李 晨

（晋能控股煤业集团安全督查大队，山西 大同 037003）

注氮置换技术近些年来在煤矿井下应用呈增加趋势，通过向采空区或者其他密闭空间内注氮可稀释瓦斯浓度，并将瓦斯浓度降低5%以内，同时还能隔绝新鲜空气，避免遗煤自燃。由于氮气制备技术较为成熟且环境优化，因此注氮技术在煤矿井下防灭火、防瓦斯等方面应用较为广泛［1-2］。目前采空区注氮防灭火、治理瓦斯一般集中在采煤工作面采空区，对于小煤柱工作面邻近采空区瓦斯治理中应用得较少。同忻矿近些年来采深及开拓范围不断增大，受采掘接替紧张制约，采面回采顺槽多采用沿空掘巷方式，掘进的巷道受采动动压影响，存在围岩变形严重的问题。矿井开采初期留设38 m护巷煤柱，为提高煤炭资源回收率，在后续回采中矿井提出在厚煤层中采用留小煤柱护巷的方式，8305工作面与邻近的8307采空区间只留设6 m煤柱。由于煤柱留设宽度小，在采动影响下容易出现贯通裂隙，从而导致邻近8307采空区内有害气体在压差作用下向8305工作面5305巷涌出，容易导致8305工作面瓦斯超限甚至引起8307采空区遗煤自燃［3-6］。同忻矿通过技术研究，提出采用注氮置换方式解决邻近采空区瓦斯涌出问题，并抑制采空区内遗煤自燃。

1 工程概况

8305工作面设计推进1 238 m、面长200 m，采用综放开采工艺，回采的煤层厚度2.31～23.42 m，平均14.09 m，煤层倾角0°～6°。8305工作面北侧为已在2016年回采完毕的8307采空区，南侧为实体煤，东侧及西侧分别为盘区大巷以及矿界煤柱。为提高煤炭回收率，在8305工作面与8307采空区间留设宽度为6 m护巷小煤柱。

在8307采空区预先埋设有束管，通过对束管获取气体浓度进行分析，发现8307采空区内CH4浓度为3%～6%、CO2浓度为2%～5%、CO浓度为15～50 PPm、O2浓度为5%～7%、N2浓度为85%～90%，采空区内无自燃发火隐患，但CH4浓度较高，一旦小煤柱工作面与临近的8307面采空区间的小煤柱出现裂隙或漏风通道，高浓度的CH4就会大量涌入工作面，对工作面的安全生产造成重要影响。因此同忻矿设计提前利用采空区内预先埋设的注氮管将高浓度氮气注入8307面采空区，同时在相邻的8309面顺槽向8307面采空区内施工钻孔，采用对角式注氮与抽放相结合的方式对采空区内聚集的有害气体进行置换，一方面降低采空区内CH4浓度，另一方面提高N2含量，消除高浓度CH4对8305工作面的影响。

2 对角式采空区惰性气体置换技术

2.1 对角式采空区惰性气体置换方案

鉴于上述特殊情况，同忻矿设计对8307工作面采空区实施边注边抽对角式注入惰性气体置换的技术方案。该方案的基本思路为：在8305工作面回采过程中持续向8307采空区注氮，并通过布置抽采孔对采空区内有害气体进行抽放，从而实现采空区内有害气体置换的目的。具体如图1所示［7-9］。

图1 采空区注氮置换

在8305工作面回采期间，向8307工作面持续进行注氮并对有害气体进行抽采，具体注氮技术方法为：

（1）注氮位置，通过8307工作面2307顺槽以及顶抽巷密闭内预先铺设的3趟ϕ108注氮管路向采空区内持续注氮，其中2307巷布置2趟注氮管路、顶抽巷布置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顺槽内向8307采空区施工3个抽采钻孔，并通过抽采管与井下低负压抽采管路连接，抽放量与注氮量保持一致。

具体注氮以及抽采系统布置为：

①注氮系统管路。注氮通过2307顺槽以及顶抽巷内注氮管实现。8307面2307巷注氮路线为：注氮车间（三盘区地面）→立井注氮主管（ϕ480钢管）→回风绕道注氮主管（ϕ480钢管）→盘区回风巷注氮主管（ϕ480钢管）→5305巷回风绕道注氮管路→2307巷两趟注氮管（ϕ108钢丝缠绕管）→8307采空区；8307面高抽巷注氮路线为：注氮车间（二盘区地面）→立井注氮主管（ϕ480钢管）→盘区回风绕道注氮主管（ϕ480钢管）→盘区回风巷注氮主管（ϕ480钢管）→8307顶抽巷注氮管路（ϕ108钢丝缠绕管）→8307面采空区。

②抽放系统管路。利用8309面5309顺槽内已有的低负压瓦斯抽采管（ϕ273钢管）对8307采空区进行抽放，在5309顺槽内1600 m位置向8307采空区施工抽采钻孔（3个、孔径均为108 mm）并抽放采空区瓦斯。具体采空区瓦斯抽放线路为：8307采空区→8309面5309顺槽抽采支管（ϕ273钢管）→盘区回风巷抽采主管（ϕ530钢管）→回风立井抽采主管（ϕ530钢管）→回风井瓦斯泵站。8307采空区注氮位置及抽放位置布置如图2所示。

图2 8307工作面采空区注氮置换系统布置

2.2 效果分析

在8305综放工作面推进期间对8307采空区持续进行注入氮气、抽放瓦斯，并通过采空区内布置得束管对气体变化情况进行持续监测，具体注氮前后采空区内气体变化情况如表1所示。

表1 8307工作面采空区注氮前后气体浓度变化

通过注氮、抽放瓦斯后，8307采空区内有害气体浓度得以明显降低。在注氮置换之前采空区内CH4（瓦斯）浓度介于3.0%～6.0%，注氮后CH4（瓦斯）浓度降低至0.8%～1.9%，瓦斯浓度降幅平均超过70%；同时采空区内N2（氮气）浓度由85%～90%增至94%～98%、O2（氧气）浓度由5.0%～7.0%降至1.2%～2.3%，可有效抑制采空区内遗煤自燃。通过向8307采空区注氮，降低了采空区内有害气体浓度，虽然有部分气体通过小煤柱裂隙向8305工作面涌出，但由于有害气体浓度低，不会给8305综放工作面回采带来明显威胁；同时由于8307采空区内O2（氧气）浓度降低、N2（氮气）浓度较高，可有效抑制采空区内遗煤自燃。

3 结论

1）在8305工作面回采期间通过2307巷及8307顶抽巷注氮管路向8307采空区注入高浓度氮气（流量900 m3/h），在8309面5309顺槽向8307采空区施工抽放钻孔进行采空区瓦斯抽放（流量900 m3/h），综合使用注氮、抽放降低8307采空区有害气体浓度以及氧气浓度，降低有害气体外溢风险并抑制采空区遗煤自燃。通过注氮置换后，8305工作面得以安全高效生产，有效解决了邻近采空区有害气体外溢问题。现场实施的惰性气体（氮气）置换技术置换出的气体体积大、范围广，对于留设小煤柱开采的工作面实际应用具有指导性意义。

2）煤柱缩小至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约0.742 8 Mt，社会经济效益显著。