綜采工作面上隅角CO積聚致因分析及治理措施

王有發(fā)

(陜西省何家塔煤礦，陜西 榆林 719000)

CO氣體具有敏感性和易檢測(cè)性的特點(diǎn)，是預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤層自然發(fā)火的主要指標(biāo)氣體[1]。國(guó)內(nèi)很多煤礦在生產(chǎn)期間，綜采工作面上隅角都出現(xiàn)過(guò)CO不同程度的超限現(xiàn)象，由于開(kāi)采技術(shù)、開(kāi)采裝備及地質(zhì)條件的不同，CO超限往往是多種原因綜合產(chǎn)生的結(jié)果[2-6]。

本文以陜西省何家塔煤礦5-2煤層50105綜采工作面上隅角CO超限及治理為工程背景，深入分析了CO的來(lái)源，研究了綜采工作面上隅角CO積聚的原因，并提出了綜合治理措施，對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程概況

何家塔煤礦5-2煤層為I類(lèi)易自燃煤層，自然發(fā)火期為46d。煤層瓦斯成分主要以N2為主，含少量的CO2，該礦井為低瓦斯礦井。

礦井開(kāi)拓方式為斜井單水平開(kāi)拓，采用中央并列式通風(fēng)，布置4條井筒，并形成“三進(jìn)一回”抽出式通風(fēng)方法。

礦井回采的50105工作面位于501盤(pán)區(qū)東部，走向長(zhǎng)度為3800m，傾斜長(zhǎng)度為245m，煤層平均厚度3.1m。主要巷道采用“兩巷式”布置，膠帶運(yùn)輸大巷進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)大巷回風(fēng)，工作面為上行通風(fēng)，工作面的通風(fēng)方式為“U”型通風(fēng)。

50105綜采工作面為綜合機(jī)械化一次采全高工作面，在正常推采條件下，采空區(qū)自燃“三帶”中，只出現(xiàn)了“散熱帶”，采空區(qū)自燃的危險(xiǎn)性不存在，采空區(qū)遺煤自燃對(duì)于工作面上隅角CO濃度超限的影響不顯著，工作面上隅角CO頻繁超限情況與上隅角周?chē)牟傻V環(huán)境、通風(fēng)條件等有關(guān)。

2 綜采工作面上隅角CO來(lái)源分析

2.1 工作面上、下隅角CO涌出測(cè)試分析

在50105工作面的上隅角和下隅角分別布置了探測(cè)采空區(qū)氣體成分的探頭裝置，當(dāng)工作面推采后，即開(kāi)始抽采采空區(qū)氣體，由氣相色譜儀分析成分。檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 50105工作面上隅角探頭測(cè)試數(shù)據(jù)

圖2 50105工作面下隅角探頭測(cè)試數(shù)據(jù)

采空區(qū)測(cè)定數(shù)據(jù)特征如表1所示。

測(cè)試結(jié)果表明，50105上隅角CO濃度在5月3日至5月7日出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，濃度變化出現(xiàn)最大值，5月7日后濃度降低并呈波動(dòng)趨勢(shì)，期間CO最高濃度為0.0049%，最低濃度為0.0009%，平均值為0.0025%。O2濃度較為平穩(wěn)，最高濃度為20.78%，最低濃度為18.25%，平均值為20.04%。

表1 50105工作面采空區(qū)測(cè)定數(shù)據(jù)特征

50105下隅角測(cè)試CO濃度在5月3日至5月6日呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，5月6日至5月21日期間呈波動(dòng)趨勢(shì)，在5月3日出現(xiàn)最低濃度，5月21日出現(xiàn)最高濃度，21日之后呈下降趨勢(shì)，CO最高濃度為0.0036%，最低濃度為0.0004%,平均值為0.0023%。O2濃度較為平穩(wěn)，最高濃度為20.86%，最低濃度為19.94%，平均值為20.35%。

50105工作面上、下隅角CO濃度均有較大波動(dòng)，上隅角變化波幅較下隅角大，回風(fēng)端采空區(qū)的CO濃度高于進(jìn)風(fēng)端采空區(qū)的CO，采空區(qū)O2濃度較為平穩(wěn)。

2.2 隔離煤柱CO涌出測(cè)試分析

對(duì)50105回風(fēng)巷隔離煤柱煤自燃氧化生成CO進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，在隔離煤柱上鉆孔收集氣體，用氣相色譜儀進(jìn)行分析測(cè)試。

在50105工作面隔離煤柱內(nèi)布置2個(gè)鉆孔，鉆孔直徑為42mm，鉆孔的深度為10m，鉆孔間距為25m。隔離煤柱寬14.5m，在煤柱中打鉆孔，封孔深度5m，在鉆孔中間插入管并接入1根束管(30m)，鉆孔布置如圖3所示。

圖3 工作面隔離煤柱鉆孔布置

假定工作面推進(jìn)到1號(hào)鉆孔時(shí)，支架切眼處為坐標(biāo)0點(diǎn)，在工作面未推進(jìn)到鉆孔的距離為負(fù)值，工作面推進(jìn)過(guò)鉆孔為正值(鉆孔進(jìn)入采空區(qū)內(nèi))，作圖分析見(jiàn)圖4，同理假定工作面推進(jìn)到2號(hào)鉆孔時(shí)，支架切眼坐標(biāo)為0，作圖分析見(jiàn)圖5所示。

圖4 1號(hào)孔測(cè)試數(shù)據(jù)

圖5 2號(hào)鉆孔測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)圖4、圖5可知：在工作面推進(jìn)靠近1號(hào)鉆孔和2號(hào)鉆孔時(shí)，隔離煤柱在工作面支承壓力前后，產(chǎn)生的CO濃度出現(xiàn)明顯的變化。在(-50～-20m)之間隔離煤柱中的煤體處于圍巖應(yīng)力帶，其產(chǎn)生CO的濃度較為穩(wěn)定。在(-20～0m)之間隔離煤柱中的煤體處于支承壓力帶，其CO濃度出現(xiàn)變化并逐漸升高。在(0～20m)的范圍內(nèi)隔離煤柱的煤體處于卸壓帶中，其直接頂出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，隨后隔離煤柱中的鉆孔進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)。并由此可得出：隔離煤柱處在支承壓力帶的范圍內(nèi)，在支承壓力的作用下產(chǎn)生的CO濃度出現(xiàn)明顯的升高。

對(duì)1號(hào)鉆孔和2號(hào)鉆孔中CO濃度與工作面切眼位置進(jìn)行函數(shù)擬合，所得擬合函數(shù)分別為f1(x)和f2(x)，如圖4和圖5中Poly曲線所示。

CO濃度與支架切眼位置擬合函數(shù)如下：

式中，x為工作面推進(jìn)與支架切眼的位置關(guān)系，x<0表示工作面未推進(jìn)到鉆孔的距離，x≥0表示工作面推進(jìn)過(guò)鉆孔，即鉆孔進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)。

2.3 綜采工作面CO來(lái)源

通過(guò)總結(jié)不同位置測(cè)定結(jié)果，可以歸納50105綜采工作面上隅角CO來(lái)源如下：

(1)采空區(qū)遺煤因內(nèi)部漏風(fēng)原因，發(fā)生低溫氧化釋放CO，隨漏風(fēng)風(fēng)流運(yùn)動(dòng)到工作面上隅角區(qū)域。

(2)工作面回風(fēng)巷隔離煤柱在礦壓作用下，煤柱煤體產(chǎn)生裂隙，與空氣中氧氣發(fā)生反應(yīng)釋放CO。

(3)回采工作面煤壁，在割煤工藝中，采煤機(jī)截齒與煤壁作用，新鮮暴露煤壁發(fā)生氧復(fù)合作用，釋放CO。

3 綜采工作面上隅角CO積聚特征及原因分析

3.1 綜采工作面上隅角CO濃度分布特征

在何家塔煤礦50105工作面上隅角區(qū)域進(jìn)行CO濃度測(cè)試，所用儀器為現(xiàn)場(chǎng)檢查用CO便攜儀，檢測(cè)時(shí)間為下午2點(diǎn)到4點(diǎn)檢修班期間。將上隅角區(qū)域等距分為若干點(diǎn)，在各基點(diǎn)上檢測(cè)CO濃度，如圖6所示。

圖6 50105工作面上隅角區(qū)域測(cè)點(diǎn)分布

監(jiān)測(cè)工作每隔1d測(cè)試1組數(shù)據(jù)，共測(cè)2個(gè)平面的數(shù)據(jù)，分別為上隅角距離底板1.8m水平面和回風(fēng)巷外壁側(cè)豎直平面，根據(jù)CO便攜儀所測(cè)讀數(shù)繪制濃度等值線(圖中數(shù)值單位為百萬(wàn)分率)，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 50105工作面上隅角CO濃度等值線

距離底板1.8m水平面檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，檢測(cè)當(dāng)天上隅角靠近煤壁和采空區(qū)位置最高CO濃度為0.003%?？傮w規(guī)律為由上隅角靠近采空區(qū)和煤壁側(cè)向工作面方向和回風(fēng)巷方向遞減，最低處為0。

靠近回風(fēng)巷外側(cè)煤壁豎直平面數(shù)據(jù)顯示，檢測(cè)當(dāng)天上隅角最高CO濃度為0.0045%，位置為靠近采空區(qū)1m離底板0.6m處位置?？傮w規(guī)律為由采空區(qū)側(cè)向回風(fēng)巷方向遞減，靠近底板處比頂板處濃度高。距離采空區(qū)5m處的底板位置CO濃度仍然高達(dá)0.0028%，并向上極速遞減，到頂板位置又有所回升達(dá)到0.0009%。

通過(guò)對(duì)50105工作面上隅角CO濃度檢測(cè)分析，得到50105綜采工作面上隅角CO濃度分布總體規(guī)律如下：

(1)在回采工作面上隅角的水平面上，從上隅角立柱往工作面煤壁方向，呈扇形發(fā)展，CO濃度由高往低變化。

(2)在回風(fēng)巷的隔離煤柱附近，沿著垂直剖面，從上隅角往回風(fēng)巷入口方向，CO濃度呈現(xiàn)由高往低變化；在同一垂直線上，由上往下，CO濃度呈現(xiàn)由低往高變化。

3.2 綜采工作面上隅角空氣壓力及其分布規(guī)律

為了分析在工作面上隅角位置CO氣體積聚的機(jī)理，在工作面上隅角位置距離底板1.5m平面上，進(jìn)行大氣靜壓差測(cè)定。

測(cè)試儀器及方法：采用精密壓差計(jì)和膠皮管，在工作面回風(fēng)入口附近煤壁布置1個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，然后將上隅角區(qū)域1.5m高水平面等距分為若干點(diǎn)，分別用壓差計(jì)在該點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，以P0為基點(diǎn)測(cè)各點(diǎn)與基點(diǎn)的壓差，壓力測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示，氣壓差數(shù)值分布如圖9所示。

圖8 50105工作面上隅角區(qū)域氣壓測(cè)點(diǎn)分布

圖9 50105工作面上隅角區(qū)域氣壓差數(shù)值分布

50105工作面上隅角區(qū)域因?yàn)榭臻g位置狹小，忽略掉空氣流動(dòng)摩擦阻力，則空氣流動(dòng)主要由兩個(gè)方面能量起作用：大氣靜壓能和空氣動(dòng)能。

(1)大氣靜壓能 大氣靜壓能表現(xiàn)在空間平面上，為兩點(diǎn)之間大氣靜壓差。50105工作面上隅角測(cè)定結(jié)果表明，在隔離煤柱表面，大氣壓力最大，然后呈三角形，分別向采空區(qū)以及向工作面液壓支架方向順次降低。

(2)空氣動(dòng)能 沿著工作面切眼方向，在工作面出口位置，風(fēng)流速度最大，然后通過(guò)往回風(fēng)巷入口拐彎，出現(xiàn)局部阻力，風(fēng)速降低。

3.3 工作面上隅角CO聚集原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的CO濃度分布及工作面上隅角空氣壓力分布規(guī)律可知：

(1)50105工作面上隅角區(qū)域CO濃度高出0.0024%情況時(shí)有發(fā)生，特別靠近煤壁和采空區(qū)側(cè)的CO濃度最高，可達(dá)0.0045%，由此往工作面以及回風(fēng)巷入口方向，CO濃度依次降低。

(2)現(xiàn)場(chǎng)上隅角區(qū)域大氣壓差測(cè)定結(jié)果表明，工作面隔離煤柱部位大氣壓力最高，壓差呈三角形形狀，依次向采空區(qū)和工作面液壓支架方位，壓差值增大。

(3)上隅角區(qū)域在正常通風(fēng)條件下，產(chǎn)生渦流，來(lái)自采空區(qū)以及煤壁的CO較多，由于渦流作用，在上隅角采煤機(jī)機(jī)尾設(shè)備和液壓支架等區(qū)域，CO不易有效、快速排出，形成了高濃度區(qū)域。

4 治理措施

根據(jù)50105綜采工作面CO來(lái)源及積聚原因，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，提出了防治CO超限的綜合治理措施：

(1)在回采工作面上下隅角周?chē)鷩姙⒆杌瘎?采用氯化鎂(MgCl2)作為阻化劑，配比濃度為15%～20%，在50105綜采工作面上、下隅角，上隅角隔離煤柱煤壁，液壓支架后方的采空區(qū)噴灑阻化劑。阻化劑可阻止煤炭低溫氧化，隔絕了空氣中的O2與煤分子發(fā)生氧化反應(yīng)，延遲煤炭低溫氧化反應(yīng)進(jìn)程，降低CO產(chǎn)生強(qiáng)度。

(2)減少回采工作面上下隅角漏風(fēng)措施 在綜采工作面上下隅角前端的支架與煤柱之間掛好擋風(fēng)簾；當(dāng)綜采停產(chǎn)24h以上時(shí)，在上隅角用珍珠巖袋子進(jìn)行封堵，減少上下隅角漏風(fēng)量。

(3)回采工作面上隅角通風(fēng)排放積聚CO 在工作面機(jī)尾位置支架前面傾斜吊掛引導(dǎo)風(fēng)簾，將部分主風(fēng)流引導(dǎo)到渦流區(qū)域，稀釋并散放超限的CO。

在工作面回風(fēng)巷安裝1臺(tái)濕式除塵風(fēng)機(jī)，連接一段剛性風(fēng)筒到工作面上隅角位置，采用負(fù)壓抽排方式，將工作面上隅角區(qū)域CO抽排到回風(fēng)巷。

(4)回采工作面采空區(qū)注氮 在采空區(qū)鋪設(shè)注氮管路，注氮機(jī)輸出氮?dú)鉂舛冗_(dá)到97%以上，每天注氮7h，通過(guò)氮?dú)庵脫Q采空區(qū)中的氧氣，降低采空區(qū)遺煤氧化。

(5)黃泥灌漿控制CO的措施 黃泥灌漿漿液水灰比(水∶粉煤灰)為4∶1，泥漿將采空區(qū)碎煤包裹或覆蓋，抑制采空區(qū)遺煤氧化產(chǎn)生CO。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)系統(tǒng)的工業(yè)測(cè)試及分析，查明綜采工作面CO主要由采空區(qū)遺煤氧化釋放CO，隨漏風(fēng)風(fēng)流運(yùn)動(dòng)到工作面上隅角；隔離煤柱在礦壓作用下產(chǎn)生裂隙，氧化釋放CO；在割煤工藝中，采煤機(jī)截齒與煤壁作用，新鮮暴露煤壁發(fā)生氧復(fù)合作用，釋放CO。

(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的CO濃度分布、工作面上隅角大氣壓差分布，可知上隅角區(qū)域在正常通風(fēng)條件下產(chǎn)生渦流，來(lái)自采空區(qū)以及煤壁的CO較多。由于渦流作用、上隅角采煤機(jī)機(jī)尾設(shè)備和液壓支架等區(qū)域，CO不易有效、快速排出，形成了高濃度區(qū)域。

(3)根據(jù)綜采工作面CO來(lái)源及積聚原因，制定了抑制采空區(qū)遺煤氧化、加大CO稀釋風(fēng)量、通風(fēng)排放積聚CO的綜合治理措施，取得了顯著的效果，保證了礦井的安全生產(chǎn)。