注氮對綜放麵采空區內O2的濃度和“三帶”寬度的影響

馬漢鵬1,王德明1,何啟林2(1.中國礦業大學能源學院,江蘇徐州221008;2安徽理工大學資管係,安徽淮南232001)
摘　要:介紹了徐莊煤礦7235綜放麵開采中,采用埋管注氮方式向空區注氮,防止采空區遺煤氧化自燃。在采空區預埋束管,測量在注氮與不注氮的情況下各測點氧氣濃度的變化情況,以及對采空區“三帶”寬度的影響,為確定合理的注氮工藝和提高注氮效果提供了科學的指導。
關鍵詞:埋管注氮;注氮效果;“三帶”寬度
中圖分類號:TD75+2.2　　　文獻標識號:B　　　文章編號:1003-496X(2006)01-0011-03
1　問題的提出
上海能源股分有限公司徐莊煤礦7235工作麵是該礦的第一個綜放工作麵。本工作麵所采的7煤層自然發火比較嚴重(發火期為3~6個月)。為了保證該工作麵安全的回采,該工作麵建立了氮氣防滅火係統,在井下製取氮氣,采用埋管方式向采空區注氮,在向采空區注氮過程中,采空區O2濃度是如何變化的,注氮後對采空區“三帶”有何影響等問題,一直困擾著礦裏有關技術部門和管理部門。隻有搞清這些問題之後,才能確定合理的注氮時間;才能確
保采空區遺煤不自燃的情況下,選擇經濟合理的注氮工藝。
2　工作麵概況
7235綜放工作麵煤層厚度變化較小,平均厚度為5.16 m,煤層傾角8.4°~22.9°,平均17.8°,屬於中硬12.5%,揮發份36%,煤塵具有強爆炸性,瓦斯含量低。工作麵寬140 m ,走向長1 200 m ,采用上海能源股分有限公司自製的MGD-150NW型綜放采煤機割煤,工作麵運輸使用SGD-70/90W型輸送機,日進尺3.6 m,平均日產量2 800 t。
3　注氮管的布置方式與注氮工藝
將製氮機放置在采區下部車場內,沿工作麵進風巷,靠巷壁鋪設注氮幹管,並固定在支柱上,每隔20 m引出注氮支管,並在支管上安裝閘閥,以控製氮氣的注氮量。支管端部安設特製埋管器與防阻銅網,以90°彎管拐向采空區,與工作麵平行。氮氣釋放口應高於底板。隨著工作麵推進,埋管逐漸進入采空區,當埋入采空區的第一個注氮口與工作麵相距20 m時,打開第一閘閥開始向采空區注氮。當注氮口與工作麵相距40 m時,封閉該注氮口,啟用下一個注氮口,整個注氮過程中,注氮口是依次下延。注氮方式采用間斷式,每天注8 h,注氮量200m3/h。
4　采空區氣體取樣方法
為了探索7235工作麵采空區O2濃度隨工作麵向前推進變化規律和注氮對其影響,在工作麵上、下順槽各布置3趟帶有強力保護套的束管,內徑為Φ10 mm。為了防止束管被冒落的矸石砸壞,外用Φ25 mm鐵管保護,取樣頭外麵套上Φ50 mm和Φ100 mm鐵管,兩層鐵管壁上打有30個小孔,用銅網將取樣頭的鐵管包裹起來以防碎煤進入,並通過
90的彎頭和法蘭與沿采空區走向布置的鐵管聯接起來。為了防止抽氣時鐵管中的空氣漏入束管中,在法蘭與鐵管的聯接處,塞入600 mm厚的黃泥和50 mm厚的泡泥。以防止漏氣與阻塞。束管在采空區的布置方式如圖1所示。
第一個取樣點埋進20 m後,各取樣間距20 m,最長取樣距離180 m。在抽氣站用自行改製的防爆抽氣泵抽取氣樣,每天由通風科派專人下井開啟抽氣泵,為了提高取樣精度,每次取樣前應先預抽15min排除束管中的空氣,所取樣送上海能源股分有限公司通風實驗室進行氣相色譜03manbetx 。

1#~6#-取樣頭位置;7-注氮管;①、②-抽氣站
圖1　采空區束管布置示意圖
5　測定結果的03manbetx
為了解采空區在注氮剛開始的一個星期內O2濃度變化與注氮工藝的關係,每天取樣4次進行氣相03manbetx ,采空區6個取樣點O2濃度與注氮工藝的關係見表1。

表1　測點O2濃度隨時間的變化表　%　
取樣
時間1#點2#點3#點4#點5#點6#點
16:00 11.6 7.2 5.5 4.3 6.5 12.8
20:00 12.8 7.9 5.9 7.2 8.8 15.5
24:00 14.8 10.5 6.7 8.1 11.3 17.1
4:00 19.7 11.6 7.3 9.8 13.9 19.9
　　注:注氮時間8:10-16:10
從表1知:3#、4#兩點漏風風速小,在采空區窒息帶內,O2的濃度在不注氮過程中,上升的速度較慢;2#、5#兩點在注氮時,其O2的濃度降低到10%以下,注氮停止後,其O2濃度上升到10%以上的時間為8 h;1#、6#兩點,在注氮時對其氧的濃度有影響,O2的濃度降低,但在10%以上,說明注氮對采空區氧的濃度影響是有一定的範圍的。
為了提高注氮效果,在采空區的下隅角,用15m長的擋風布簾阻風,再測定6個取樣點O2濃度變化與注氮工藝的關係,結果見表2。
表2　采空區測點O2濃度隨時間的變化表　%　
取樣時間1#點2#點3#點4#點5#點6#點
16:00 8.9 4.2 3.1 3.7 4.5 9.8
20:00 9.8 5.7 4.9 5.1 6.8 11.5
24:00 12.6 7.8 5.8 6.2 7.9 14.7
4:00 15.7 8.3 6.3 7.0 8.6 16.8
　　注:注氮時間8:10-16:10
從表2知:采用了采空區的下隅角阻風措施後,測點的O2的濃度明顯下降,采空區氧化帶的寬度變窄,注氮效果明顯提高。通過對6個測點的綜合03manbetx 得出注氮與不注氮情況下O2濃度沿采空區走向變化情況,見表3和圖2。

表3　O2濃度沿采空區走向變化情況
距離/m 0 20 40 60 80 100 120
O2濃度/
%(未注氮)19.8 19.2 15.2 13.3 11.5 9.5 6.8
O2濃度/
%(注氮)19.8 19.3 13.3 11.8 7.8 4.5 3.9

圖2　采空區氧的濃度沿走變化趨勢
從表3知:注氮後采空區O2的濃度,沿走向O2的濃度下降的速度比未注氮情況下快,且影響較大的區域是距工作麵距離≥80 m的采空區。
6　采空區濾流場解算
假設采空區是二維流場,借助於孔隙介質流體力學的有關原理,以滲透定律為基本方程,將采空區視為連續孔隙介質,通過阻力測定確定出解算濾流場的已知條件。將采空區劃分成為若幹個邊長為10 m的等腰直角三角形單元,將直角邊、節點以及三角形單元按一定的順序編號,利用計算機用有限元解算出各邊的比風速,再結合測點O2濃度作出
采空區“三帶”寬度分布圖,如圖3所示。

圖3　徐莊礦7235綜放麵采空區“三帶”分布
7　結　論
(1)為了提高注氮效果,必須實測采空區內O2濃度變化情況,掌握其規律性,以確定合理的注氮工藝。根據徐莊煤礦實測的結果知: 7235工作麵在現有的注氮條件下,注氮時間應>12 h,才能較好地降低采空區O2濃度,抑製采空區遺煤自燃。
(2)采空區漏風量是影響注氮效果最主要因素之一,隻有封阻效果好,減少漏風量,才能以較少的