综放工作面连续低温注氮防火技术应用

臧燕杰，杨彦龙

（国家能源集团沙吉海煤矿，新疆 和布克赛尔 834411）

1 概况

沙吉海煤矿位于新疆和布克赛尔蒙古自治县特大型煤田内，行政区域隶属和布克赛尔蒙古自治县，距离县城70 km。沙吉海煤矿井田面积为44 km2，可采储量4.7亿吨，设计生产能力5.0 Mt/a；采用2斜井1立井的综合开拓方式；主要运输采用带式运输机，辅助运输为无轨胶轮车；通风方法采用机械抽出式；通风方式为中央分列式，主、副斜井进风，立风井回风。

该矿目前开采B10煤层，该煤层为31号不粘煤、41号长焰煤，经鉴定煤尘具有爆炸危险性，属于容易自燃煤层（I类），煤层最短自然发火期45天。B10煤层平均厚度约6.8 m，煤层倾角为9°～16°，平均为13°，其顶、底板均为泥砂岩。工作面采用综采放顶煤开采工艺，工作面斜长253 m，设计采高为3.2 m，采放比为1∶1.12。工作面沿倾向布置，顺槽沿煤层顶板布置。工作面采用下行通风，通风方式为“U”型，设计风量为1 251 m3/min，实际供风1 300 m3/min。

2 矿井防灭火系统建设情况

沙吉海煤矿在立风井工业广场设有灌浆站及储灰场，安装ZLJ-60型灌浆设备2套（每套制浆能力为60 m3/h，1用1备）；副斜井工业广场压风制氮车间安装AH-GT-2000型制氮机2台（每套制氮能力为2 000 m3/h，1用1备）；地面设有JSG-8型束管监测系统1套，气相色谱仪型号GC-2060，在+670 m水平变电硐室安装1套JSG-5激光束管监测系统，用于对采空区气体连续实时监测分析，监测数据上传至地面智能化信息管控平台；综放工作面采空区预埋设铠装式测温电阻3个（循环测温）和光纤测温系统。矿井建有完善的“防灭火”管理组织机构，编制了相应的矿井防灭火设计和综放工作面防灭火设计、方案及安全技术措施。

3 综放工作面防灭火工作现状

在液压支架尾梁附近沿工作面倾斜方向每间隔50 m，预埋一路全长（全断面）注氮花管并连续注氮形成氮气幕来预防采空区遗煤发火，设计注氮流量为908 m3/h［1-3］。沿工作面倾斜方向每间隔30 m埋设一趟注浆管路，管路长约20 m，注浆管打满花眼，易于浆液渗流，设计每次灌浆量为84 m3。结合工作面实际生产状况，每天夜班在上、下端头15 m范围区域进行喷洒阻化剂。

依据工作面采空区自然发火“三带”［4-6］范围及宽度埋设束管采样器，每天利用JSG-5自然发火在线监测系统对采空区气体进行连续抽样分析，预测采空区是否存在发火征兆。采空区温度监测主要以分布式光纤在线测温系统为主，铠装测温电阻作为辅助监测手段，工作面采空区铺设测温光纤，可对工作面采空区温度进行实时在线监测［7］。

虽然采取了以上综合防灭火措施，但工作面采空区煤层自燃治理效果不明显，B1003W03工作面生产时采空区及回风隅角CO浓度居高不下，回风隅角CO浓度最高时达180 ppm［8-9］。

4 工作面采空区CO浓度过高原因分析

1）B1003W03工作面受过地质构造影响，直接顶砂岩受淋水浸泡变的软化、松散，为加强顶板管理，使得托顶煤变厚，回采期间减少放顶煤，易造成采空区存有大量遗煤。根据B1003W03工作面作业规程，工作面机采回采率为93%，放煤回采率为70%，综合回采率为75%。工作面回风顺槽和进风顺槽沿煤层顶板掘进，巷道高度分别为3.65 m和3.75 m，宽度均为5.4 m。工作面支架具体布置如图1所示。

图1 工作面与上、下顺槽衔接

（1）工作面下部端头：采用布置“锅底坑”的方式连接回风顺槽，具体为1#～4#液压支架按照0°布置，5#～12#液压支架由0°逐步抬升至9°，之后液压支架沿工作面底板正常布置。

（2）工作面上部端头：采用增大工作面倾斜角度的方式连接进风顺槽，具体为：133#～136#支架倾斜角度由9°逐步抬升为11°，之后137#～148#支架按照倾斜角度13°布置至W03工作面进风顺槽上帮。

（3）工作面中间段：13#～132#支架倾斜布置平均角度为9°。

2）开采强度增加，工作面揭露煤体及采空区遗留浮煤增加。

随着矿井产能的逐步释放，B1003W03工作面开采期间日产量较B1003W01、B1003E02工作面实现了跳跃式增长，由于开采强度的大幅增加，每天揭露煤体及采空区遗留的浮煤明显增多，揭露的煤体及遗留的浮煤氧化后造成CO浓度升高。

3）B1003W03工作面开采标高抬升并位于上部含水层静水位之上，直接顶板淋水减少，自然灌浆优势消失。

在B1003W01、B1003E02工作面开采期间，两工作面均位于西山窑组含水层静水位之下，回采后煤层泥岩、含水砂岩等直接顶板冒落并随着含水砂岩内赋存水释放，泥岩崩解、沙化，形成立体式自然灌浆，减缓了采空区遗煤低温氧化速率。根据当前水文观测，上部西山窑组含水层静水位正处于B1003W03工作面两顺槽之间，工作面淋水减少，自然灌浆优势消失［10］。

4）工作面采用下行通风及端头支架支护，减弱了通风对CO浓度的稀释作用。

一是B1003W03工作面采用下行通风，风流方向与自然风压方向相反，不利于CO气体稀释排出。二是工作面下端头采用端头支架支护，采空区方向支护面积较宽，回风隅角面积增大。同时由于工作面支架工作阻力有限，立柱行程长期处于低位状态，通风断面减小。以上因素造成B1003W03工作面回风隅角区域涡流区增加，该区域CO气体不易被风流稀释排出，致使CO气体积聚。

5 对现有防灭火措施的改进

由于B1003W03工作面采取综合防灭火措施后，工作面回风隅角CO治理效果不明显，为了降低工作面回风隅角CO浓度，确保工作面采空区防灭火效果，决定引进氮气冷却装置［11］进行采空区注氮。

1）装置组成：采用ZLDOG-1500G型煤矿用氮气冷却装置，该装置由单螺杆压缩、风冷式冷凝器、油气分离器、膨胀阀、蒸发器及防爆电气设备等组成，防爆电器应具有防爆合格证及安标证。

2）冷氮装置管路安装：根据沙吉海煤矿地面现有的注氮系统，主管路采用DN159×4.5无缝钢管由制氮机沿综合管沟至主斜井、清理撒煤斜巷、检修平巷至运输石门，支管采用DN108×4无缝钢管由运输石门、轨运石门B10联络巷、轨道上山、B1003W03进风顺槽到工作面；在工作面设备列车前200 m处安装“一变四”控制阀门以便使预埋管进入预定地点时进行开启。设计在B1003W03工作面进风顺槽设备列车尾部安装1台氮气制冷装置，制冷能力1 500 m3/h，制冷温度-30℃，用高压软管连接氮气管路，氮气经制冷装置冷却后注入采空区［12］。

注氮管路埋设选用ϕ50 mm阻燃聚乙烯管，每根注氮管间隔1 m布置2个ϕ10 mm的氮气扩散孔。注氮管路沿进风顺槽外侧铺设，在液压支架尾梁附近以90°弯拐向采空区,沿工作面倾斜方向，预埋一趟全长注氮花管并连续注氮形成氮气幕来预防采空区遗煤发火。注氮管孔口不可向上，需将花管加以保护，防止浮煤堵塞注氮孔,注氮管路末端用风筒布封堵。全长注氮花管埋设步距：根据采空区“三带”测定结果，工作面正常回采时（≥1.6 m/d）采空区埋设注氮管间距为50 m，回采速度较慢时（＜1.6 m/d）采空区埋设注氮管间距为30 m，当注氮管进入采空区20 m时开始注氮，进入采空区63.6 m后停止注氮［13］，如图2所示。

根据工作面采空区煤层自燃“三带”划分：散热带：进风侧0～20 m，回风侧0～9 m；氧化带：进风侧范围为20～63.6 m，回风侧范围为9～53.6 m；窒息带：进风侧＞63.6 m，回风侧＞53.6 m，具体划分如图3所示。

图2 采空区注氮管路布置

图3 采空区“三带”划分范围

3）注氮流量计算

按《煤炭矿井设计防火规范》（GB 51078-2015），计算公式为：

式中：QN为注氮流量，m3/h；Q0为采空区氧化带内漏风量，m3/min；C1为采空区氧化带内平均氧浓度，取13%；C2为采空区惰化防火指标，取7%；CN为注入氮气中的氮气浓度，取98%；k为备用系数，一般为1.2～1.5，取1.2。

根据沙吉海煤矿工作面采空区实际情况，正常开采时采空区漏风量取12.6 m3/min，代入上式可得注氮流量为908 m3/h。

6 应用效果

图4 1#测点低温注氮前后CO变化

图5 2#测点低温注氮前后CO变化

图6 3#测点低温注氮前后CO变化

图7 回风隅角测点低温注氮前后CO变化

通过ZLDOG-1500G型氮气冷却装置在B1003W03工作面试用，氮气降温后对工作面采空区的防灭火效果明显，回风隅角20 m范围氮气温度最低为-18℃左右，利用回风巷预埋地测温光纤，测得回风巷采空区内35 m处温度最低为10.5℃左右，采空区0～60 m范围内总体温度降低5℃～8℃，采空区48 m范围内CO浓度由冷却前的300 ppm左右降至50 ppm，低温氮气的注入对于抑制采空区遗煤氧化效果显著［14-16］；采取在回风隅角设置导风帘等辅助措施，进而使工作面回风隅角CO浓度降到10 ppm左右，有效降低采空区遗煤自然发火隐患。在B1003W03工作面采空区注氮防灭火技术应用过程中通过相关数据的采集、分析，为采空区自然发火防治提供技术指导［17-18］。B1003W03工 作 面 采 空 区 以 及 回 风 隅 角CO浓度变化如图4～图7所示。

7 结语

B1003W03综放工作面采用连续低温注氮防灭火技术后，采空区未出现自然发火征兆，该技术为工作面采空区防灭火奠定了基础；同时也解决了在工作面末采和支架回撤过程中采空区防灭火技术的难题，确保了矿井安全高效生产。经过初步计算，B1003W03综放工作面采用连续低温注氮防灭火技术，防灭火工程量大幅度减少，节约防灭火经费200余万元，且工作面有效采煤时间增加，多采出煤炭资源约0.15 Mt，为矿井实现增效4 000余万元，经济效益显著。