蘇家壕煤礦1303工作面一氧化碳產(chǎn)生機(jī)理及治理措施

石銀斌

(神華烏海能源有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 烏海 016000)

應(yīng)用研究·煤礦·

蘇家壕煤礦1303工作面一氧化碳產(chǎn)生機(jī)理及治理措施

石銀斌

(神華烏海能源有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 烏海 016000)

針對蘇家壕煤礦1303采煤工作面一氧化碳異常問題，依據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究，結(jié)合現(xiàn)場觀測及數(shù)據(jù)，分析了采煤工作面一氧化碳異常的機(jī)理，提出了相應(yīng)的防治措施。通過防治措施的現(xiàn)場實(shí)施，有效控制了工作面一氧化碳異常問題，為相同條件下工作面一氧化碳防治提供了參考。

煤礦； 工作面； 一氧化碳； 產(chǎn)生機(jī)理； 治理措施

1 蘇家壕煤礦1303工作面概況

蘇家壕煤礦采用主斜井、副風(fēng)立井綜合開拓方式，煤層組分3個水平，現(xiàn)采+235水平3號煤層。礦井通風(fēng)方式為主斜井、副立井進(jìn)風(fēng)，風(fēng)立井回風(fēng)的中央并列機(jī)械抽出式通風(fēng)。現(xiàn)階段礦井需配風(fēng)量6 348m3/min，實(shí)際進(jìn)風(fēng)6 523m3/min，通風(fēng)阻力440Pa，等積孔5.71m2，通風(fēng)容易，滿足礦井通風(fēng)需要。

礦井主要含煤地層為侏羅系西山窯組，含煤29層(組)，各煤層煤巖組成中絲炭組分含量相對較高，現(xiàn)開采的3號煤層為低變質(zhì)的褐煤，覆蓋層較薄，易風(fēng)化。在礦區(qū)周邊分布3個火燒區(qū)、6個小煤礦(2002年均已關(guān)閉)，在生產(chǎn)期間兩個小煤礦出現(xiàn)過煤炭自燃。

該礦1303工作面煤層厚度6.2～8.9m，平均厚度6.3m，為較穩(wěn)定至穩(wěn)定煤層，煤層傾角7°～16°，平均9°，工作面采用U型通風(fēng)方式，下行通風(fēng)。目前，工作面需風(fēng)量為1 067m3/min，實(shí)際進(jìn)風(fēng)量為1 116m3/min，實(shí)際回風(fēng)量為1 134m3/min。

2 CO產(chǎn)生機(jī)理分析

2.1 褐煤極易低溫氧化產(chǎn)生一氧化碳

蘇家壕煤礦各煤層煤巖組成中絲炭組分含量相對較高，煤類多屬低變質(zhì)的褐煤。煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院對該礦3號煤層煤樣鑒定，吸氧量為0.99cm3/g，自燃傾向性等級為Ⅰ類，屬容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期為37d。

西安科技大學(xué)對蘇家壕煤礦3號煤層綜采工作面進(jìn)行了防火三帶觀測、小樣自燃性程序升溫試驗(yàn)和大樣模擬試驗(yàn)，證實(shí)該礦褐煤低溫氧化特性明顯，礦井正常溫度下便伴生一定量CO，且CO生成率隨裸露煤量增加呈穩(wěn)定上升趨勢，經(jīng)大樣模擬試驗(yàn)測定：1t破碎煤體在26℃、供風(fēng)0.1m3/h下產(chǎn)生CO濃度為553.8ppm，說明所采煤層極易低溫氧化、產(chǎn)生高濃度CO。因此，蘇家壕煤礦3號煤層極易低溫氧化產(chǎn)生CO的特性，決定了采煤工作面在采空區(qū)未發(fā)生火災(zāi)的情況下即有CO生成。1303工作面生產(chǎn)過程中產(chǎn)生CO的原因主要有以下兩種。

(1)1303采煤工作面為放頂煤開采，由于頂煤冒放不凈，導(dǎo)致采空區(qū)遺留一定量的煤炭，遺煤在采空區(qū)后方低溫氧化產(chǎn)生CO。

(2)根據(jù)西安科技大學(xué)程序升溫試驗(yàn)鑒定，該礦6組煤樣出現(xiàn)CO的平均溫度為18.25℃，臨界溫度為60～85℃，干裂溫度為100～110℃。因此，采煤機(jī)割煤過程中、割落煤炭在前部運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸過程中、后部放出的煤炭在后部運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸過程中都會產(chǎn)生一定量的CO。

2.2 開采煤層賦存一氧化碳

郭立穩(wěn)、劉永新等[1～2]通過測定煤的工業(yè)分析、元素分析煤巖組分?jǐn)?shù)據(jù)等，提出煤的變質(zhì)程度對煤層吸附CO有很大影響，其中中—低變質(zhì)程度的煤層對CO吸附量最大。劉長青、何啟林[3]等在煤層鉆孔，測得CO氣體含量有增無減，煤層溫度基本不變，封閉鉆孔內(nèi)CO氣體釋放量呈現(xiàn)緩慢遞減的總趨勢，認(rèn)為鉆孔內(nèi)CO是煤層中賦存的。

蘇家壕煤礦經(jīng)工作面(1301、1302、1303)生產(chǎn)過程長期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析也驗(yàn)證了這些特性，生產(chǎn)速度快產(chǎn)量高時，回風(fēng)隅角CO濃度升高，產(chǎn)量較低時回風(fēng)隅角CO濃度降低，停采時回風(fēng)隅角CO濃度趨于穩(wěn)定值。1303采煤工作面產(chǎn)量及下隅角CO濃度關(guān)系見圖1。可以看出CO濃度與煤炭產(chǎn)量呈相關(guān)性，煤炭產(chǎn)量高CO濃度即高，煤炭產(chǎn)量低CO濃度即低，可見工作面是賦存CO的，隨著煤炭的開采賦存的CO轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)，導(dǎo)致工作面CO濃度升高。

圖1 1303采煤工作面產(chǎn)量與下隅角CO濃度關(guān)系圖

3 綜合治理措施

3.1 預(yù)測預(yù)報

(1)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控。在回風(fēng)隅角處安設(shè)CO、O2、CH4傳感器，定期對傳感器進(jìn)行標(biāo)校，確保傳感器檢測數(shù)據(jù)靈敏可靠，傳輸正常。生產(chǎn)指揮中心值班人員隨時觀察各類傳感器數(shù)據(jù)變化，發(fā)現(xiàn)CO、O2濃度異常時，立即命令現(xiàn)場瓦斯檢查員、跟班管理人員查明原因，及時匯報生產(chǎn)指揮中心，并按照要求進(jìn)行處理。

(2)采空區(qū)埋管自動取樣分析。正?；夭善陂g，在1303工作面沿回風(fēng)隅角預(yù)埋2條單芯束管進(jìn)入采空區(qū)，兩條束管間隔15m。每天檢測采空區(qū)下部30m范圍的CO等8種氣體濃度，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)深部的預(yù)測預(yù)報。

(3)人工取樣分析。瓦斯檢查工利用瓦斯檢定杖(長3m)、取樣氣袋，人工抽取采空區(qū)下部氣樣進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)回風(fēng)隅角以里3m范圍的防滅火預(yù)測預(yù)報和自動取樣分析數(shù)據(jù)的對比分析。特殊期間(停產(chǎn)等)，沿采空區(qū)(后部刮板運(yùn)輸機(jī))預(yù)埋5條單芯束管、10個鉑電阻(2個一組)，各測點(diǎn)間隔50m。定期檢測采空區(qū)CO等8種氣體濃度和溫度變化情況，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)深部的預(yù)測預(yù)報。

通過定時和實(shí)時監(jiān)測分析，對采空區(qū)進(jìn)行預(yù)測預(yù)報，指導(dǎo)工作面防滅火工作的合理有效開展。

3.2 防治措施

(1)采空區(qū)注氮。采取全封閉邁步連續(xù)式注氮工藝，一是沿工作面后部刮板運(yùn)輸機(jī)全部240m埋設(shè)注氮管，注氮管間隔1m鉆φ10mm的氮?dú)鈹U(kuò)散孔；二是沿進(jìn)風(fēng)隅角埋設(shè)注氮管，前后注氮管均間隔10m，注氮管進(jìn)入采空區(qū)5m開始注氮，進(jìn)入采空區(qū)35m停止注氮。對采空區(qū)氧化散熱帶、升溫帶進(jìn)行連續(xù)式注氮，充填采空區(qū)，減少遺煤與O2結(jié)合。埋管方式：沿后部運(yùn)輸機(jī)全部240m埋設(shè)PVC塑料管，每隔10m埋設(shè)一條，每條注氮管間隔1m預(yù)設(shè)擴(kuò)散孔；注氮方式：預(yù)埋管進(jìn)入采空區(qū)10m開始注氮，3條管路同時注氮，控制范圍40m。

(2)采空區(qū)灌漿。蘇家壕煤礦建有ZLJ- 60灌漿裝置2套，依據(jù)工作面地質(zhì)構(gòu)造和回采性質(zhì)，采用預(yù)防性和針對性兩種灌漿防滅火措施，正常回采期間，工作面采取邁步式埋管(利用停止注氮的管路進(jìn)行注水或注漿，控制采空區(qū)內(nèi)35m至45m范圍)，俯采時不灌漿，仰采時條帶式灌漿。特殊時期，工作面采取針對性埋管灌漿。

(3)上下端頭噴涂封堵。根據(jù)防火三帶觀測結(jié)果，正常回采期間，對工作面上下端頭采取間隔式(每天生產(chǎn)完畢后，進(jìn)行壘砌沙袋噴漿)全斷面封閉噴涂措施，停采期間，沿工作面對采空區(qū)進(jìn)行全面封閉噴涂措施，堵塞漏風(fēng)通道，減少向采空區(qū)漏風(fēng)。噴涂范圍：上端頭自上幫至137#過渡支架，下端頭自下幫至3#過渡支架；上至頂板，下至底板；噴涂標(biāo)準(zhǔn)：全范圍用砂漿覆蓋，厚度不小于10mm，無縫隙，無煤巖體、沙袋裸露。

(4)合理調(diào)配風(fēng)量，上下端頭設(shè)置導(dǎo)風(fēng)障，減少采空區(qū)漏風(fēng)。針對煤炭低溫氧化特性，在滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定下，合理調(diào)配工作面風(fēng)量，降低工作面上下端的風(fēng)壓差，減少向采空區(qū)漏風(fēng)；并定期對工作面風(fēng)量進(jìn)行測定，確保工作面風(fēng)量穩(wěn)定。上下端頭各搭設(shè)30m透明導(dǎo)風(fēng)障，既有效保證了拉移支架過程中能看清頂?shù)装寮爸Ъ苤車鸂顩r，又減小采空區(qū)漏風(fēng)。

(5)塌陷區(qū)回填壓實(shí)。工作面回采過程中，每2d對塌陷區(qū)裂隙進(jìn)行回填壓實(shí)一遍，杜絕地面的漏風(fēng)通道。

(6)設(shè)備優(yōu)化布置。下端頭靠下幫側(cè)端頭支架控制閥組移至1#過渡支架上，既保證了移架工在拉移支架時能隨時觀察支架拉移情況，又避免了CO超限對支架工的傷害；把下端頭前后部運(yùn)輸機(jī)控制器移設(shè)至3#支架前部運(yùn)輸機(jī)上，既保證了前后部運(yùn)輸機(jī)的安全，又確保了前后部運(yùn)輸機(jī)司機(jī)對設(shè)備的可控性；分別在轉(zhuǎn)載機(jī)、前部機(jī)頭處安設(shè)攝像頭，在控臺設(shè)置監(jiān)控裝置，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控前后部運(yùn)輸機(jī)堆煤及轉(zhuǎn)載機(jī)人員安全狀況。以上設(shè)備的優(yōu)化布置，有效保證了下順槽工作人員的安全。

(7)合理調(diào)控回采進(jìn)度，優(yōu)化放煤工藝。依據(jù)科技院校試驗(yàn)參數(shù)，確定工作面每月均衡回采進(jìn)度不少于90m，確保采空區(qū)遺煤在發(fā)火期內(nèi)進(jìn)入窒息帶；且不高于150m，采煤機(jī)割煤速度限定在4m/min以下，放煤工盡量將頂煤放凈(標(biāo)準(zhǔn)：見矸石停止放煤)，最多允許兩人同時放煤，并保持放煤速度均衡；下順槽工作人員及現(xiàn)場盯班瓦斯檢查員隨時觀測生產(chǎn)期間CO濃度，當(dāng)CO濃度超過15ppm時立即通知現(xiàn)場跟班管理人員，由跟班管理人員合理調(diào)控采煤機(jī)割煤及放煤工序，超過18ppm時工作面必須立即停止生產(chǎn)。

優(yōu)化放煤工藝，工作面由原來的單輪順序放煤工藝改為雙輪順序放煤工藝，既提高了放煤質(zhì)量減少了采空區(qū)遺煤，減小采空區(qū)內(nèi)遺煤低溫氧化生成CO造成積聚，又有效控制了放煤量，合理調(diào)控了放煤與割煤的關(guān)系。

3.3 應(yīng)急機(jī)制

(1)蘇家壕煤礦編制了綜合應(yīng)急預(yù)案和專項(xiàng)防滅火預(yù)案，配置了三相泡沫發(fā)生器1臺、移動式防滅火裝置1臺、氣動柱塞泵1臺、手持式螺旋防突鉆機(jī)2臺，同時儲備了防滅火材料羅克休3t、馬麗散4t、水玻璃5t、氯化鎂1t，井上下消防材料庫、工作面按照設(shè)計進(jìn)行了消防器材配置，作為防滅火應(yīng)急措施。

(2)通風(fēng)科、安全科每班安排專職瓦斯檢查員(兼救護(hù)隊(duì)員)、安監(jiān)員現(xiàn)場盯靠，回風(fēng)隅角懸掛便攜式多參數(shù)測定器，隨時檢查回風(fēng)隅角有毒有害氣體情況，發(fā)現(xiàn)超限立即撤離所有受影響范圍的人員，并報告礦生產(chǎn)指揮中心進(jìn)行處理。

(3)回風(fēng)順槽工作人員配置便攜式CO報警儀，并在下端頭、破碎機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)處各配置一套壓風(fēng)自救裝置，在自救裝置上引出呼吸罩，確保CO異常時下順槽工作人員可以隨時呼吸到新鮮空氣。

4 結(jié)語

蘇家壕煤礦依據(jù)地質(zhì)特性、試驗(yàn)參數(shù)、專家建議及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)投入大量的人力、物力和財力，進(jìn)行采煤工作面防滅火及CO防治工作。通過以上措施的應(yīng)用實(shí)施，礦井未發(fā)生過總回風(fēng)CO超限、工作面火災(zāi)及工作面回風(fēng)流CO濃度超限事故，以上措施對礦井防滅火及CO防治工作是有效的、可行的。

[1] 郭立穩(wěn)，王月紅，張九齡．煤的變質(zhì)程度與煤層吸附CO影響的試驗(yàn)研究[J]．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2007，(2)：165-168．

[2] 劉永新，郭立穩(wěn)，肖藏巖．煤的元素分析對煤層吸附CO的影響研究[J]．采礦與安全工程學(xué)報,2009，(2)：249-252．

[3] 劉長青，何啟林．煤巷打眼過程中CO產(chǎn)生緣由探究[J]．能源技術(shù)與管理,2006，(3)：15-16．

[4] 王德明．礦井通風(fēng)與安全[M]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007．

[5] 王德明．礦井火災(zāi)學(xué)[M]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008．

[6] 關(guān)德久．放頂煤綜采面采空區(qū)注氮防滅火技術(shù)[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，1991，(8)：35-37．

Mechanism of producing carbon monoxide on No.1303 working face of Sujiahao Coal Mine and its control measures

In view of the abnormal problems of carbon monoxide on No.1303 working face in Sujiahao Coal Mine, and based on the laboratory research and combined with field observation and data analysis, the mechanism of producing abnormal carbon monoxide on coal working face was analyzed, and the corresponding prevention and control measures were put forward. Through the implementation of the prevention and control measures, the abnormal carbon monoxide on working face was effectively controlled, which provided reference basis for the carbon monoxide control on working face with similar conditions.

coal mine; working face; carbon monoxide; producing mechanism; control measures

1672-609X(2017)02-0053-03

TD711

A

2016-10-08

石銀斌(1973-)，男，寧夏大武口人，工程師，長期從事一通三防管理工作。