11-2#煤层8319极近距离综采工作面注氮灭火开采探究

陈 喜

(大同煤矿集团地煤公司，山西 大同 037000)

1 8319工作面概况

1.1 工作面位置及四邻

8319综采工作面位于井田西部1185水平11-2#煤层303盘区，工作面东部为一走向北西-南东、落差20 m的正断层，距8319工作面约60 m；南部为13#煤层小窑破坏区，距8319面尾切眼350 m；西部亦为一走向北西-南东、落差12 m正断层和未准备的8317实体煤工作面，北部为1185水平大巷。

8319工作面上覆为11-1#煤层8319综采工作面采空区，距11-2#煤层间距0.6 m～2.5 m，平均0.8 m，煤层厚2.0 m；再上覆为10#层实体未采煤层，层间距为59 m；再往上覆无煤层。

1.2 工作面参数

工作面走向全长310 m，倾向长度99 m/128 m，其中，工作头部128 m，尾部99 m，尾部拐把长95 m，工作面平均煤层厚度1.9 m，面积32 645 m2，可采储量90 745 t。

2 导致工作面发火原因的分析

2.1 8319工作面形成情况

11-2#煤层8319工作面于2015年5月圈出并封闭。 2016年11月启封后，发现原切眼(第一切眼巷)顶板已塌落(6.5 m×8 m，高约4 m)，不具维修价值，于是退后22 m重开切眼，并进行支架稳装，设计稳装支架68个，当稳放至61个支架时，2319巷从切巷外向2319顺槽口方向顶板塌落(4.5 m×11 m，高约4 m)，为此，再退后15 m，再次开掘“L”巷，以保证该工作面的正常生产。

截至2017年7月9日11-2#煤层8319工作面已推出72 m，至拐弯切巷还有约23 m(工作面设计可采长度310 m，工作面长99 m/128 m，平均煤厚1.8 m)，余238 m，储量剩余7.1万t。

2.2 气体情况

从2017年7月9日16时，工作面上隅角开始出现8×10-6～10×10-6的一氧化碳，并持续至7月10日0点7分，上隅角一氧化碳最大达80×10-6，工作面回风流一氧化碳基本维持在3×10-6～20×10-6。鉴于上述情况，责令8319工作面立即停产，切断电源，撤出工作面内所有作业人员，设置栅栏并指配专人进行火区监测管理。同时，要求通风部门查明一氧化碳来源。

2.3 8319面疑似火点分析

1) 11-2#煤层8319工作面从形成至开采将近2.5年，加之11-1#煤层8319综采工作面开采时，对采空区虽已采用喷洒阻化剂的方法进行防灭火处理，但由于喷洒的阻化剂浓度可能达不到要求或对采空区覆盖的面积不够均匀，因而可能导致未覆盖的上层采空区浮煤处于自燃状态。

2) 2016年11月启封后，由于第一切眼巷垮塌，需重新开掘切巷，加之重新开掘的切巷又发生了工作面上顺槽的冒落，不得已又重新补掘了“L”巷，待“L”巷圈成后，才能对11-2#煤层8319面进行回采。虽回采前对第一切眼巷进行了永久密闭，但由于受采动压力影响，存在采空区密闭墙早已被压垮现象，加之长时间的采空区供风也是导致采空区起火的原因之一。

3) 11-2#煤层8319工作面和上层11-1#煤层8319工作面属极近距离开采煤层，层间距仅0.8 m～2.5 m，下层巷道支护时，虽采用短锚杆加金属棚子进行支护，但不排除施工锚杆时与上层贯通现象，从而给上层的11-1#煤层采空区供入新鲜空气，致使上层采空区浮煤在长时间的供氧状态下发生自燃现象。

4) 11-2#煤层8319工作面的5319顺槽和上层11-1层8319工作面的5319顺槽在尾部的95 m属重叠布局，加之上层在回采时，可能使工作面尾部浮煤相对较多，加之受11-2#煤层采动影响，致使上层尾部采空区大面积塌落于下层采空区内，也是造成工作面发火的主要原因之一。

5) 由于11-2#煤层8319工作面开采时，工作面的通风方式为负压式通风，导致工作面上隅角长时间处于低氧状态；加之11-2#煤层8319工作面形成时间过长，又遭遇顶板的几次垮塌，使得采空区浮煤发火期远远超过了11-2#煤层的自燃发火期，也是造成发火原因之一。

6) 由于11-2#煤层8319工作面位置的特殊性，不与四邻发生关系，11-1#煤层上覆均为未采动的实体煤层，因而8319工作面受外界一氧化碳侵入的可能性极小。

综上所述，认为11-2#煤层8319工作面一氧化碳气体的下泄，可能为极近距离的上层或同层采空区煤炭自燃发火所致(具体着火点位置尚不能确定)。

3 针对疑似火区采取的方案

为杜绝11-2#煤层8319工作面一氧化碳有害气体的下泄，目前采取灭火的方法主要有隔绝法、均压、充填法、注二氧化碳法及注氮气法。经研究分析，均压法、充填法和注二氧化碳法对8319工作面不太适合，由于8319工作面在一氧化碳超限时，未将综采设备、支架等设备全部撤出，加之经济投入过大，因而选用联合隔绝封闭式注氮气方法进行灭火。

氮气是一种无毒的不可燃气体，利用氮气的惰性，将其注入采空区或破碎煤体，在自身的扩散、弥漫和外加能量场(漏风场等)的共同作用下，冲滞于碎煤体周围而形成气-固相混合体，减少碎煤周边的氧气含量，阻止或延长煤的氧化性能。此外，可升高碎煤体周边的压力，控制漏风量，并且，注入的氮气温度较低，可起到吸热降温作用，抑制碎煤体氧化升温速度，同时，可冲淡并降低CH4、氧气的浓度，减小爆炸的可能性。加之，空气的主要成分为氮气，取之相对容易，成本相对较低，是一种物美价廉的灭火材料[1-3]。

4 注氮方案

4.1 注氮方式

由于8319工作面已于2017年7月20日封闭完成，密闭墙按要求安装了“三孔一柱”，利用8319工作面上顺槽密闭墙上措施孔，即“埋管式”注氮，使氮气释放口沿工作面顺槽进风方向设置在距工作面20 m的位置，且管口距底板50 cm以上进行“埋管式密闭区”注氮，充分借助注氮正压或其漏风压力的共同作用，保证注入的氮气能够持续扩散且形成全方位的氮气惰化带，从而达到有效灭火或抑爆的目的。

4.2 注氮技术要求

注氮灭火技术的关键是保证氮气尽可能地滞留在采空区氧化带中，以降低氧含量而使其中的浮煤处于惰化状态。按照《煤矿安全规程》(2016版)第二百七十一条规定：氮气源稳定可靠，浓度不小于97%；每次注氮时，必须排空注氮管路内的空气，经检测确认氮气纯度达到97%以上时，才可向8319工作面进行注氮。

注氮期间，通风部指派专人每天对8319工作面的上、下顺槽气体进行取样化验，并建立注氮期间注氮量与火区有害气体变化关系台账，根据台账数据及时分析掌握采空区内气体变化，一旦发现氮气浓度小于97%时，立即停止注氮，并查明原因。

4.3 注氮量

11-2#煤层8319工作面上覆为11-1#煤层8319综采工作面采空区，由于采动影响和岩石自然位移角的多重作用，注氮量将直接决定注氮效果，注氮量少达不到惰化采空区目的，注氮量过大造成经济上的浪费。因此，合理估算注氮量是采空注氮关键。

由于8319工作面为全封闭工作面，加之在未出现一氧化碳下泄之前，工作面的回风、进风差仅为27 m3/min，因而整个工作面基本处于全封闭不漏风状态，注入的氮气按工作面采高的8倍～10倍计算其冒落裂隙高度，则需注氮量为595 200 m3～744 000 m3。

另外，还需考虑：10%的采空区漏风系数；1.5倍的氮气安全备用系数；15%的输氮管路损失。则，共需注氮量为1 129 392 m3～1 411 740 m3。

4.4 注氮设备

4.4.1 DM型矿用移动式膜分离制氮装置

型号：DM-1000/8；氮气流量：1 000 m3/h；氮气深度≥98%；氮气压力：0.8 MPa；电机功率：(220 kW×2)；电压：660 V/1 140 V；外形尺寸：3 770 mm×1 400 mm×1 922 mm；膜前压力：0.1 MPa～0.1 MPa；膜后压力：0.05 MPa～0.10 MPa。

4.4.2 矿用螺杆式移动空气压缩机

型号：MLG28.8/12.3-220G；排气量：28.8 min；排气压力：1.25 MPa；额定电压：660 V/1 140 V；功率：185 kW～220 kW；外形尺寸：3 770 mm×1 400 mm×1 900 mm。

4.5 工期

经计算，工期需要47.06 d～58.82 d，为保证火区的熄灭，大约需注氮60 d。

4.6 注氮效果

从2017年7月25日开始至9月30日完成注氮，并每天坚持对8319工作面上下顺槽取样化验，注氮3 d后从上下顺槽取样时，已检测不到一氧化碳，且氮气浓度逐渐增大，氧气浓度逐渐减小，乙烷、乙烯也未检测到，从第5 d开始至注氮结束的95 d，8319工作面上下顺槽内氮气一直持续在95.1%、氧气2.06%、二氧化碳2.84%，未检测至其他有害气体，采空区温度26 ℃，无出水流出。

5 注氮后8319工作面状况

2017年10月1日停止向11-2#煤层8319面注氮，从10月2日至10月30日仍坚持对8319工作面进行取样观察。经过1个月的监测，8319面内的有害气体浓度和各项指标，符合《煤矿安全规程》第二百七十九条火区启封条件要求。我矿于2017年11月3日成功对11-2#煤层8319工作面进行启封，截至2017年12月26日8319工作面已全部开采，共采出煤炭9.1万t，期间，8319工作面上隅角和回风流中未发现一氧化碳溢出、下泄现象。