氮氣及其添加劑在易燃厚煤層防滅火中的應用

摘 要:注氮防滅火是比較經濟有效的技術手段，但氮氣也存在著在開放區域易流失和停止注氮后防火作用消失的不足，本文主要闡述利用蛋白質泡沫滅火劑作為添加劑，與氮氣一起注入采空區(或火區)提高防滅火效果。同時就如何經濟合理注氮問題，研究了采空區和支架上方“三帶”范圍并提出了一些新見解。

關鍵詞:注氮；添加劑；防滅火；技術應用

1 礦井及試驗采煤工作面情況

平煤集團公司十一礦位于平頂山市以西13km，平頂山煤田李口向斜南翼西端。井田走向長6.6 km。南北傾向寬3.9 km，面積約23.5 km²。井田內的主體構造為淺部陡、深部緩的單斜構造，走向125°。礦井采用中央立井、主石門、底板大巷開拓方式，采區石門貫穿各煤層，兩個水平開拓全礦井。主采丁、已3組煤層，均為高瓦斯容易自燃煤層。試驗工作面已_16-17-22080位于二水平已二下山采區，東部為工業廣場煤柱，西部為香山礦井田邊界，南北部為未開采煤層，該面是礦井第一個綜采放頂煤工作面。工作面標高為-588～641m，煤層厚度為3.0～15m。煤層傾角為16～25°。煤層最短自然發火期為18天。順槽沿厚煤層底板掘進，易冒頂，檢查發現1.0 m以上高冒區100多處。高冒區不僅易自燃，而且瓦斯含量高，存在嚴重的安全隱患；工作面支架傾角大，推進速度慢，采空區浮煤易超過其自然發火期；支架頂部存在氧化自燃帶，容易發生自然發火事故。采用注漿等常規的防滅火手段，難以取得理想的效果，為確保綜放工作面安全回采，決定采用以氮氣及其添加劑為主要防治手段防滅火措施。

2 氮氣及其添加劑防滅火原理

當高濃度氮氣注入煤層自然發火點時，將會降低局部區域的氧氣濃度，大量或持續不斷的注入氮氣可以將氧氣濃度降低到10％以下，從而隔斷煤層的自然發火條件。開放區域內氮氣易流失，停止注氮后防火作用消失。借鑒空氣泡沫的防滅火原理，克服單純注氮易流失的缺點，制成氮氣惰泡用于防治開放區域煤層自然發火，效果良好。

3 綜采工作面易自燃部位和防治重點

綜放工作面與一般綜采工作面相比，有其自身特點和生產工藝，綜合分析，其易自然發火地點依次是：開切眼、停采線、進風巷與采煤工作面交叉點附近、支架頂部、采空區以及順槽巷道高冒等。防治重點主要是開采線、停采線、支架上部、采空區等。特別是采煤工作面推進不正常時，要同時注意采空區和支架上部的防滅火工作，因為采空區和支架上部的浮煤有同時進入自然發火期導致煤層一起自然發火的可能。

4 采空區防滅火縱橫“三帶”的觀測

綜放工作面采空區防滅火注氮是在開放的環境下進行，只有在氧化帶內注氮才能取得實效。為此，必須進行采空區和支架上部防滅火縱橫“三帶”的實際觀測。

4.1 采空區橫向“三帶”的觀測

采空區橫向“三帶”的觀測采用綜合劃分法。首先將工作面的有關參數建立采空區數學模型，通過數學計算得出采空區理論“三帶”范圍；其次在采空區埋管設點取氣測溫，采集方法根據采空區內氧氣含量劃分“三帶”范圍；采空區內埋設溫度傳感器測溫，根據采空區溫度變化劃分“三帶”范圍；最后根據數學解算、氣體變化和溫度變化綜合分析，準確劃分采空區“三帶”的范圍。埋管取氣測溫的方法為：先做5個采樣器，將束管和測溫儀置放在里面，采樣器分放在采空區內，束管和測溫電纜通過管道引出來，隨著采煤工作面向前推進，即可獲得采空區不同深度的氣體含量和溫度。以此劃分采空區的“三帶”范圍。如圖1，2所示。

采空區“三帶”劃分依據標準：(1)采空區內的溫升率K≥1℃／d為自熱帶，K≤1℃／d為通風散熱帶或窒息帶。(2)氧氣含量大于18％為通風散熱帶，10％～18％之間為氧化帶，低于10％為窒息帶。通過對采空區預埋的5個氧氣取樣頭和熱敏探頭共計2000多個監測數據的綜合分析并結合采空區“三帶”數學模型解算。采空區“三帶”范圍為：通風散熱帶：進風側距工作面22m以內，回風側17m以內。可能自燃帶：進風側22～95m，回風側17～80m之間。窒息帶：進風側95m以外，回風側80m以外。

(3)采空區橫向漏風流線的觀測。經實測綜放工作面采空區氧氣含量等值線類似橫放的“M”型，非呈“U”型。采空區氧氣含量等值線與采空區瓦斯抽放的“O”圈相似。

4.2 采空區垂直“三帶”測定

考察采空區垂直“三帶”的目的，提高對綜放支架上部煤層自然發火危險性的認識。在試驗面回風巷向采煤工作面打鉆孔到采煤工作面煤壁上方，然后埋管取樣。考察結果：發現綜放工作面支架上部1～8m范圍的氧氣濃度為15％～18％，在支架上部確實存在一個氧氣帶。支架尾梁后部附近底板以上0～2m氧氣含量為19％，此空間為通風散熱帶，在此空間的浮煤不易氧化自然。

5 注氮工藝及注氮時機

工作面正常推進時，采空區的縱橫“三帶”是運動的，只有在氧化帶注氮時，才能取得預期的效果。采空區的注氮流量計算有3種方法：按噸煤注氮量、采空區氧化帶氧含量、撲滅火災注氮量，分別計算取最大值。本試驗工作面采用400m³／h流量，間歇式注氮工藝。在工作面機巷尾沿采煤工作面走向方向每隔25～30m，埋一趟直徑50mm鋼管，交替進行注氮。在需要注氮氣及其添加劑時，在機巷尾合適位置將炮沫發生器與注氮系統連接，調節好氮氣和泡沫的流量，便可以產生惰泡(中高倍約700倍)，快速抑制和撲滅煤層自然發火。

在正常推進時，埋好注氮管，間歇注氮。出現以下情況時需要加強注氮：①工作面上隅角出現一氧化碳，其含量向上升達到60×10^-6，或一氧化碳含量波動和變化，濃度達到80×10^-6以上；②工作面回采速度達不到合理防火速度，一直注到工作面推進速度超過或達到合理防火推進速度；③工作面測溫地點的溫度出現高于進風溫度10℃以上或放煤溫度明顯高于煤壁溫度；④巷道高溫煤炭放入到采空區，一直注氮將高溫煤炭推進到窒息帶；⑤采煤工作面撤架時，無論工作面是否有自然征兆，均需加強注氮。

氮氣及其添加劑在防治巷道高冒或封閉的采空區煤層自然發火時，尤其是在處理巷道高冒區，煤層自燃現象與高濃度瓦斯聚集共存的隱患與其它防滅火手段相結合，可以取得更好的效果。

6 效果和效益

氮氣及其添加劑是一項防治煤層自然發火新技術，具有工藝簡捷，迅速，環保等特點，防滅火效果顯著。氮氣及其添加劑不僅能迅速撲滅和抑制煤層自然發火，而且能夠有效地阻止在滅火的過程中發生瓦斯事故，具有很好的抑爆和阻爆作用。該技術在十一礦使用期間，成功地防止了多起煤層自然發火事故。特別是在采煤工作面遇到困難，月推進度僅有12m時，通過采取綜合措施，上隅角CO濃度控制在24×10^-6以內；單體柱放頂煤工作面應用該套系統也取得十分理想的效果，采空區約1500×10^-6的CO在2天的時間降到100×10^-6以內。從2002年到現在，為配合注氮的合理時機，我們對采空區“三帶”和支架上方的“三帶”的測試研究提出了新的見解，并付諸于技術實施，實踐證明，對全國同類型的煤層和回采工藝有著借鑒的價值。

作者簡介：張傳應(1967-)，男，平煤集團公司十一礦。 所在單位 平煤集團十一礦