潞宁煤业22109工作面采空区CO气体超限治理技术应用_张冬冬.pdf

煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 1工程概况 潞宁煤业 22109 工作面位于矿井 2 煤层皮带下 山、 轨道下山和总回风下山巷东北侧， 该工作面上部 为 22107 工作面采空区，下部为 22111 工作面采空 区， 工作面走向长度为 1288.5m， 倾斜长度为 181m， 所采煤层为 2 煤层， 煤层均厚为 4.4m， 平均倾角为 13， 煤层赋存稳定， 结构简单， 局部含有一层炭质泥 岩夹层， 煤层上方伪顶为炭质泥岩， 均厚 0.3m， 直接 顶为砂质泥岩， 均厚 3m， 基本顶为砂岩， 均厚为 7m， 基本底为中粒砂岩， 均厚 17m， 工作面采用一次采全 高采煤工艺， 全部垮落法管理顶板， 工作面在 14 年已 回采完毕， 随后即对工作面进行了封闭。 CO 是煤升温氧化的产物，因此可通过 CO 的浓 度来判断煤层氧化情况， CO 也被多国选为煤自燃的 指标气体。在 22109 综采工作面采空区封闭后， 通过 在密闭墙上打设钻孔布置束管对采空区内的各项气 体浓度进行监测， 通过束管反映出来的气体含量来有 效的分析采空区内各组分气体浓度的变化规律， 在 2015 年 6 份到 2016 年 4 月份采空区采集到的 CO和 O2的含量如图 1 所示。 （a ） 015 年 6 月 ～9 月 （CO 含量） （b） 2015 年 10 月 ～2016 年 4 月 （CO 含量） （c ）2015 年 6 月 ～9 月 （O2含量） 潞宁煤业 22109 工作面采空区 CO气体超限治理技术应用 张冬冬 （山西潞安集团潞宁煤业公司 ， 山西 忻州 036000 ） 摘要为解决 22109 工作面采空区 CO 的超限问题，对采空区注氮气技术机理进行分析，结合 22019 工作面的具体地质条件， 对注氮降低工作面采空区 CO 含量的方案进行具体设计。结果表明， 注氮方案实施后， 采空区内的 CO 的浓度降低至 20ppm 以下， 解决了 CO 超限的问题， 为矿井的安全 生产提供了保障。 关键词 采空区 ； 自然发火 ； 注氮作业 中图分类号 TD711文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0048- 04 Application of CO gas over-limit treatment technology in goaf of 22109 working face in Suining Coal Industry ZHANG Dongdong （LuningCoal IndustryCompany， Luan Group ofShanxi ， Xinzhou 036000 ， China ） Abstract In order tosolve the problem ofover- limit ofCO in the goafof22109 working face, through the analysis ofthe mechanism ofnitro- gen injection technologyin the goaf, combined with the specific geological conditions ofthe working face of22019, the scheme ofreducing the CO content in the goaf of the working face by the nitrogen injection scheme Carry out specific design. The results show that after the imple- mentation ofthe nitrogen injection scheme, the concentration ofCO in the goafis reduced to less than 20ppm, which solves the problem ofCO overrun and provides a guarantee for the safe production ofthe mine. Key words Gob area ; natural fire ; nitrogen injection 48 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 （d） 2015 年 10 月 ～2016 年 4 月 （O2含量） 图 1采空区 CO 及 O2浓度随时间的变化曲线 通过具体分析图 1 可知， 在 2015 年 6 份到 2016 年 4 月份对 22109 工作面采空区气体含量的监测期 间， 根据图 1 （a ） 、 b可知监测数据中 CO 浓度最大含 量为 7100ppm，浓度基本在 2000ppm～5000ppm之间 聚集， 基于此可知采空区的 CO 浓度一直在超限的范 围内进行波动； 通过分析图 1 （c ） 、 1 （d ） 可知， 在 2015 年 6 份到 2016 年 4 月份采空区气体监测期间，采空 区内氧气的含量在 2015 年 6 月到 10 月之间氧气含 量基本全部处于 10以上，基于气体爆炸三角形和 火三角形理论能够得出 CO 和 O2在该种浓度下可能 致使出现煤体氧化自燃，进而致使出现火灾爆炸现 象，故急需采取有效措施降低采空区 CO 的含量， 防 止采空区出现自燃现象。 2采空区注氮技术 通过对采空区注氮作业为解决采空区 CO 超限、 防止采空区自燃问题的有效途径， 注氮作业的本质为 将一定量的氮气注入到火区或者采空区的氧化带内， 由于氮气的充入能够将采空区氧气含量在一定时间 内降低 10以下， 另外通过注入大量的氮气， 能够降 低采空区内 CO 所占的百分比，有效解决采空区 CO 含量超限的问题， 进而有效防止采空区由于 CO 超限 出现的自燃现象， 注氮作业同时能够防止采空区出现 瓦斯爆炸现象，具体采空区注氮的主要作用机理如 下 1 ）消除瓦斯爆炸的危险。在采空区出现火灾时 容易进一步导致采空区内的气体出现爆炸， 根据相关 学者的研究表明， 当氧气的含量小于 10时， 混合气 体出现爆炸的可能性会大大降低， 在氧气的含量小于 5时， 此时气体便不再会出现爆炸现象， 依据该理论 在对采空区进行注氮后将氧气的含量降低至 10以 下， 将采空区内 CO 的含量降低至 24ppm 以下， 防止 采空区出现瓦斯爆炸爆现象[1-2]。 2 ）减少漏风的作用。矿井出现煤自燃的情况主 要的主要原因中便包括漏风现象的存在， 根据相关理 论知当进行注氮作业后， 采空区内 CO 等不良气体含 量会减小， 采空区内气体的总体积会增大， 进而使得 采空区内的气压升高， 这便能够在一定程度上减小采 空区外和采空区内的压力差值， 从而改善采空区的漏 风情况， 防止采空区出现 CO 含量超限导致的煤的自 燃现象。 3 ）起到降温作用。在矿井采空区出现煤体的自 燃或者其他的火灾时， 此时密闭采空区内的温度会大 于采空区外的温度， 在使用注氮作业进行灭火后能够 有效的对采空区形成降温作用。 4 ）阻止煤出现自燃。 煤的自燃倾向性、 热量积聚 和连续供氧为煤自燃的三要素， 当对采空区的氧化带 进行注氮作业后能够较为有效的降低该区域内氧气 的含量， 破坏煤自燃要素中连续供氧的条件， 进而有 效的阻力煤的自燃[3-5]。 3采空区 CO 超限治理方案 3.1采空区注氮方案设计 1 ）注氮设备的选型和注氮量的确定。根据目前 国内外现有的注氮设备， 选择制氮设备为 DT1000 移 动变压吸附制氮装置，并结合 220109 工作面采空区 的具体情况确定采空区的注氮量为 1000m3/h。 2 ）注氮管路及管径参数。本次注氮作业使用的 埋入采空区内注氮管路采用的为 3 寸钢管， 输送氮气 的管路为 4 寸钢管， 注氮钢管长 25m， 并且钢管的尾 部 5m 的范围内布置孔径为 10mm 的花眼用以提高 注氮的效果。 3 ） 注氮管路的布置。注氮管路从注氮设备中引 出， 沿着 22109 工作面材料巷进行布置， 在距离底板 1.0m 的位置处布置主管路，在 22109 工作面停采线 向采空区方向 6m 的位置处开始布置注氮管路， 注氮 管间的间距为 6m，通过在 22109 工作面材料巷穿过 保安煤柱向着采空区方向打设钻孔， 钻孔在材料巷煤 柱帮距离底板 1m 的高度处打设，钻孔的垂深为 15m， 倾角为 3， 在钻孔打设完毕后使用封孔器进行 封孔作业， 在钻孔进行有效封孔后， 使用三通阀门将 其与主管路相连接， 具体注氮管路和注氮钻孔的布置 方式如图 2 所示。 4 ） 注氮作业的停止条件。当 CO 的浓度达到 24ppm 时进行注氮作业，但实际中由于采空区气体 流入束管内已经被稀释，使得 CO 的浓度会相应降 低，因此当采空区内 CO 的浓度一般均会大于束管 内测得的 CO 浓度， 故取安全系数为 2 通过测试 CO 49 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 浓度， 当 CO 浓度大于 48ppm 时便可开始注氮作业。 为实时充分了解采空区内各组分气体的含量以便 更好的进行注氮作业， 通过设计密闭墙打钻孔布置 束管，再将各束管通过分路箱顺至各个监测点， 以 此对采空区内各组分的气体浓度进行监测， 保证注 氮效果。 （a ）注氮管路布置位置 （b）注氮钻孔布置位置 图 2注氮管路及钻孔布置位置示意图 根据上述注氮设计方案进行采空区注氮作业， 根 据 煤矿安全规程 规定 CO的浓度降低至 24ppm时， 即表明 CO 浓度处于安全范围，注氮作业能够停止， 基于此得出注氮作业的停止时采空区气体成分含量 如下 CO 的浓度下降并稳定至 24ppm，采空区内 O2 的浓度下降至 10以下。 3.2注氮效果分析 为对 22109 工作面采空区的注氮效果进行有效 分析， 在注氮作业期间对采空区内各项气体的含量进 行分析， 具体注氮作业期间密闭采空区的 CO 含量如 图 3 所示。 （a ）2016 年 5 月 ～8 月 （CO） （b） 2016 年 9 月 ～2017 年 1 月 （CO） （c ） 2016 年 5 月 ～8 月 （O2） （d） 2016 年 9 月 ～2017 年 1 月 （O2） 图 3密闭采空区注氮后 CO 和 O2的含量 通过分析图 3 可知，在 2016 年 5 月开始密闭对 采空区进行注氮作业， 采空区注氮后 CO 的浓度迅速 降低至 煤矿安全规程 规定的 24ppm 以下， 虽然 CO 的含量存在着波动，但仅仅在一定的范围内出现波 动，但及时的进行注氮处理后， CO 的浓度便又会迅 速下降至 24ppm 以下， 在 2016 年 11 月份由于一些 原因致使未能进行注氮作业，从而导致了 CO 的浓 度达到 850ppm， 超过了规定值， 在 12 月份将及时对 密闭采空区进行注氮作业后 CO 的浓度便又降低至 20ppm 的范围内，有效的控制了密闭采空区内 CO 的含量； 注氮作业后采空区氧气的浓度基本稳定在 1～8的范围内； 另外根据注氮期间各项气体监测 可知 N2浓度在注氮期间能够迅速上升到 95.6， 由 于氮气为惰性气体， 其含量上升必然会导致采空区 内的一氧化碳和氧气的浓度下降， 基于此可知注氮 作业降低了密闭采空区内 CO 和 O2的含量。 4结论 针对回采完毕密闭的 22109 工作面采空区内气 体的含量的监测知采空区瓦斯一直处于超限状态， 为 防止采空区氧化带发生自燃， 通过有效分析采空区注 氮作业的理论， 确定对 22109 工作面采空区采取注氮 作业，根据注氮作业后采空区气体的监测数据可知， 注氮方案实施后 N2的含量基本稳定在 95左右， 采 空区内的 CO的浓度降低至 20ppm以下， 基于此可知 采空区注氮作业有效的解决了密闭采空区 CO 超限 的问题， 为矿井的安全生产提供了保障。 （下转第 53 页 ） 50 ChaoXing （上接第 50 页 ） 参考文献 [1] 翟小伟,杨琛,陈晓坤,杨一帆.煤矿井下封闭采空区内细菌 影响 CO消失的实验研究[J].煤炭工程,2018,50 （07 ） 80- 83. 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