短臂大采高综放工作面注氮防灭火工艺_王坤.pdf

Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 短臂大采高综放工作面注氮防灭火工艺 王坤 1， 2 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 为了确定乌东煤矿工作面合理的注氮流量、 注氮管路间距和采空区起始注氮深度等重 要注氮工艺参数， 通过在工作面回风侧布置束管监测系统， 连续监测回风侧采空区 O2浓度变化 规律， 研究工作面在不同注氮流量、 注氮管路间距条件下的采空区自燃 “三带” 分布规律。研究结 果表明 乌东煤矿短臂大采高综放工作面合理注氮流量为 259～622 m3/h， 采空区全断面注氮管 路间距为 20～40 m， 开始注氮位置在架后 15 m。 关键词 自然发火； 束管监测； 注氮流量； 注氮管路间距； 采空区自燃 “三带” 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 03-0137-07 Nitrogen Injection and Fire Prevention Technology for Short Arm High Mining Height Fully Mechanized Caving Face WANG Kun1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract To determine the important nitrogen injection process parameters, such as the reasonable nitrogen injection flow rate, the nitrogen injection pipeline spacing and the initial nitrogen injection depth in the goaf, the beam monitoring system is continuously monitored on the return air side of the working face to monitor the variation laws of O2concentration in the goaf of the return air side, and study the distribution law of spontaneous combustion“three belts”in the goaf under different conditions of nitrogen injection flow and nitrogen injection pipeline spacing. The results show that the reasonable nitrogen injection flow rate of the short-arm high-level fully mechanized caving face in Wudong Coal Mine is 259 m3/h to 622 m3/h, and the distance between the full-section nitrogen injection pipelines in the goaf is 20 m to 40 m, and the initial nitrogen injection position is 15 m behind the shelf. Key words spontaneous combustion; beam tube monitoring; nitrogen injection flow; nitrogen injection pipe spacing; spontaneous combustion“three zones” 采空区自然发火在井下火灾总数的占比高达 85左右。 目前， 采空区防灭火主要有注浆、 注氮、 喷 洒阻化剂、 堵漏等技术手段。其中， 采空区注氮防灭 火的原理是将惰性气体 N2注入采空区， 稀释、 降低 采空区内 O2浓度到 5以下，从而达到防治采空区 自然发火目的。采空区内注入一定量的 N2后， 采空 区内压力升高， 漏风量减小； 其中 N2密度略小于空 气密度， 可以在采空区内浮动、 扩散， 能够对架后高 冒区遗煤、采空区深部和高位火区治理起到很好的 效果[1-3]。以新疆乌东煤矿短臂大采高综放工作面为 试验研究对象， 研究工作面在不同注氮流量、 注氮管 路间距条件下采空区自燃 “三带” 分布规律， 从而确 定工作面合理的注氮流量、注氮管路间距和采空区 起始注氮深度等重要注氮工艺参数。 1工作面概况 1.1450 m 水平 B36工作面 乌东煤矿南区450 mB36工作面开采450 m DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.031 王坤.短臂大采高综放工作面注氮防灭火工艺 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 137-143. WANG Kun. Nitrogen Injection and Fire Prevention Technology for Short Arm High Mining Height Fully Mechanized Caving Face［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 137-143. 移动扫码阅读 137 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 水平， 设计走向长度 2 520 m， 阶段高度 25 m， 工作 面长度 43 m。其中，B36煤层倾角 86～89 ， 平均 倾角 87 ， 走向 N58～60 之间， 最大厚度 52.3 m， 最小厚度 39.85 m， 平均厚度 48.87 m， 内含夹矸 4～ 20 层， 夹矸总厚 0.08～4.40 m， 有益厚度为 44.99 m， 属于急倾斜特厚煤层。B36煤层最短自然发火期为 45 d， 且煤尘具有爆炸危险性。 1.2450 m 水平 B12工作面 乌东煤矿南区450 mB12工作面开采450 m 水平， 设计走向长度 2 520 m， 阶段高度为 25 m， 工 作面长度 30 m。其中， B12煤层平均厚度为 30 m， 倾角 85～88， 平均倾角 87， 走向 N58～60之间， 全 井田范围煤稳定可开采。B12煤层最短自然发火期 为 45 d， 且煤尘具有爆炸危险性。 2采空区自燃 “三带” 分布规律 2.1采空区自燃 “三带” 划分依据 目前采空区自燃 “三带” 划分方法主要有 3 种 漏风风速法、氧气浓度法和温升速度法，采取氧气 浓度法对 “三带” 进行确定。具体划分如下 散热带 φ （O2） ≥18； 氧化带 18＞φ （O2）≥7； 窒息带 φ （O2） ＜7。 2.2采空区束管布置 在乌东煤矿井下生产工作面采空区回风侧进行 了预埋束管， 并利用矿井 JSG-4 束管监测系统对束 管埋入采空区的不同位置的氧气浓度进行了分析。 具体做法为 在工作面回风巷， 从巷口向工作面 回风隅角预先铺设 2 根单芯束管， 2 根束管与 JSG- 4 束管监测系统相连， 1 根束管测点始终位于工作 面回风隅角， 另 1 根束管埋入采空区内， 随工作面推 进，可监测采空区内不同深度的气体浓度，当束管 在采空区内埋深约 45 m 左右时，断开束管并重新 埋设，以此循环。为了防止埋入采空区内束管被垮 落煤岩体砸坏， 采空区内束管采取保护措施。 2.3未注氮时工作面回风侧采空区 “三带” 分布规律 由于乌东煤矿南区采煤工作面近年来一直采取 连续性注氮防灭火措施， 工作面架后采空区 “三带” 分布规律受注氮影响较大，因此无法准确获取工作 面在未注氮情况的采空区 “三带” 分布规律。但乌东 煤矿西区469 mB1-2工作面与乌东煤矿南区采煤工 作面情况类似，均是开采八道湾向斜南翼煤层， 且 煤层赋存特征、 设计配风量、 采煤方法、 束管埋设等 信息基本一致， 因此可参考乌东煤矿西区469 mB1-2 工作面在未注氮情况的回风侧采空区“三带”分布 情况。乌东煤矿西区469 mB1-2工作面回风侧采空 区内氧气浓度监测数据见表 1。 利用 origin 软件进行数据拟合，得到的450 mB12工作面回风侧采空区内 O2浓度随采空区深度 变化规律如图 1。 利用 origin 软件进行了数据拟合分析，得到了 采空区回风侧氧气浓度随距离变化数学公式 y-0.000 754 5x30.064 29x2-2.103 38x36.652 62 式中 y 为采空区内与工作面距离为 x 时的氧 气浓度， ； x 为束管采样点埋入采空区的深度， m。 根据采空区 “三带” 划分指标， 采空区回风侧三 带范围为 散热带范围为 0～13.63 m； 氧化带范围为 时间束管埋深/mO2浓度/ 2018-06-0510.419.80 2018-06-0612.518.80 2018-06-0714.619.61 2018-06-0816.117.04 2018-06-0919.612.86 2018-06-1023.112.52 2018-06-1126.611.57 2018-06-1230.110.37 2018-06-1333.612.29 2018-06-1437.17.78 2018-06-1540.66.53 表 1469 mB1-2工作面回风侧采空区内 O2浓度监测数据 Table 1 Monitoring data of O2concentration in the goaf on the return air side of 469 mB1-2working face 图 1乌东煤矿西区469 mB1-2工作面未注氮时 采空区氧浓度与埋深间关系 Fig.1Relationship between oxygen concentration in the goaf and burial depth without nitrogen injection at the 469 m B1-2working face in the west of Wudong Coal Mine 138 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 13.63～40.0 m； 大于 40.0 m 后进入窒息带。 2.4注氮情况下工作面回风侧采空区 “三带” 分布 2.4.1工作面采空区注氮工艺 乌东煤矿 2018 年上半年生产的工作面为450 mB36工作面，并于 5 月回采结束； 450 mB12工作 面是450 mB36工作面的接续工作面，于 4 月中下 旬正常生产。 1） 450 mB36工作面正常回采期间氮气管路铺 设。在工作面后溜沿采空区侧铺设长 43 m 的 φ50 mmPVC 注氮管路， 注氮管路每隔 30 cm 呈 120钻 3 个花眼，并与进风巷铺设的注氮管路连接，注氮管 路埋入采空区 15 m 后开始注氮， 间隔 20 m 按同样 要求铺设第 2 趟注氮管，当第 2 趟注氮管路进入采 空区 15 m 后开始注氮，且第 1 趟注氮管路继续注 氮， 依次循环。 450 mB36采空区注氮管路铺设示意 图如图 2。 2） 450 mB12工作面正常回采期间氮气管路铺 设。在工作面后溜沿采空区侧铺设长 30 m 的 φ50 mmPVC 注氮管路， 注氮管路每隔 30 cm 呈 120钻 3 个花眼，并与进风巷铺设的注氮管路连接，注氮管 路埋入采空区 15 m 后开始注氮， 间隔 40 m， 按同样 要求铺设第 2 趟注氮管，当第 2 趟注氮管路进入采 空区 15 m 后开始注氮，且第 1 趟注氮管路继续注 氮， 依次循环。 450 mB12采空区注氮管路铺设示意 图如图 3。 2.4.2注氮对工作面采空区 “三带” 分布影响 2018 年 14 月，乌东煤矿生产工作面为450 mB36工作面；2018 年 5 月以后， 乌东煤矿生产工作 面为450 mB12工作面。利用采煤工作面采空区回 风侧铺设的束管，对采空区回风侧与工作面不同位 置的氧气浓度进行了持续观测， 450 mB36工作面 在不同注氮强度下回风侧采空区氧浓度与束管埋深 间关系如图 4， 450 mB12工作面在不同注氮流量下 采空区回风侧氧浓度与束管深度间关系图 5。 根据图 4 和图 5 乌东煤矿采煤工作面在不同注 氮强度下 “三带” 分布规律， 统计出 110 月工作面 采空区 “三带” 散热带、 氧化带和窒息带与注氮强度 的关系 （表 2 ） 。 从表 2 中可以看出 1） 采空区连续注氮量为 244 m3/h 时， 回风侧散 热带宽度与未注氮情况下相比减少了 16.99 m， 回 风侧窒息带前移了 19.37 m，回风侧采空区深度大 于 20.63 m 后进入窒息带。 随采空区注氮流量增加， 注氮流量小于 500 m3/h 时回风侧采空区氧化带宽 度基本上稳定在 11 m 左右，但注氮流量超过 500 m3/h 时回风侧采空区氧化带宽度缩减在 7 m 范围 以内。这说明注氮对采空区“三带”分布有明显影 响， 其分布范围与注氮流量存在明显负相关关系， 即 注氮流量越大， 采空区 “三带” 分布范围越小。 2） 随注氮流量增加， 散热带终止边界、 窒熄带起 始边界向工作面方向移动， 与工作面距离逐渐减小， 氧化带宽度也逐渐减小[4-7]。 3） 当注氮流量超过 600 m3/h 后， 采空区散热带 仅有 0.57～1.9 m， 如继续加大注氮流量， 散热带与工 作面距离将更小， 甚至消失， 但此时， 注入采空区的 氮气也存在从回风隅角等位置漏入工作面的可能， 进而导致回风隅角低氧等现象发生。因此，对采空 区采取注氮防灭火时，必须考虑注入采空区的氮气 泄漏问题，一旦发现回风隅角等区域氧气浓度低于 19， 必须立即降低注氮流量， 防止发生低氧现象。 4） 随注氮流量增加， 采空区 “三带” 分布范围的 缩小幅度逐渐降低，说明随着注氮流量的增加， 氮 气的使用效率逐渐下降， 且从上面分析可知， 注氮流 量超过一定值后， 过多的氮气将漏入工作面， 并不能 图 2450 mB36采空区注氮管路铺设示意图 Fig.2Schematic diagram of nitrogen injection pipeline laying in 450 mB36goaf 图 3450 mB12采空区注氮管路铺设示意图 Fig.3Schematic diagram of nitrogen injection pipeline laying in 450 mB12goaf 139 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 图 4450 mB36工作面在不同注氮强度下回风侧采空区氧浓度与束管埋深间关系 Fig.4Relationship between the oxygen concentration in the goaf on the return air side and the buried depth of the beam tube at the 450 mB36working face under different nitrogen injection intensities 起到惰化防火的作用，在浪费资源的同时还存在造 成事故的可能。 根据表 2，可得散热带终止边界位置与注氮流 量的关系图 （图 6） 。 拟合的散热带终止边界与注氮流量的公式如 式 （1） LS0.000 002 QN2-0.017 8 QN12.425（1） 式中 LS为采空区散热带边界与工作面的距 离， m； QN为采空区注氮流量， m3/h。 根据式 （1） 可计算出， 当散热带消失时的注氮流 量约为 763.5 m3/h， 则乌东煤矿正常开采期间， 采空 区注氮防灭火的最大流量应不超过 763.5 m3/h。 3确定合理的注氮参数 3.1氮气扩散半径 氮气扩散半径目前还没有明确的计算方法， 从 注入氮气后，散热带与氧化带之间分界线的移动距 离方面来进行分析计算，则氮气扩散半径可用式 （2） 计算 RNL-LN0（2 ） 式中 L 为氮气释放口距采面的距离， m； LN0为 注氮流量为 QN时的散热带宽度， m； RN为氮气扩散 半径， m。 450 mB36工作面和450 B12工作面在不同注 氮强度情况下， 根据式 （2） 可计算出氮气扩散半径， 结果见表 2。由表 2 可知 1） 氮气扩散半径与注氮强度整体上呈正相关关 系， 注氮流量越大， 氮气的扩散半径越大。 2） 注氮强度在 250 m3/h 左右时， 氮气平均扩散 半径为 6.19 m； 注氮强度 400～500 m3/h 时， 氮气平 均扩散半径为 8.88 m；当注氮强度超过 600 m3/h 时， 氮气平均扩散半径超过 12 m。 140 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 3） 乌东煤矿开始注氮的位置一般位于架后 15 m 左右， 超过 600 m3/h 时 12 m 的氮气扩散半径， 是较 为合理的。 根据表 2 可得氮气扩散半径与注氮流量关系图 （图 7） 。 拟合的氮气扩散半径与注氮流量的公式如式 （3 ） RN-0.000 002 QN20.017 8 QN1.205 1（3 ） 式中 RN为氮气扩散半径， m； QN为采空区注氮流 量， m3/h。 3.2氮气管路铺设距离 氮气管路铺设间距 LN是采空区注氮惰化防火 的重要参数之一，必须以氮气扩散半径为依据进行 图 5450 mB12工作面在不同注氮流量下采空区回风侧氧浓度与束管深度间关系 Fig.5Relationship between oxygen concentration on the return air side of the goaf and the depth of the beam tube under different nitrogen injection flows at the 450 mB12working face 141 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 图 6散热带终止边界位置与注氮流量的关系图 Fig.6Relationship between the end position of the heat sink and the flow rate of nitrogen injection 图 7氮气扩散半径与注氮流量关系图 Fig.7Relationship between nitrogen diffusion radius and nitrogen injection flow 工作面注氮流量/ （m3 h-1）散热带/m氧化带/m窒息带/m氧化带宽度/m氮气扩散半径/m 469 mB12工作面未注氮＜13.6313.63～40.00＞40.0026.37- 1 月 450 mB36工作面 614＜1.901.90～6.20＞6.204.3011.73 2 月477＜3.933.93～18.49＞18.4914.569.70 3 月492＜6.286.28～18.25＞18.2511.977.35 4 月405＜7.257.25～20.63＞20.6313.386.38 5 月 450 mB12工作面 504＜6.206.20～15.76＞15.769.567.43 6 月631＜0.570.57～7.54＞7.546.9713.06 7 月463＜1.121.12～11.68＞11.6810.5612.51 8 月197＜3.633.63～15.37＞15.3711.7410.00 9 月244＜11.2511.25～20.63＞20.639.382.38 10 月504＜3.723.72～10.72＞10.727.009.91 月份 表 2乌东煤矿采煤工作面 “三带” 范围与注氮强度关系 Table 2Relation between nitrogen injection strength and “three zones”range in Wudong Coal Mine 计算[8-10]， 可用下式计算 LN2RN（4） 式中 LN为氮气管路铺设间距， m； RN为氮气扩 散半径， m。 1） 注氮强度在 250 m3/h 左右时， 氮气平均扩散 半径为 6.19 m， 注氮管路步距为 12.38 m， 取 12 m。 2） 注氮强度 400～500 m3/h 时， 氮气平均扩散半 径为 8.88 m， 注氮管路步距为 17.76 m， 取 17 m。 3） 当注氮强度超过 600 m3/h 时， 氮气平均扩散 半径为 12.4 m， 注氮管路步距为 24.8 m， 取 24 m。 可知，在注氮流量处在 250～600 m3/h 范围时， 采空区注氮管路的平均间距为 17.7 m， 故采取连续 注氮防火时，乌东煤矿450 mB36工作面采空区的 注氮管路埋设间距是较为合理的， 而对于450 mB12 工作面， 采空区的注氮管路埋设间距则偏大。 4结论 1） 乌东煤矿工作面采空区的实测注氮流量范围 为 250～600 m3/h，采空区注氮工艺为全断面帷幕注 氮， 采空区注氮管路间距为 20～40 m， 开始注氮位置 与工作面距离为 15 m。 2） 注氮对采空区 “三带” 分布有明显影响， 其分 布范围与注氮流量存在明显负相关关系，即注氮流 量越大， 采空区 “三带” 分布范围越小。随注氮流量 增加，散热带终止边界、窒熄带起始边界向工作面 方向移动，与工作面距离逐渐减小，氧化带宽度也 逐渐减小。 3） 随注氮流量增加， 采空区三带分布范围的缩 小幅度逐渐降低， 说明随着注氮流量的增加， 氮气的 使用效率逐渐下降， 且在采取注氮防灭火时， 必须考 虑注入采空区的氮气泄漏问题，一旦发现回风隅角 等区域氧气浓度低于 19，必须立即降低注氮流 量， 防止发生低氧现象。工作面在连续注氮情况下， 注氮流量不应高于 763.5 m3/h。 4） 氮气扩散半径与注氮强度呈正相关但出现波 142 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 动现象，整体上随注氮强度增加而增大。注氮强度 在 250 m3/h 左右时，氮气平均扩散半径为 6.19 m； 注氮强度 400～500 m3/h 时，氮气平均扩散半径为 8.88 m； 当注氮强度超过 600 m3/h 时， 氮气平均扩散 半径为 12.4 m。因此乌东煤矿开始注氮的位置一般 位于架后 15 m 左右， 是较为合理的。 5 ） 在注氮流量处在 250～600 m3/h 范围时， 采空 区注氮管路的平均间距应为 17.7 m 左右， 故采取连 续注氮防火时，乌东煤矿450 mB36工作面采空区 的注氮管路埋设间距是较为合理的，而对于450 mB12工作面， 采空区的注氮管路埋设间距则偏大。 参考文献 ［1］ 师吉林， 赵凯， 赵斌， 等.近直立煤层短壁综放工作面 采空区注氮流量与自燃 “三带” 分布关系 ［J］ .煤矿安 全， 2019， 50 （3） 196-199. ［2］ 郝长胜， 徐仁， 尹旭， 等.综放面采空区开放式注氮防 灭火技术研究 ［J］ .煤炭技术， 2018， 37 （11） 150-152. ［3］ 许石青， 吴华帮， 田世祥， 等.深部高瓦斯综采面注氮 防灭火方式优化模拟 ［J］ .煤炭技术， 2018， 37 （10） 234-237. ［4］ 李宗翔， 李杰， 李林， 等. “两进一回” 复杂采场采空区 注氮防灭火模拟 ［J］ .辽宁工程技术大学学报 （自然科 学版） ， 2017， 36 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