德順煤業(yè)10105工作面防CO超限及安全啟封技術(shù)研究

李創(chuàng)進(jìn)，賈建文，曹永安，郭文軍

（山西孝義西山德順煤業(yè)公司，山西 孝義 032300）

1 工作面概況

山西孝義西山德順煤業(yè)是一座資源整合礦井，礦井位于孝義市驛馬鄉(xiāng)申家溝村，井田面積4.3601km2，主采煤層9、10、11號(hào)，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為1.43m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為1.20m3/t；二氧化碳絕對(duì)涌出量為2.22m3/min，二氧化碳相對(duì)涌出量為1.86m3/t。10105工作面位于礦井一采區(qū)北翼中部，東鄰已回采的10103工作面，西鄰已回采的10107工作面，南為礦井軌道運(yùn)輸大巷，北鄰楊家圪垛村莊保護(hù)煤柱，上覆為9號(hào)煤層小窯破壞區(qū)，層間距約3.5m左右；工作面切眼長(zhǎng)度190m，走向長(zhǎng)度530m，主要開(kāi)采9號(hào)煤層，9號(hào)煤層平均厚度1.5m左右，為特低灰-中灰、中高硫-高硫分、特高熱值的肥煤及1/3焦煤，9號(hào)煤層均為二類(lèi)自燃煤層，自燃發(fā)火期81天。

2 工作面CO超限經(jīng)過(guò)及采取措施

2017年5月18日，德順煤業(yè)10105工作面回風(fēng)上隅角開(kāi)始出現(xiàn)CO，濃度為17ppm，至9日CO濃度上升至36ppm，此時(shí)工作面支架尾部采空區(qū)CO濃度達(dá)到50～450ppm，并呈逐漸上升趨勢(shì)，出現(xiàn)自然發(fā)火征兆，于5月21日進(jìn)行了封閉。在封閉后，先后采取了“堵漏風(fēng)、注氮?dú)舛杌?、注液態(tài)二氧化碳惰化”等一系列措施，并加強(qiáng)封閉區(qū)氣體的監(jiān)測(cè)監(jiān)控。

2.1 堵漏風(fēng)

1）巷道噴漿，對(duì)9#煤軌道大巷進(jìn)行噴漿處理，噴漿厚度50～100mm，噴漿長(zhǎng)度40m。

2）密閉加固堵漏，對(duì)所有與10105工作面可能存在相通的密閉重新加固，共加固密閉22個(gè)。

2.2 注氮?dú)舛杌?/h3>

圖1 注氮期間氣體含量變化

通過(guò)10105正巷密閉措施孔向10105工作面采空區(qū)注入氮?dú)猓瑥?月25日開(kāi)始至9月25日，累計(jì)注入氮?dú)?4625m3，注氮期間10105副巷內(nèi)氣體濃度變化如圖1所示。封閉區(qū)O2濃度已降至5%以下，CO濃度降至30ppm以下，并呈逐步穩(wěn)定趨勢(shì)，而注氮雖能快速降低采空區(qū)氧氣濃度，但其降溫效果極為有限，同時(shí)封閉區(qū)域情況變化比較復(fù)雜，并受到檢測(cè)取樣條件的限制，以及封閉區(qū)內(nèi)氣體運(yùn)移規(guī)律變化的影響，所觀(guān)測(cè)和分析的結(jié)果可能會(huì)有偏差或遺漏，啟封時(shí)極易發(fā)生復(fù)燃。為保證啟封的順利實(shí)施，因此在降氧窒息的同時(shí)必須結(jié)合降溫措施，根據(jù)目前工作面井上下實(shí)際施工條件和國(guó)內(nèi)外防滅火技術(shù)現(xiàn)狀，向10105工作面采空區(qū)注入液態(tài)二氧化碳。

2.3 注液態(tài)二氧化碳惰化

液態(tài)二氧化碳較氮?dú)庀啾?，具有吸附能力?qiáng)、抑爆性強(qiáng)、惰化效果好及氣體純度高等優(yōu)點(diǎn)，且制取簡(jiǎn)單、儲(chǔ)運(yùn)方便可靠，滅火時(shí)兼有窒息火源、冷卻降溫的優(yōu)良性能，在國(guó)內(nèi)外都有成功的應(yīng)用。運(yùn)來(lái)的液體二氧化碳通過(guò)轉(zhuǎn)貯、汽化、穩(wěn)壓過(guò)程，在地面轉(zhuǎn)換成適度壓力的氣態(tài)二氧化碳，依靠現(xiàn)有的管線(xiàn)注入封閉區(qū)域，其注入流程如圖2所示。

圖2 二氧化碳注入流程

液態(tài)二氧化碳及其氣化裝置布置在副斜井工業(yè)廣場(chǎng)，轉(zhuǎn)換后的氣態(tài)二氧化碳通過(guò)副斜井預(yù)留的6吋備用排水管（470m）進(jìn)入井底車(chē)場(chǎng)，與3吋管路（200m）相連至10105副巷閉前三通閥門(mén)，從而與預(yù)留的觀(guān)察孔和25mm高壓膠管（該膠管直接通至采空區(qū)支架頂部）相連至10105工作面封閉區(qū)。在密閉外管路連接如圖3所示。

圖3 二氧化碳管線(xiàn)密閉處連接圖

截止2017年10月27日共注入二氧化碳634.32噸計(jì)405964.8m3，平均日注入量20.46噸13095.6m3，二氧化碳注入后的變化：

1）溫度變化。汽化器出口-40～-30℃的二氧化碳?xì)怏w在-10～-13℃進(jìn)入斜井，在斜井行約80m處復(fù)溫至0℃，管道外壁結(jié)霜消失，氣體達(dá)到閉前溫度18～20℃進(jìn)閉，并在閉內(nèi)副巷形成19℃低溫環(huán)境，與注氮相比溫度降低4～5℃。

2）閉內(nèi)惰化情況變化。二氧化碳?xì)怏w入封閉區(qū)2小時(shí)副巷氧氣含量有1%以?xún)?nèi)的小幅上升，一氧化碳含量由注入前的21ppm以2～3ppm/h的速度在20小時(shí)后上升至高點(diǎn)80ppm，而后開(kāi)始下降，至9月30日一氧化碳含量穩(wěn)定在10～12ppm，10月3日后由于二氧化碳供應(yīng)不足一氧化碳含量開(kāi)始回升并在50～60ppm位置徘徊，同時(shí)副巷氧氣含量也有約1%以?xún)?nèi)的上升，為減少二氧化碳供應(yīng)不足帶來(lái)的系統(tǒng)反彈10月10日密閉充氮開(kāi)始，閉內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)開(kāi)始恢復(fù)并達(dá)到平穩(wěn)。正巷停注氮開(kāi)始注入二氧化碳后氧氣含量由4.6%開(kāi)始升高，14小時(shí)后達(dá)到高點(diǎn)7.7%開(kāi)始下降，并于40小時(shí)后恢復(fù)至注氮前4～5ppm，一氧化碳含量由注入前的1ppm以1.5～2ppm/h的速度在30小時(shí)后上升至高點(diǎn)55ppm，而后微降停留在40～50pp區(qū)間，以后與副巷一樣在二氧化碳注入減少的情況下氧氣含量也有約21%～3%以?xún)?nèi)的上升，一氧化碳含量回升到60～70ppm，10月10日密閉充氮開(kāi)始后正巷氧氣、一氧化碳含量迅速下降，氧氣含量在3%～4%之間穩(wěn)定，一氧化碳含量下降到10ppm以下。注二氧化碳期間氣體含量變化如圖4所示。

3）二氧化碳注入效果分析。二氧化碳低位充填效果好，注入2小時(shí)后在距注入點(diǎn)400m和520m的檢測(cè)點(diǎn)均可感受到低比重氣體被置換的效果。

從二氧化碳注入過(guò)程引起的短時(shí)一氧化碳和氧氣含量升高可以判斷密閉中煤炭縫隙及煤炭吸附的氧氣、一氧化碳得到了充分置換，經(jīng)過(guò)一個(gè)月的維持二氧化碳已對(duì)暴露煤炭形成了較好的保護(hù)。

由于二氧化碳入閉溫度18～20℃，以傳導(dǎo)方式對(duì)煤壁冷卻效果有限，但從75mm和25mm二氧化碳入閉比例上看，25mm高壓管二氧化碳有充分的流量通過(guò)，密閉內(nèi)疑是高溫區(qū)通過(guò)對(duì)流方式得到了較好的冷卻。

注入二氧化碳閉內(nèi)指標(biāo)氣體含量變化較大，其閉內(nèi)乙烯全部、一氧化碳大部分和部分氧氣來(lái)源于二氧化碳產(chǎn)品，給封閉區(qū)內(nèi)情況判斷帶來(lái)一定困難，在分析封閉區(qū)內(nèi)氣體時(shí)應(yīng)考慮扣除注入的二氧化碳?xì)怏w中的原始指標(biāo)氣體含量。

2.4 加強(qiáng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控

安排專(zhuān)人通過(guò)預(yù)留的束管采樣點(diǎn)（其中10105副巷采樣點(diǎn)距切眼約10m，10105正巷束管采樣點(diǎn)距切眼約100m）對(duì)10105工作面兩道密閉內(nèi)氣體定時(shí)采集氣樣，并送地面進(jìn)行色譜分析。

3 工作面啟封具備的條件

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，當(dāng)封閉的火區(qū)滿(mǎn)足如下條件時(shí)，可認(rèn)為該區(qū)域火源已熄滅：①火區(qū)內(nèi)空氣溫度下降到30℃，或者該區(qū)域的日常空氣溫度與發(fā)生火災(zāi)之前相同；②火區(qū)內(nèi)的氧氣溫度降低到5.0%以下；③火區(qū)內(nèi)空氣中不含有乙烯、乙炔，一氧化碳濃度在封閉期間內(nèi)逐漸下降，并穩(wěn)定在0.001%以下；④火區(qū)內(nèi)的出水溫度低于25℃，或該區(qū)域的日常出水溫度與發(fā)生火災(zāi)發(fā)生之前相同；⑤以上4項(xiàng)指標(biāo)持續(xù)穩(wěn)定的時(shí)間在一個(gè)月以上。

10105工作面自2017年5月21日重新封閉后，從8月17日起各項(xiàng)指標(biāo)持續(xù)穩(wěn)定，雖然氣體濃度在注入液態(tài)CO2后有所反復(fù)，但其變化趨勢(shì)與所注入液態(tài)CO2所含成分及濃度呈高度一致性，并考慮到CO2吸附置換、氣體運(yùn)移以及取樣時(shí)間差等方面影響，綜合分析可知：封閉區(qū)實(shí)際各氣體濃度均呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)，均達(dá)到《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，且穩(wěn)定時(shí)間已超過(guò)1個(gè)月，可認(rèn)為火已熄滅，具備啟封的條件，可實(shí)施啟封。對(duì)該封閉區(qū)域首先進(jìn)行逐段鎖風(fēng)偵察，待確認(rèn)封閉區(qū)域無(wú)異?；?qū)Ξ惓^(qū)域?qū)嵤┨幚砗髮?shí)施啟封工作。

4 啟封方案

4.1 10105工作面?zhèn)刹旒皢⒎獠襟E

圖5 10105工作面?zhèn)刹旒皢⒎饬鞒?/p>

10105工作面?zhèn)刹旒皢⒎夥桨噶鞒倘鐖D5所示，在相關(guān)準(zhǔn)備工作完成后進(jìn)行工作面的啟封，相關(guān)步驟如下：

1）打開(kāi)10105副巷密閉，綜合分析井下通風(fēng)、運(yùn)輸以及啟封前各種氣體濃度等情況，只有當(dāng)密閉內(nèi)外CH4濃度均小于1%，方可對(duì)10105副巷密閉進(jìn)行破閉偵察工作。該副巷密閉距離巷口較近，無(wú)法在原密閉外構(gòu)筑臨時(shí)密閉實(shí)現(xiàn)鎖風(fēng)啟封，救護(hù)隊(duì)在原密閉打開(kāi)約1m×1.5m進(jìn)入封閉區(qū)后即刻用風(fēng)筒布重新封堵，以形成鎖風(fēng)狀態(tài)。

2）封閉區(qū)偵察，火區(qū)偵察內(nèi)容：救護(hù)隊(duì)員進(jìn)入封閉區(qū)后，要每隔10m左右測(cè)定瓦斯、一氧化碳濃度以及空氣溫度和煤壁溫度，在行進(jìn)過(guò)程中也要不斷觀(guān)察是否有氣體濃度、溫度等異常情況出現(xiàn)，如果有，要單獨(dú)做好記錄，記錄出現(xiàn)的異常情況并標(biāo)明地點(diǎn)。進(jìn)入工作面區(qū)域后，還要測(cè)量液壓支架溫度以及觀(guān)測(cè)其損壞情況；另外還要觀(guān)測(cè)巷道支護(hù)和積水情況，做好相應(yīng)記錄。

3）恢復(fù)10105工作面全負(fù)壓通風(fēng)。如果救護(hù)隊(duì)員偵察結(jié)果顯示封閉區(qū)沒(méi)有復(fù)燃的跡象，由救護(hù)隊(duì)員逐漸拆除10105副巷和正巷密閉，并最終恢復(fù)由10105副巷進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)順槽回風(fēng)的全風(fēng)壓通風(fēng)狀態(tài)。

4）氣體排放，10105工作面采空區(qū)開(kāi)采長(zhǎng)度為190m，推進(jìn)長(zhǎng)度為70m，采煤高度為1.50m，體積約為10000m3（假設(shè)其孔隙為0.5）；兩個(gè)順槽的長(zhǎng)度均取500m，寬度取3m，高度取2m，則體積約為6000m3，合計(jì)16000m3；同時(shí)考慮到上覆鄰近9號(hào)煤層采空區(qū)層間氣體運(yùn)移的影響（安全系數(shù)取3），則10105工作面封閉區(qū)體積按48000m3計(jì)。

在10105封閉期間，由于注入大量的N2和CO2氣體，為防止封閉區(qū)內(nèi)氣體在全風(fēng)壓通風(fēng)狀態(tài)下N2和CO2以及CH4瞬時(shí)大量涌出，在拆除10105正巷密閉過(guò)程中應(yīng)逐步開(kāi)大，調(diào)節(jié)10105正巷與回風(fēng)大巷的調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)打開(kāi)的大小，控制好10105工作面風(fēng)量的分配，確保風(fēng)流匯合點(diǎn)之后15m以外CH4和CO2濃度不超過(guò)1.0%。

5）閉區(qū)清理工作，對(duì)封閉區(qū)巷道進(jìn)行清理工作，包括火源點(diǎn)清除、巷道雜物清理、膠帶清理、電纜清理等工作。

6）恢復(fù)工作面正常通風(fēng)狀態(tài)，在啟封完成3天內(nèi)，檢測(cè)回風(fēng)流中一氧化碳、甲烷濃度和風(fēng)流的溫度，如確認(rèn)封閉區(qū)完全熄滅，再根據(jù)工作面正常生產(chǎn)所需要的風(fēng)量，對(duì)10105工作面進(jìn)行調(diào)風(fēng)，恢復(fù)工作面正常生產(chǎn)通風(fēng)狀態(tài)，配風(fēng)量應(yīng)采取由小到大的順序，逐步增加，并轉(zhuǎn)入恢復(fù)生產(chǎn)工作。

4.2 啟封過(guò)程中異常情況應(yīng)對(duì)措施及啟封后防止復(fù)燃措施

在進(jìn)入封閉區(qū)進(jìn)行偵察過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)封閉區(qū)存在局部氧化區(qū)，則在實(shí)施啟封后進(jìn)行架間插管注膠降溫處理；如發(fā)現(xiàn)氧化區(qū)CH4≥1%或溫度異常（超過(guò)70℃）等情況則可在架間插管并安設(shè)好管路后，在副巷靠近工作面合適位置重新封閉，在密閉外進(jìn)行注凝膠處理。

啟封后需做如下工作：加強(qiáng)通風(fēng)管理，減少向采空區(qū)漏風(fēng)；對(duì)開(kāi)始出現(xiàn)CO異常涌出地點(diǎn)實(shí)施架間插管注凝膠，以消除該區(qū)域復(fù)燃的隱患，并形成隔離帶減少漏風(fēng)，注入量以膠體滲出到工作面為；加快工作面推進(jìn)速度；注氮防滅火，調(diào)整注氮管路布置系統(tǒng)，在10105工作面副巷上隅角預(yù)設(shè)注氮管路，待其注氮口進(jìn)入采空區(qū)后實(shí)施開(kāi)放式注氮防火；加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)通風(fēng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的日常管理。

5 結(jié)論

通過(guò)注氮及注液態(tài)二氧化碳措施，有效降低了密閉內(nèi)CO超限問(wèn)題，通過(guò)啟封技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全啟封，為礦井安全生產(chǎn)提供了重要技術(shù)保障。