后將壓力表壓力設(shè)置0.8 MPa位置，第1d注1#、10#鉆孔，第 2 d 注 2#、9#，以此類(lèi)推，分5 d注完。

2.3 鉆孔觀測(cè)

所有設(shè)計(jì)鉆孔分組依次完成注氮后，各鉆孔孔口應(yīng)用法蘭密封。每天安排專(zhuān)人對(duì)所有注氮孔進(jìn)行測(cè)溫導(dǎo)線孔底測(cè)溫及DN15 mm管孔底取氣分析[8]，主要記錄所有鉆孔在注液氮后溫度、CO氣體的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)高溫區(qū)域局部出現(xiàn)反彈跡象時(shí)應(yīng)根據(jù)情況及時(shí)補(bǔ)注適量液氮。

2.4 注氮效果分析

當(dāng)高溫區(qū)域1#、10#注完2車(chē)液氮后，當(dāng)天利用測(cè)溫導(dǎo)線測(cè)得1#、10#鉆孔孔底溫度為-160℃左右，孔口測(cè)得CO濃度在400×10-6左右，有明顯上升趨勢(shì)。測(cè)得其鄰近鉆孔孔底溫度有所下降，下降幅度在5℃左右，其它鉆孔基本不受影響。當(dāng)5組鉆孔全部注完液氮后，應(yīng)對(duì)鉆孔孔口進(jìn)行密封處理，防止氮?dú)鈹U(kuò)散溢出影響注氮效果，并連續(xù)對(duì)鉆孔溫度和CO濃度進(jìn)行觀測(cè)。1#鉆孔注完液氮后溫度和CO濃度變化規(guī)律曲線圖如圖4。22301工作面上覆火區(qū)1#鉆孔注液氮后溫度變化曲線圖如圖5。

圖4 1#鉆孔注液氮后CO濃度變化曲線圖（2017—2018年）

圖5 22303工作面上覆火區(qū)1#鉆孔注液氮后溫度變化曲線圖（2017—2018年）

由圖5可知，液氮對(duì)高溫區(qū)域的降溫效果十分明顯，且鉆孔在注完后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍處于零下低溫狀態(tài)。CO濃度在注氮后有短暫的上升趨勢(shì)，幾天后便呈下降趨勢(shì)，分析是液氮?dú)饣笾脫Q出高溫區(qū)域的高濃度CO使其濃度有較明顯升高趨勢(shì)[9]，當(dāng)液氮大面積氣化并充填惰化采空區(qū)后CO濃度便被稀釋而降低[10]。通過(guò)上覆高溫區(qū)域單孔注液氮現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用來(lái)看，單孔有效治理半徑不低于25 m，液氮?dú)饣笥行Ф杌瘏^(qū)域不小于625 m2[11]。

3 高溫區(qū)域鉆孔注液氮治理效果

1）通過(guò)科學(xué)的理論計(jì)算，將液氮?dú)饣笥行У亩杌娣e確定后可以合理地確定高溫區(qū)域注氮孔的設(shè)計(jì)位置、數(shù)量。

2）液氮對(duì)于高溫區(qū)域的治理效果十分理想，不僅能夠短時(shí)間內(nèi)迅速降低與其接觸的高溫煤體表面，還能抑制高溫區(qū)域在短期內(nèi)溫度反彈現(xiàn)象，使作用區(qū)域溫度在一段時(shí)間內(nèi)維持較低的水平。

3）單孔注液氮的有效治理半徑不僅與高溫區(qū)域溫度狀態(tài)有關(guān)，還和注氮量、注氮壓力、采空區(qū)壓實(shí)程度等參數(shù)有關(guān)。

4）對(duì)于高溫火區(qū)的治理應(yīng)是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，在加強(qiáng)觀測(cè)的基礎(chǔ)上及時(shí)對(duì)局部或全部鉆孔進(jìn)行補(bǔ)注液氮以使得高溫區(qū)域呈長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

1）沿工作面傾向設(shè)計(jì)的治理鉆孔數(shù)量基本能夠滿(mǎn)足全面惰化溫度異常區(qū)域的需要。

2）高溫區(qū)域鉆孔實(shí)施注液氮措施后，孔內(nèi)有害氣體CO濃度呈現(xiàn)出先升高后持續(xù)下降趨勢(shì)、溫度則呈現(xiàn)斷崖式下降至最低水平后逐漸升高趨勢(shì)。

3）22303首采工作面在實(shí)施注氮治理措施后可確保工作面正常安全回采，直至推過(guò)上覆溫度異常區(qū)域。