注氮在小煤柱工作面鄰近采空區瓦斯防治中應用

李 晨

（晉能控股煤業集團安全督查大隊，山西 大同 037003）

注氮置換技術近些年來在煤礦井下應用呈增加趨勢，通過向采空區或者其他密閉空間內注氮可稀釋瓦斯濃度，并將瓦斯濃度降低5%以內，同時還能隔絕新鮮空氣，避免遺煤自燃。由于氮氣制備技術較為成熟且環境優化，因此注氮技術在煤礦井下防滅火、防瓦斯等方面應用較為廣泛［1-2］。目前采空區注氮防滅火、治理瓦斯一般集中在采煤工作面采空區，對于小煤柱工作面鄰近采空區瓦斯治理中應用得較少。同忻礦近些年來采深及開拓范圍不斷增大，受采掘接替緊張制約，采面回采順槽多采用沿空掘巷方式，掘進的巷道受采動動壓影響，存在圍巖變形嚴重的問題。礦井開采初期留設38 m護巷煤柱，為提高煤炭資源回收率，在后續回采中礦井提出在厚煤層中采用留小煤柱護巷的方式，8305工作面與鄰近的8307采空區間只留設6 m煤柱。由于煤柱留設寬度小，在采動影響下容易出現貫通裂隙，從而導致鄰近8307采空區內有害氣體在壓差作用下向8305工作面5305巷涌出，容易導致8305工作面瓦斯超限甚至引起8307采空區遺煤自燃［3-6］。同忻礦通過技術研究，提出采用注氮置換方式解決鄰近采空區瓦斯涌出問題，并抑制采空區內遺煤自燃。

8305工作面設計推進1 238 m、面長200 m，采用綜放開采工藝，回采的煤層厚度2.31～23.42 m，平均14.09 m，煤層傾角0°～6°。8305工作面北側為已在2016年回采完畢的8307采空區，南側為實體煤，東側及西側分別為盤區大巷以及礦界煤柱。為提高煤炭回收率，在8305工作面與8307采空區間留設寬度為6 m護巷小煤柱。

在8307采空區預先埋設有束管，通過對束管獲取氣體濃度進行分析，發現8307采空區內CH4濃度為3%～6%、CO2濃度為2%～5%、CO濃度為15～50 PPm、O2濃度為5%～7%、N2濃度為85%～90%，采空區內無自燃發火隱患，但CH4濃度較高，一旦小煤柱工作面與臨近的8307面采空區間的小煤柱出現裂隙或漏風通道，高濃度的CH4就會大量涌入工作面，對工作面的安全生產造成重要影響。因此同忻礦設計提前利用采空區內預先埋設的注氮管將高濃度氮氣注入8307面采空區，同時在相鄰的8309面順槽向8307面采空區內施工鉆孔，采用對角式注氮與抽放相結合的方式對采空區內聚集的有害氣體進行置換，一方面降低采空區內CH4濃度，另一方面提高N2含量，消除高濃度CH4對8305工作面的影響。

2.1 對角式采空區惰性氣體置換方案

鑒于上述特殊情況，同忻礦設計對8307工作面采空區實施邊注邊抽對角式注入惰性氣體置換的技術方案。該方案的基本思路為：在8305工作面回采過程中持續向8307采空區注氮，并通過布置抽采孔對采空區內有害氣體進行抽放，從而實現采空區內有害氣體置換的目的。具體如圖1所示［7-9］。

圖1 采空區注氮置換

在8305工作面回采期間，向8307工作面持續進行注氮并對有害氣體進行抽采，具體注氮技術方法為：

（1）注氮位置，通過8307工作面2307順槽以及頂抽巷密閉內預先鋪設的3趟?108注氮管路向采空區內持續注氮，其中2307巷布置2趟注氮管路、頂抽巷布置1趟注氮管路，注氮量控制在900 m3/h左右。

（2）抽放位置，在8309面5309順槽內向8307采空區施工3個抽采鉆孔，并通過抽采管與井下低負壓抽采管路連接，抽放量與注氮量保持一致。

具體注氮以及抽采系統布置為：

①注氮系統管路。注氮通過2307順槽以及頂抽巷內注氮管實現。8307面2307巷注氮路線為：注氮車間（三盤區地面）→立井注氮主管（?480鋼管）→回風繞道注氮主管（?480鋼管）→盤區回風巷注氮主管（?480鋼管）→5305巷回風繞道注氮管路→2307巷兩趟注氮管（?108鋼絲纏繞管）→8307采空區；
8307面高抽巷注氮路線為：注氮車間（二盤區地面）→立井注氮主管（?480鋼管）→盤區回風繞道注氮主管（?480鋼管）→盤區回風巷注氮主管（?480鋼管）→8307頂抽巷注氮管路（?108鋼絲纏繞管）→8307面采空區。

②抽放系統管路。利用8309面5309順槽內已有的低負壓瓦斯抽采管（?273鋼管）對8307采空區進行抽放，在5309順槽內1600 m位置向8307采空區施工抽采鉆孔（3個、孔徑均為108 mm）并抽放采空區瓦斯。具體采空區瓦斯抽放線路為：8307采空區→8309面5309順槽抽采支管（?273鋼管）→盤區回風巷抽采主管（?530鋼管）→回風立井抽采主管（?530鋼管）→回風井瓦斯泵站。8307采空區注氮位置及抽放位置布置如圖2所示。

圖2 8307工作面采空區注氮置換系統布置

2.2 效果分析

在8305綜放工作面推進期間對8307采空區持續進行注入氮氣、抽放瓦斯，并通過采空區內布置得束管對氣體變化情況進行持續監測，具體注氮前后采空區內氣體變化情況如表1所示。

表1 8307工作面采空區注氮前后氣體濃度變化

通過注氮、抽放瓦斯后，8307采空區內有害氣體濃度得以明顯降低。在注氮置換之前采空區內CH4（瓦斯）濃度介于3.0%～6.0%，注氮后CH4（瓦斯）濃度降低至0.8%～1.9%，瓦斯濃度降幅平均超過70%；
同時采空區內N2（氮氣）濃度由85%～90%增至94%～98%、O2（氧氣）濃度由5.0%～7.0%降至1.2%～2.3%，可有效抑制采空區內遺煤自燃。通過向8307采空區注氮，降低了采空區內有害氣體濃度，雖然有部分氣體通過小煤柱裂隙向8305工作面涌出，但由于有害氣體濃度低，不會給8305綜放工作面回采帶來明顯威脅；
同時由于8307采空區內O2（氧氣）濃度降低、N2（氮氣）濃度較高，可有效抑制采空區內遺煤自燃。

1）在8305工作面回采期間通過2307巷及8307頂抽巷注氮管路向8307采空區注入高濃度氮氣（流量900 m3/h），在8309面5309順槽向8307采空區施工抽放鉆孔進行采空區瓦斯抽放（流量900 m3/h），綜合使用注氮、抽放降低8307采空區有害氣體濃度以及氧氣濃度，降低有害氣體外溢風險并抑制采空區遺煤自燃。通過注氮置換后，8305工作面得以安全高效生產，有效解決了鄰近采空區有害氣體外溢問題?，F場實施的惰性氣體（氮氣）置換技術置換出的氣體體積大、范圍廣，對于留設小煤柱開采的工作面實際應用具有指導性意義。

2）煤柱縮小至6 m后，可使得采面多回采32 m煤柱，提高了工作面回采率，8305工作面可多采出煤炭約0.742 8 Mt，社會經濟效益顯著。