綜采工作面上隅角CO積聚特征與成因分析

顧根龍

（大同煤礦集團(tuán)挖金灣煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037042）

綜采工作面上隅角CO超限在國(guó)內(nèi)煤礦是一種比較常見(jiàn)的情況，但是由于各煤礦的地質(zhì)條件差異性及其所采用的開(kāi)采方式、裝備各不相同，因此造成CO積聚的原因也各不相同[1]。為此，以挖金灣煤業(yè)公司8101綜采工作面上隅角CO超限問(wèn)題為工程背景，進(jìn)行CO濃度測(cè)試和來(lái)源分析，得出CO氣體主要來(lái)源和積聚特征與規(guī)律，并提出相應(yīng)治理措施，為相似地質(zhì)條件礦井的CO超限治理提供參考。

1 工程概況

挖金灣煤業(yè)公司8101綜采工作面采用綜合機(jī)械化一次采全高開(kāi)采工藝，在正常的工作面回采過(guò)程中，工作面上隅角常出現(xiàn)CO超限現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)探測(cè)和分析，工作面采空區(qū)僅出現(xiàn)了“散熱帶”，因此采空區(qū)不存在自燃問(wèn)題，工作面上隅角CO積聚問(wèn)題不是采空區(qū)自燃所致。

2 CO來(lái)源分析

2.1 工作面CO涌出測(cè)試

由圖1和表1可以看出，上隅角CO濃度在5月3日開(kāi)始升高，至7日濃度達(dá)到最大值，濃度為0.0048%，7日以后濃度迅速下降至0.0026%，之后基本維持在0.0026%上下處于不斷波動(dòng)變化趨勢(shì)，僅20日后有小幅度提高，但濃度很快又降下來(lái)；下隅角的CO濃度在5月的4開(kāi)始明顯提高，并于6日第一次達(dá)到極值，濃度為0.0024%。此后，基本維持在0.0024%上下處于不斷波動(dòng)變化趨勢(shì)，但在21日濃度達(dá)到最大值，濃度為0.0037%，此后濃度很快又降下來(lái)。通過(guò)具體數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，上下隅角CO最低濃度分別發(fā)生在5月3日和5月4日，其值為0.0007%和0.0005%，最高濃度則分別出現(xiàn)在5月7日和5月21日，其值為0.0048%和0.0037%。上下隅角CO的濃度波動(dòng)明顯，上隅角波動(dòng)幅度較大，回風(fēng)巷道側(cè)的CO濃度明顯高于進(jìn)風(fēng)側(cè)，而O2的濃度則比較平衡且穩(wěn)定?？傮w分析得知采空區(qū)O2的濃度基本穩(wěn)定在較高值，O2含量的存在引起采空區(qū)散煤的低溫氧化反應(yīng)生成CO是工作上下隅角CO的濃度超限的主要原因之一。

圖1 探頭測(cè)試的數(shù)據(jù)

對(duì)上面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其數(shù)值特征如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)特征

2.2 隔離煤柱CO涌出測(cè)試分析

在煤柱內(nèi)進(jìn)行鉆孔測(cè)試，鉆孔數(shù)量2個(gè)，孔徑42mm，孔深10m，孔間距25m，封孔深度5m，鉆孔布置圖如圖2所示。

通過(guò)對(duì)回風(fēng)巷的隔離煤柱在自燃過(guò)程中產(chǎn)生的一氧化碳進(jìn)行收集，同時(shí)采用色譜儀測(cè)試[2-3]。

圖2 隔離煤柱鉆孔布置圖

為了便于分析，建立基于鉆孔位置的坐標(biāo)軸，坐標(biāo)軸的原點(diǎn)為支架的切眼，坐標(biāo)軸的方向?yàn)楣ぷ髅婊夭傻姆较颉８鶕?jù)這一預(yù)設(shè)可以知道，當(dāng)工作面尚未推進(jìn)到鉆孔位置時(shí)，其相對(duì)于鉆孔的位置為負(fù)，工作面向前推進(jìn)并通過(guò)鉆孔時(shí)，其位于坐標(biāo)軸的正半軸，此時(shí)鉆孔處于采空區(qū)范圍。根據(jù)這一預(yù)設(shè)，分別繪制鉆孔1和鉆孔2的CO濃度位置圖，如圖3所示。

圖3 鉆孔處CO濃度與工作面推進(jìn)的關(guān)系

由圖3可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至距離1#鉆孔越近的時(shí)候，鉆孔位置的隔離煤柱在工作面支撐前后，所釋放的CO變化較大，主要體現(xiàn)在CO的濃度變化上。在-40～ -10m之間，其處于圍巖應(yīng)力帶，釋放的CO濃度波動(dòng)小，可以視為恒定；在-10～0m范圍內(nèi)，其處于支撐壓力帶，此時(shí)CO釋放量明顯增加；在0～10m的區(qū)間，隔離煤柱部分處于卸壓帶，直接頂冒落。因此可以認(rèn)為，隔離煤柱在支撐壓力的作用下，發(fā)生的塑性變形，造成裂隙的擴(kuò)張和發(fā)育，使得采空區(qū)CO泄漏涌出是造成CO濃度超限的原因之一。

2.3 CO來(lái)源匯總

通過(guò)上述測(cè)試和分析，可以得出CO的來(lái)源主要有以下幾點(diǎn)：

2.1 兩組安全性評(píng)價(jià) 結(jié)果(表2)表明：兩組患者發(fā)病90 d各有2例死亡；兩組患者間出血性腦梗死、其他重要臟器出血、發(fā)病90 d死亡率及發(fā)病90 d mRS(0～2分)差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

（1）低溫氧化，采空區(qū)的遺留煤炭在漏風(fēng)的作用下，經(jīng)過(guò)低溫氧化產(chǎn)生了部分CO；

（2）煤柱裂隙，在工作面回采過(guò)程中，隔離煤柱在礦壓的作用下產(chǎn)生裂隙，從而氧化生成CO；

（3）新露出的煤壁氧化，在回采過(guò)程中，采煤機(jī)的截齒將煤壁不斷截割，從而露出新的煤壁，新的煤壁氧化過(guò)程中，釋放CO。

3 CO積聚特征分析

3.1 CO濃度變化規(guī)律

將8101工作面的上隅角進(jìn)行如圖4所示的區(qū)域劃分[2,4]，圖中所示的水平測(cè)量面，為距離底板1800mm的水平面，垂直面為回風(fēng)巷道的外側(cè)巷幫。并利用一氧化碳便攜儀在各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行濃度檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)區(qū)域劃分

圖5 測(cè)試數(shù)據(jù)

由圖可以看出，CO濃度越靠近采空區(qū)和煤壁越高，并沿著工作面方向和回風(fēng)巷方向逐步降低。CO濃度最高值為0.003%，最低值為0。煤壁巷幫處的CO濃度變化的規(guī)律大概為：采空區(qū)一側(cè)較高，并沿著巷道方向遞減；底板附近濃度較高，并隨著高度升高濃度逐漸遞減。具體而言，其分布規(guī)律為：

（1）在水平面上，從上隅角立柱開(kāi)始，CO濃度最高，并以扇形發(fā)散向工作面和煤壁，CO濃度逐步降低。

（2）在隔離煤柱一側(cè)的垂直面上，從上隅角開(kāi)始，CO濃度最高，沿工作面回采方向，CO濃度逐步降低，在垂直方向上，隨著高度的降低，CO濃度逐步升高。

3.2 成因分析[3-4]

氣體測(cè)試和分析情況表明，工作面空氣壓力從上隅角向采空區(qū)和支架方向呈下降趨勢(shì)，且壓力差較大，在U型通風(fēng)時(shí)，上隅角會(huì)產(chǎn)生渦流，產(chǎn)生的CO不易排除，因此出現(xiàn)積聚的情況。

4 治理措施

根據(jù)前兩部分對(duì)CO的來(lái)源及其積聚原因分析，提出如下治理方案和措施[4-5]：

（1）噴灑阻化劑。在上下隅角區(qū)域范圍內(nèi)噴灑阻化劑，氯化鎂是目前較常見(jiàn)的阻化劑，在前述分析中提到的CO濃度高的區(qū)域噴灑阻化劑，通過(guò)隔斷O2，減緩低溫氧化進(jìn)程，從而降低CO濃度。因此采用濃度為18%左右氯化鎂，對(duì)工作面上隅角、隔離煤柱和采空區(qū)等CO涌出區(qū)域進(jìn)行噴灑，從而延緩氧化反應(yīng)的發(fā)生過(guò)程，達(dá)到降低CO濃度的目的。

（2）壓注水泥漿。在隔離煤柱上進(jìn)行鉆孔，孔徑30mm，孔深500mm，行間距1100mm，列間距1500mm。鉆孔施工完成后，利用外徑27mm的不銹鋼管進(jìn)行注漿封孔，注漿材料為水泥漿，配比以水和水泥按照質(zhì)量1:1的比例。待漿液攪拌均勻后，利用氣動(dòng)注漿泵進(jìn)行注漿，對(duì)隔離煤柱進(jìn)行堵漏，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隔離煤柱裂隙的封堵，達(dá)到減小暴露面積，減少CO生成量的目的。

（3）加設(shè)風(fēng)簾。上隅角處的支架和煤柱之間的區(qū)域?qū)儆谝茁╋L(fēng)區(qū)域。通過(guò)在支架的頂梁上焊接套管，將橫桿穿過(guò)套管并固定在套管上，將風(fēng)簾掛在橫桿上。套管作為風(fēng)簾的支點(diǎn)，可以使風(fēng)簾能夠方便的外伸和回收，當(dāng)采煤機(jī)機(jī)組割煤至機(jī)尾時(shí)，將風(fēng)簾及時(shí)收回，待三角區(qū)的煤壁完成截割后，又可將風(fēng)簾及時(shí)伸出，從而方便快捷的減少了漏風(fēng)。

（4）同時(shí)還可以利用風(fēng)簾引導(dǎo)主風(fēng)流到渦流區(qū)域，從而稀釋積聚的CO。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)該工作面CO可能積聚的區(qū)域進(jìn)行測(cè)試和分析得知，CO的來(lái)源主要是遺煤氧化、隔離煤柱裂隙中的氧化、回采過(guò)程中新暴露的煤壁的氧化等產(chǎn)生的CO，并釋放積聚到上隅角。

（2）通過(guò)對(duì)工作面CO涌出測(cè)試分析得出了工作面上下隅角CO濃度變化規(guī)律特點(diǎn)。上下隅角最低濃度分別發(fā)生在5月3日和5月4日，其值為0.0007%和0.0005%，最高濃度則分別出現(xiàn)在5月7日和5月21日，其值為0.0048%和0.0037%。上下隅角CO的濃度波動(dòng)明顯，回風(fēng)巷道側(cè)的CO濃度明顯高于進(jìn)風(fēng)側(cè)，而O2的濃度則比較平衡且穩(wěn)定。

（3）隔離煤柱CO涌出測(cè)試分析，得出了鉆孔處CO濃度與工作面位置擬合函數(shù)關(guān)系。

（4）分析工作面上隅角CO濃度超限本質(zhì)原因是由于工作面氣體壓力從上隅角向采空區(qū)和支架方向呈下降趨勢(shì)，且壓力差較大，U型通風(fēng)上隅角會(huì)產(chǎn)生渦流所致。

（5）根據(jù)工作面上隅角CO濃度超限產(chǎn)生原因，從抑制產(chǎn)生、改善排放等方面進(jìn)行治理，提出了噴灑阻化劑、掛風(fēng)簾、噴涂黃泥灌漿等措施，為相似地質(zhì)條件礦井的工作面CO超限治理提供了參考。