南屯煤矿煤层预裂注阻化剂防灭火研究

马 旭，张延松，李志勇，孙计全，上官良良

（1.山东科技大学，山东青岛266590；2.山东能源集团南屯煤矿，山东邹城273515；3.山东能源集团兴隆庄煤矿，山东邹城272102）

0 引 言

南屯煤矿位于山东省邹城市西边，属于兖州煤业股份公司。煤层有自燃的倾向，自然发火期为3~6 个月。93下09 工作面概况：在2018 年12 月对该工作面进行了预裂注阻化剂试验。该工作面位于九采二分区中部，走向长度为382.3 m，斜坡长度为118.8 m，西部和南部与3下煤风氧化带相邻，东部是南渐兴村庄保护性煤柱，北侧是 93下07 工作面，南部 93下09 工作面采空区1 号联络巷。工作面的巷道将分别与原来的93上09 下顺通道、93上09 上顺通道连接。

物理阻化剂一般有很好的吸水性，在注入之后，水分蒸发，会降低煤周边的温度，从而应用比较广泛，常见的物理阻化剂有：NH4HCO3、NH4Cl、碳酰二胺、过硫酸钠、聚乙酸乙烯酯乳液[1-2]。但其热解会产生有毒有害气体，安全性差，不适合预注；Ca（OH）2成本低、材料易得，对高硫煤有较好的阻化效果，但其溶解度太低，且水溶液有较强的碱性，对井下机械设备腐蚀严重，不适合预注；抗氧剂A、MgCl2－抗氧剂A 等阻化剂不溶于水或部分不溶于水，无法用于预注；LDHs、DDS 等复合阻化剂阻化率高、阻化效果好，但成本较高或制备工艺复杂，不适宜在井下大量使用；MgCl2、CaCl2、NH4H2PO4等传统阻化剂，阻化效果较好，且价格便宜、安全性高，适合用于大量预注[3-4]。因此，本文选择 MgCl2、CaCl2、NH4H2PO4作为预注实验的阻化剂。

1 南屯煤矿93 下09 工作面预裂注阻化剂试验

1.1 阻化液制备

考虑到成本问题，现场预注时决定采用浓度为15%的MgCl2阻化液，阻化液的制备工艺见图1。

首先，按照阻化液配制浓度的要求将适量的阻化剂加入水箱1 和2 中；其次打开供水管，将水箱1 和2 中的阻化剂配置成浓度为15%的阻化液；然后，打开水箱1 出口处的截止阀，先将水箱1 中的阻化液注入煤体中，当水箱1 中的阻化液注完时，再将水箱2中的阻化液注入煤体中，并同时配置水箱1 中的阻化液。如此循环往复，可保障阻化剂溶液能源源不断的注入煤层中。

图1 阻化液制备工艺

1.2 注液系统

注液系统参照表1 配备，注液系统布置如图2 所示。把工作面的钻孔分成2 个组，用2 部ZL—750 型钻机打注液孔，1 个水泵负责对第1～12 号注液孔预注阻化液，另外1 台水泵负责对第13～24 号注液孔预注阻化液。为确保工程进度，2 个水泵可以同时工作互不干涉。

表1 注液系统主要设备的数量及规格

图2 注液系统示意图

2 预裂后煤层注阻化剂防灭火效果考察

采用KSS－200 型束管监控系统，根据图3 所示的方式布置温度测量点，并对采空区内的气体成份浓度和温度进行了测量。表2、3 给出了进风侧测点1#和回风侧测点4#2 个测点在未预注阻化液情况下的测定结果。表4、5 给出了进风侧测点1#和回风侧测点4#2 个测点在预注阻化液情况下的测定结果。

图3 束管铺设示意图

表2 未预注阻化液时进风侧1#测点指标气体浓度及温度

表3 未预注阻化液时回风侧4#测点指标气体浓度及温度

表4 预注阻化液后进风侧1#测点指标气体浓度及温度

表5 预注阻化液后回风侧4#测点指标气体浓度及温度

2.1 预注阻化液前后CO 体积分数变化规律分析

图 4 示为 1#、4#、1 和 4 4 个测点的 CO 浓度变化曲线，可以看出：

图4 阻化液前后测点CO 浓度变化曲线

1）不管是预注阻化液前，还是预注阻化液后，采空区回风侧测点4#和4#监测到的CO 浓度都远超过了距离工作面同距离情况下采空区进风侧测点1#和11#监测到的CO 浓度，这说明南屯矿93下09 工作面采空区回风侧煤的氧化更严重，且预注阻化液前后采空区进回风测的CO 浓度均随距离工作面距离的增加而增大。

2）预注阻化液前，从距离工作面30 m 开始，采空区回风侧煤氧化速度突然加快，CO 浓度迅速增加，当距离为80 m 时，CO 的浓度达到了最大值，这可以解释，在回风侧，从距采空区工作面30 m 的距离开始，采空区采开始具有氧化蓄热的环境，煤的氧化才开始慢慢加速。

3）在预注了阻化液后，在距离工作面采空区同等距离位置，CO 的浓度明显降低，且在距离工作面30～100 m 范围内，体积分数明显降低，但总体变化的趋势与预注阻化液之前的趋势一致。预注阻化液前后，CO 浓度较高的区域推后了约70 m 左右。

2.2 预注阻化液前后CO2 体积分数变化规律分析

在煤逐渐氧化的过程中，CO2的浓度会随着CO的浓度增大而相应的增大。从图6 点CO2体积分数变化曲线可知：

1）在预注阻化液之前，在回风侧0~30 m 的工作面采空区内，CO2的浓度变化不是太明显，在80 ~120 m 的范围内，为CO2浓度较高的区域，且在回风侧CO2的浓度远高于进风侧的浓度。

2）在预注阻化液之后，在距离工作面同等长度的采空区，CO2的浓度明显下降，且在0~60 m 的范围之内，CO2的浓度变化不是太明显。这是由于煤层预裂注阻化液使煤在开采的时候更容易破碎，对于破碎的煤，距离工作面不相同，其压实程度也各不相同，则其CO2的浓度也会不一样。

图5 阻化液前后测点CO2 浓度变化曲线

比较图4、图5 可以得出以下结论：在这个工作面的采空区，CO 浓度较低，而CO2的浓度较高。这是由于在这个阶段的采空区浮煤氧化还处于富氧氧化的阶段，在此阶段氧化中心的温度还不是很高，在氧化过程中生成的CO2的浓度高于CO 的浓度。

3）预注阻化液前后温度变化规律分析

图6 阻化液前后测点温度变化曲线

测点的温度变化曲线如图6 所示，得出结论：

1）在注阻化液前后，温度上较高的区域基本上在回风的一侧，在预注阻化液之前，在距离工作面70 m位置处稍微的采空区回风侧，温度达高35℃；当预注阻化液之后，距离工作面110 m 处的采空区回风测，其温度才仅仅为35℃，所以，预注阻化液对抑制采空区浮煤氧化自燃现象的效果很显著。

2）在0～40 m 内的工作面采空区内，进回风测的温度都会低于27℃，这是由于预注阻化液，其中水分蒸发造成的结果。水汽化会吸热，从而将煤氧化产生的一部分热量及时地传导出去，此区域的温度就会明显降低一些。

3 结束语

通过对南屯煤矿93下09 工作面预裂注阻化剂的测定和计算，按照正常采煤进度4m/d，预注阻化液后，CO 较高体积分数区域向采空区深部至少推后了70m，这使得煤的氧化进程至少推后了15 d，因此在某种程度上降低了工作面采空区自然发火的危险性。