摘要：夏阔坦矿1007工作面在回采期间，顶板垮落断裂摩擦产生火花，引燃上隅角局部积聚瓦斯，为治理1007工作面瓦斯、火灾采取了一系列综合治理措施，其中改进工作面采空区注氮方式起到了关键性作用。文章详细介绍了旁路式与埋管式注氮在“偏Y”型通风系统中的应用。
关键词：旁路式注氮；埋管式注氮；采空区防火；“偏Y”型通风；均压通风
中图分类号：TD753 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）35-0057-02
1 工作面概况
新疆库车县夏阔坦煤矿1007工作面，采用走向长壁综采放顶煤工艺，工作面走向长862m，系统改造前倾向长150m，煤层平均厚度5.5m，平均倾角13°。沿倾斜方向上部为1005采空区（间隔10m煤柱），下部为1009掘进工作面（间隔12m煤柱）。工作面顶板除局部含有200～400mm炭质泥岩伪顶外，无直接顶，基本顶为细砾砂岩、砂质泥岩，单层厚度超过6.5m，最厚12m，总厚度达40m，属坚硬难冒落顶板，煤层普氏硬度f=3.5。2013年4月8日，工作面共推进55m时，采空区存在大面积悬顶，造成瓦斯积聚，工作面顶板大面积冒落时，顶板冒落断裂产生火花，点燃采空区局部积聚瓦斯。为此，公司聘请专家组共同探讨针对1007工作面提出了多项综合治理措施。其中原有的“U”型通风工作面更改为了两进一回的“偏Y”型均压通风系统，同时经过不断摸索和改进，使矿井注氮量和注氮防火效果得到了较大的提高，简化了原有的复杂操作程序（1007工作面系统改造后如图1所示）。
图1
2 注氮防灭火技术
氮气防火的实质是利用氮气的惰性，将其注入采空区或破碎煤体，在自身的扩散、弥散和外加能量场的共同作用下，冲滞于碎煤体周围而形成气-固相混合体，减少碎煤体周围的O2含量，阻止或延长煤的氧化性能。
注氮量是重要的注氮参数，夏阔坦煤矿1007工作面采空区火灾发生后，在地面工业广场建立了新的注氮机房，安装配备制氮能力为1600Nm³/h的TLN1600-99型注氮机，TLN1600-99型制氮装置采用氮分子筛作为吸附剂，运用变压吸附原理，在常温条件下从空气中制取氮气，氮气的纯度随流量可适当进行调节，无环境污染，是一种高效的井上固定式注氮装置。
矿井注氮主管路沿主井、运煤平巷、运输下山至1007降低材料道及1009材料道，注氮管路主管、支管分别采用直径315mm、250mm聚乙烯管进行铺设，管路光滑，直径大，减少了氮气在管路中的流体摩擦，增强了注氮效果和注氮量，分管采用直径108mm钢管分别向1007工作面降低材料道、1009工作面材料道进行铺设（如图1所示）。
3 旁路式和埋管式联合注氮在采空区防火应用操作
1007综放回采工作面下侧邻近1009掘进工作面，由于夏阔坦矿煤所采下10煤顶板坚硬，1007工作面下隅角冒落不严实，煤质较硬钻孔成型好，所以在这种情况下利用邻近工作面，通过打钻孔铺设注氮管路来代替1007运输巷铺设预埋注氮管路或运输巷托管注氮管路减少了管路的浪费，避开了繁琐的托管操作和花管加工，更好地控制了注氮位置。
矿井所采下10煤顶板坚硬，通过超前欲裂爆破顶板技术后，经过束管监测分析摸索，采空区“三带”（散热带、氧化带、窒息带）基本划分情况为：切顶线向采空区方向20m左右范围为散热带，30～80m左右范围为氧化带，80m向后范围为窒息带。散热带范围内漏风量较大，氧化所产生的热量绝大部分被风流带走，因此无法积聚，从而不能发生自然发火；而氧化带内漏风量较小，同时又带有足够的氧气供给浮煤，使氧化产生热量聚集，氧化反应不但加速，最终可能出现明火燃烧现象；氧化带再往里延伸为窒息带，冒落基本压实，漏风基本消失，供氧不足而处于窒息状态（如图2所示）。
图2
在1009掘进工作面向1007运输道方向，每隔30m位置施工一个注氮钻孔（如图1所示），钻机选用矿内MKD-5S型钻机，钻头选用直径为113mm的钻头进行开孔，套管为4寸钢管，封孔长度为6m，封孔材料选用聚安脂封孔。套管每根长度1.5m，车内外丝进行连接，最后一节套管带有法兰盘，便于与注氮管路连接，未注氮前注氮孔用法兰闷盘事先进行封堵，防止风流从注氮口内流动，钻孔打好之后对钻孔两头进行标号（即1009材料道及1007运输道进行钻孔标号），便于今后改孔注氮的操作。在1009材料道内铺设直径108mm注氮钢管，每个钻附近留有三通管，便于连接注氮孔。在1007工作面后30m及60m位置对应的注氮孔进行管路连接，使氮气注入采空区氧化带。
由于1007工作面采用均压“偏Y”型通风，还有一条进风巷位于工作面上部即1007降低材料道。在邻近巷道采用旁路式注氮的同时，在1007将低材料道内铺设一趟4寸注氮管路进行埋管注氮。埋管距离控制在30～60m之间，埋管方法采用迈步式，在降低材料道内上隅角切顶线向外预先铺好60m直径108mmd的管路，切顶线向外30m处再铺设一趟60m直径108mm的管路。在工作面向外推进30m时，第一趟预先铺设的直径108mm的管路已经进入采空区30m，将这趟直径108mm的管路与注氮管路连接，向采空区内进行注氮，然后再在切顶线向外30m处铺设直径108mm的管路60m，工作面再次推进30m时，注氮管路与第一趟铺设的直径108mm的管路连接处断开，将注氮管路与第二次铺设的60m管路进行连接注氮，依此顺序进行施工，始终保持上隅角切顶线向后30～60m之间的氧化带进行注氮。
4 注氮防火措施
（1）地面制氮设备三班专人负责检查、维护、检修、操作等。
（2）组织人员每天对井下注氮管路总管、支管、分管巡查、维护，发现漏气等问题立即汇报并进行处理。
（3）测量组将每天工作面推进进度通知通风工区和综采工区，保证两道注氮管路的注氮地点及时变更，使氮气注在采空区氧化带。
（4）1007工作面上隅角注氮及1009掘进巷道内进行施工改变管路，需要停止注氮机时，施工人员要立即给调度室汇报，经调度室同意后方可进行施工。
（5）总管和分管安装注氮流量表，通风工区每天组织人员对总管注氮流量、分管注氮流量注氮纯度进行记录，并将每天回报调度室，保证每天注氮总量不低于30000m，注氮纯度不低于97%。
5 经验效果
1007工作面采用旁路式和埋管式联合对采空区注氮，避开了托管注氮的繁琐步骤，精确地控制了注氮深度，使工人操作起来简便，节省了大量的人力、物力，优化了注氮效果，通过此次注氮及结合其他防火措施使得1007工作面得以顺利回采，避免了煤炭自燃和瓦斯燃烧的灾害，保证了矿井的安全生产，创造了上千万的可观利润。整个注氮施工方案正确，措施得力，为夏阔坦矿回采工作面注氮防灭火积累了宝贵经验。
作者简介：石启杭（1968—），男，徐矿集团新疆库车县夏阔坦矿业有限责任公司副总工程师。