韓咀煤業(yè)一氧化碳治理研究應(yīng)用

文昌俊

摘要：針對韓咀煤業(yè)上分層受小窯開采破壞嚴(yán)重，周邊小窯內(nèi)發(fā)生過外因火災(zāi)，處理不當(dāng)致使韓咀煤業(yè)井田內(nèi)存在火區(qū)未熄滅等因素。導(dǎo)致1202首采工作面主運(yùn)巷出現(xiàn)一氧化碳超限問題。針對性采取了施工隔離巷道、采用均壓通風(fēng)、地面注黃泥漿隔絕降溫、井下注氮惰化等手段保證了礦井安全生產(chǎn)。

Abstract： The stratification of the coal mine in the Hanzui coal mine was seriously damaged by small kiln mining， and external fires occurred in the surrounding small kiln. The improper handling caused the non-extinguishment of the fire zone in the Hanzi coal industry， which led to the problem of carbon monoxide overrun in the main roadway of 1202 mining face. Some means are taken to ensure the safe production of the mine， such as， construction isolation roadway， using pressure equalization ventilation and ground injection yellow mud isolation for cooling， underground nitrogen injection inerting， and so on.

關(guān)鍵詞：韓咀;一氧化碳;分析;防治技術(shù)

Key words： Hanzui;carbon monoxide;analysis;control technology

中圖分類號：TD711 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）09-0115-04

1 ?礦井基本情況

山西華晉韓咀煤業(yè)有限責(zé)任公司井田由原山西鄉(xiāng)寧譚韓煤業(yè)有限公司、山西鄉(xiāng)寧菩薩灘煤業(yè)有限公司、山西鄉(xiāng)寧峰鑫煤業(yè)有限公司、山西鄉(xiāng)寧宇田煤業(yè)有限公司（十關(guān)閉礦井）四座煤礦與王家?guī)X井田F30斷層以南和以北小煤窯破壞區(qū)域的大礦不宜開采的資源整合而成。

井田周邊礦井及小窯較多，井田北部為本公司王家?guī)X井田，西部為山西鄉(xiāng)寧華晉吉寧煤業(yè)有限公司井田、山西鄉(xiāng)寧棗嶺萬通煤業(yè)有限公司為鄰，東北部為山西鄉(xiāng)寧華晉華寧煤業(yè)有限公司井田，東部為山西省鄉(xiāng)寧縣毛則渠煤炭有限公司井田，南部為山西鄉(xiāng)寧可澗煤業(yè)有限公司、鄉(xiāng)寧縣棗嶺鄉(xiāng)凡水渠煤礦、山西鄉(xiāng)寧長咀灣煤業(yè)有限公司、山西鄉(xiāng)寧通合煤業(yè)有限公司井田相鄰。

經(jīng)鑒定，2015年韓咀煤業(yè)礦井瓦斯等級為低瓦斯礦井，2號煤層煤塵具有爆炸性，自燃傾向性等級為Ⅱ類，類別為自燃，煤塵自然發(fā)火期為154-230天。

2 ?項目開展背景

韓咀煤業(yè)井田范圍內(nèi)存在一處火區(qū)，是原鄉(xiāng)寧峰鑫煤業(yè)在2006年8月因皮帶摩擦著火引起，火區(qū)位于我礦1202首采工作面東側(cè)約458m處?；饏^(qū)雖于2007年經(jīng)過灌漿治理得到了控制，但未能使其徹底熄滅，1202主運(yùn)巷掘進(jìn)至270m處時揭露空巷，CO氣體通過揭露的空巷溢至1202主運(yùn)巷，工作面CO濃度超標(biāo)（達(dá)到50ppm），掘進(jìn)工作面施工被迫停止。通過采用增壓調(diào)節(jié)、噴漿封堵、加強(qiáng)檢查等措施，工作面CO濃度降至安全范圍以內(nèi)，確保1202工作面切眼安全貫通。1202工作面形成后，由于通風(fēng)方式的改變，CO氣體再次出現(xiàn)，局部地點(diǎn)一度達(dá)500ppm，通過施工鉆孔、取樣分析化驗，老空內(nèi)CO氣體濃度最高達(dá)到800ppm，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。為了確保1202首采工作面安全順利施工，具備聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)條件，韓咀煤業(yè)一氧化碳綜合治理工作迅速展開。

3 ?實(shí)施過程

3.1 火區(qū)位置查找

3.1.1 火區(qū)位置調(diào)查

通過對當(dāng)?shù)乩下毠さ淖咴L調(diào)查、查找原始資料結(jié)合實(shí)地勘察情況，確定我礦1202工作面東側(cè)約458m處存在一處火區(qū)，該火區(qū)是原鄉(xiāng)寧峰鑫煤業(yè)于2006年8月因皮帶摩擦著火引起，雖然在2007年經(jīng)過灌漿治理火區(qū)得到基本控制，但沒有徹底熄滅，導(dǎo)致1202主運(yùn)巷掘進(jìn)期間CO氣體通過揭露的空巷溢至工作面。

3.1.2 氡法探測火區(qū)范圍

3.1.2.1 基本原理

氡作為放射性同位素，其衰變的子體為固體粒子，因此在測量時既可測氡氣，又可測其子體而反映母體核素的形態(tài)及變化狀況。氡子體有很強(qiáng)的吸咐能力，它們能牢固地附著在器物表面。因此可用不同的方法將氡或其子體收集進(jìn)行測量。

氡的析出受巖性、礦物粒度、空隙度、氣壓、地應(yīng)力、地下水及介質(zhì)溫度等因素影響。對煤樣不同粒度等級進(jìn)行加溫氡測定，隨溫度的上升，煤樣中的氡析出強(qiáng)度有顯著的增加，且粒度越小，氡的析出量在相同溫度下越大，當(dāng)達(dá)到一定溫度后趨勢逐漸變緩。

在同樣的地質(zhì)地層條件下，當(dāng)?shù)叵旅簩影l(fā)生氧化升溫或自燃時，其周圍及上覆巖層中天然放射性氡的析出率增大。由于氡衰變時的離子交換作用，使其反映到地表而形成放射性異常，該異?？勺鳛榉从硿囟鹊男畔⒍粰z測出來，這就是同位素測氡法探測煤層自燃的原理。檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過專用原計算機(jī)程序處理后，可得出火源位置。其探測深度可達(dá)500m，理論研究可達(dá)800-1200m。

3.1.2.2 探查結(jié)果

為準(zhǔn)確確定火區(qū)的位置，聘請西安西科產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司專業(yè)技術(shù)人員采用現(xiàn)場調(diào)查、踏勘、GPS控制測量和氡法探測等手段，勘查了老采空區(qū)地形，探明了隱蔽高溫區(qū)的范圍。勘測結(jié)果顯示，老采空區(qū)總面積4.7萬平方米，查明韓咀礦煤層明顯氡異常區(qū)8處，根據(jù)圈定的異常區(qū)邊界向外推 10～30m，估算其中：A處異常高溫區(qū)影響面積約900m2;B 處異常高溫區(qū)影響面積約400m2;C處異常高溫區(qū)影響面積約2000m2;D處異常高溫區(qū)影響面積約 800m2;氡異常疑似高溫區(qū)域范圍為：E、F、G處異常區(qū)影響面積約300m2，H處異常影響面積約40m2，總高溫及影響區(qū)面積約為4500m2。

通過對地面裂隙排查和氡法探測精準(zhǔn)找到原鄉(xiāng)寧峰鑫煤業(yè)皮帶摩擦著火引發(fā)火災(zāi)的影響范圍。（附《韓咀礦火區(qū)詳細(xì)勘探報告》）

3.2 鉆孔注漿（水）降溫、堵漏技術(shù)

在準(zhǔn)確確定火區(qū)范圍后，通過向火區(qū)施工鉆孔，利用鉆孔注漿（水），進(jìn)而達(dá)到降低火區(qū)溫度、封堵裂隙漏風(fēng)的目的，使得火區(qū)徹底熄滅。

3.2.1 常規(guī)鉆孔注漿

在副斜井1070m處施工了6個常規(guī)注漿鉆孔，此處底板和老空區(qū)底板高差約56m。共施工鉆孔6個，注漿成孔5個，孔口套管Φ108mm，鉆孔直徑Φ75mm。7月7日，開始向老采空區(qū)注水、注黃泥漿（水土比4：1）。

3.2.2 定向鉆孔注漿

由于目標(biāo)靶點(diǎn)區(qū)域為采空區(qū)，要求鉆孔軌跡要盡可能鉆至采空區(qū)，需要穿過裂隙帶進(jìn)入冒落帶，常規(guī)鉆孔不可能達(dá)到這樣的要求，需要施工定向鉆孔。結(jié)合礦井實(shí)際情況，目標(biāo)靶點(diǎn)確定為距CO富集區(qū)底板標(biāo)高25m處，采用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制生產(chǎn)的ZDY6000LD鉆機(jī)及配套設(shè)備進(jìn)行施工，自2015年8月9日開工，至2015年8月25日完工，實(shí)際完成鉆探工作量為587m。在1070m硐室施工定向鉆孔，向高溫異常區(qū)施工定向注漿鉆孔3個。定向鉆孔由高處向下鉆入裂隙帶，使黃泥漿充分自流，提高了注漿效率。

①A-1號鉆孔，開孔孔徑Φ153mm，方位279°，傾角0°，成孔孔徑Φ98mm，方位278.3°，傾角0.5°，孔深117m;

②A-2號鉆孔，開孔孔徑Φ153mm，方位281°，傾角10°，成孔孔徑Φ98mm，方位287.7°，傾角-21.8°，設(shè)計孔深375m。鉆孔施工到285m處時，達(dá)到火區(qū)預(yù)定位置上方，后經(jīng)研究退后90米開分支施工A-2-1號鉆孔。

③A-2-1號鉆孔，方位285.19°，傾角-13.4°，孔深95m;8月14日開始通過定向鉆孔往一氧化碳異常集聚區(qū)注漿。

此次鉆探應(yīng)用嚴(yán)格按照設(shè)計進(jìn)行，充分顯示出定向鉆進(jìn)的優(yōu)勢，精確控制鉆孔軌跡，A-1孔終孔深度是117m，終孔時無返水，經(jīng)下孔窺視儀器確定鉆遇較大裂隙，A-2終孔深度是375m，A-2-1分支孔鉆進(jìn)至215m不返水，提鉆終孔，終孔分支進(jìn)尺95m，終孔點(diǎn)鉆進(jìn)時無返水、提鉆封孔。通過定向鉆孔向目標(biāo)靶點(diǎn)區(qū)域灌注黃泥漿（灌注32518m3、注水30萬m3），起到了火區(qū)降溫、漏風(fēng)通道封堵、隔絕滅火效果。

3.3 物理隔離及均壓通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用

3.3.1 施工隔離巷

經(jīng)邀請的專家和公司領(lǐng)導(dǎo)研究論證，決定施工一條平行于1202主運(yùn)巷的隔離巷，徹底隔離1202工作面東部火區(qū)。隔離巷具體位于1202主運(yùn)巷東側(cè)405m位置、中央變電所西側(cè)，與原火區(qū)位置大約80m距離，設(shè)計掘進(jìn)距離580m，至F2斷層邊緣，以達(dá)到工作面和火區(qū)的徹底隔離。

3.3.2 隔離巷施工期間的有效措施

在此區(qū)域內(nèi)小煤窯空巷及采空區(qū)都是上分層開采，所以隔離巷施工定為沿煤層頂板掘進(jìn)，以便于對施工過程中揭露的上分層老空巷采取封閉、注漿、注氮等措施，對下分層揭露的老空巷填埋、壓實(shí)，達(dá)到滅火、隔離的作用。

在隔離巷施工至154m位置時，工作面出現(xiàn)了CO氣體，濃度達(dá)到50ppm，進(jìn)一步明確了火區(qū)的位置，結(jié)合地面氡探測給出的高溫區(qū)域，礦井決定在副斜井1070m處打鉆注漿。當(dāng)隔離巷施工到260m時，迎頭出現(xiàn)了注漿水，當(dāng)時水溫41°，判斷為副斜井1070m處注漿水流經(jīng)高溫火區(qū);后經(jīng)封堵、控制，繼續(xù)注漿，水溫逐步降至常溫;經(jīng)公司和礦相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)現(xiàn)場考察、研究，制定方案：隔離巷迎頭退后50m右拐彎施工，原工作面進(jìn)行永久封閉，并進(jìn)行注漿、注氮。經(jīng)過半個月的努力，到11月3日1202工作面上隅角一氧化碳濃度降為0，標(biāo)志著我礦一氧化碳治理工作取得階段性的勝利。

3.3.3 均壓通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用

在火區(qū)治理過程中，礦井采用均壓通風(fēng)技術(shù)抑制各地點(diǎn)的CO涌出。

①礦井負(fù)壓調(diào)整。

根據(jù)1202工作面主運(yùn)巷CO溢出情況，決定調(diào)整礦井主要通風(fēng)機(jī)負(fù)壓，通過調(diào)整主要通風(fēng)機(jī)觀察窗，使得礦井負(fù)壓由1140Pa降低至960Pa，各地點(diǎn)漏風(fēng)量和CO氣體溢出量顯著降低。

②1202工作面調(diào)壓。

在1202工作面回風(fēng)通道設(shè)置永久調(diào)節(jié)，將工作面進(jìn)回風(fēng)巷壓差控制在5mm之內(nèi)，工作面風(fēng)量由1520m3/min降至740m3/min，有效控制了工作面CO的涌出量，降低了裂隙的漏風(fēng)量。

③隔離巷施工期間的調(diào)壓。

在隔離巷口和回風(fēng)巷口分別設(shè)置永久調(diào)節(jié)，通過斷面的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對隔離巷CO涌出和裂隙漏風(fēng)的控制，為火區(qū)治理各項工作的開展創(chuàng)造了積極的條件，如圖2所示。

3.4 注漿（氮）技術(shù)應(yīng)用

3.4.1 注漿系統(tǒng)

在回風(fēng)立井工業(yè)場地建有黃泥灌漿站，制漿機(jī)型號為LHZ-60，泥漿土水比為1：4;每小時制漿量為60m3/h。隔離巷施工至510m處對迎頭進(jìn)行了封閉注漿，后退至460處拐彎施工至斷層邊界（已超過1202工作面和20100工作面切眼）。隔離巷按照設(shè)計施工到位后，又對隔離巷道兩幫及頂板進(jìn)行補(bǔ)噴漿，對裂隙進(jìn)行了注水泥漿封堵，防止漏風(fēng)，使隔離巷起到了真正的隔離作用。

3.4.2 注氮系統(tǒng)

采用可移動式注氮系統(tǒng)，在1202輔運(yùn)巷布置注氮硐室。選用DT-700/6制氮裝置，生產(chǎn)能力700m3/h，機(jī)組總功率286kW。隔離巷施工至510m處對迎頭進(jìn)行了封閉注氮，減少火區(qū)氧氣含量，防止火區(qū)復(fù)燃;向1202首采工作面采空區(qū)進(jìn)行注氮，防止通過裂隙向火區(qū)供氧。

3.5 綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2016年 1月29日對隔離巷進(jìn)行了永久封閉，并在主要靠近火區(qū)的密閉內(nèi)留設(shè)了監(jiān)測束管，以便對火區(qū)治理效果進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測。

在隔離巷整個治理過程中累計向火區(qū)注黃泥漿49234m3，累計注水為15546m3，累計注氮215000m3。其中通過隔離巷累計注漿量為16716m3、注氮215000m3。通過外圍常規(guī)鉆孔和高位定向鉆孔累計向火區(qū)注黃泥漿32518m3，對隔離巷噴漿610m。于2016年元月29日進(jìn)行永久封閉。在火區(qū)封閉期間，每天通過束管采樣，分析各氣體成分，經(jīng)過近一個半個月的觀察與分析，CO濃度為0，烯烴和炔烴沒有檢測到，從隔離巷流出的注漿水溫度已經(jīng)降到20℃，屬于正常水溫。1202工作面恢復(fù)正常通風(fēng)（風(fēng)量調(diào)整到1500m3/min），1202主運(yùn)巷、1202工作面回風(fēng)隅角均未出現(xiàn)一氧化碳?xì)怏w和其它煤層發(fā)火標(biāo)志性氣體，近一個半月的各種氣體監(jiān)測情況曲線圖如圖3-圖5。

3.6 效果驗證

通過氣體監(jiān)測分析，留設(shè)束管內(nèi)各種標(biāo)志性氣體CO、烷烴、烯烴的濃度均為0，隔離巷的出水水溫為22℃，氣體溫度和正常巷道內(nèi)空氣溫度相同，1202首采工作面回采期間回風(fēng)隅角及主運(yùn)巷均未出現(xiàn)CO氣體和其他自然發(fā)火標(biāo)志性氣體?？沙醪脚袛嘣弼蚊簶I(yè)膠帶燃燒引起的火災(zāi)至此已得到有效控制，標(biāo)志著CO治理項目的階段性勝利。

20100工作面設(shè)計前，由中煤華晉公司總工程師組織對20100工作面主要致災(zāi)因素進(jìn)行詳細(xì)分析，并出具安全評價報告，認(rèn)為韓咀煤業(yè)火區(qū)治理效果顯著，對礦井安全生產(chǎn)的威脅已經(jīng)解除，同意20100工作面的生產(chǎn)設(shè)計。在20100工作面掘進(jìn)時期和回采時期，均未檢測發(fā)現(xiàn)CO或其他煤層自燃發(fā)火標(biāo)志性氣體，標(biāo)志著CO治理項目的全面勝利。

4 ?項目取得成果

4.1 安全效益

安全是企業(yè)永恒的主題。抓好安全不僅是最大的政治、最大的任務(wù)、最大的責(zé)任和干部員工最大的業(yè)績，而且也是最大的效益。韓咀煤業(yè)火區(qū)的成功治理，使得1202首采工作面可以安全順利完成回采任務(wù)，礦井也順利通過項目驗收，正式轉(zhuǎn)為安全生產(chǎn)礦井。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

通過一氧化碳治理研究各項措施的應(yīng)用，火區(qū)治理取得顯著成效，20100工作面得以安全完成回采任務(wù)，累計釋放20100原煤產(chǎn)量65.1萬噸，按照當(dāng)時原煤價格300元/噸估算，直接營業(yè)收入19530萬元，有效緩解了礦井當(dāng)時接續(xù)緊張的局面，也為公司取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 技術(shù)成果

通過此次火區(qū)治理各項措施的應(yīng)用，我們初步掌握了火區(qū)治理技術(shù)的應(yīng)用，利用氡法探測探明火區(qū)的大致范圍，利用SF6掌握了火區(qū)附近的漏風(fēng)通道，通過施工隔離巷、采用常規(guī)鉆孔和定向鉆孔向目標(biāo)區(qū)域注漿、注氮，在此期間利用束管監(jiān)測系統(tǒng)強(qiáng)化數(shù)據(jù)檢測與分析，最終有效解決了火區(qū)對礦井的安全威脅。

5 ?結(jié)束語

顯然，韓咀煤業(yè)一氧化碳治理研究應(yīng)用項目最終取得了成功，一系列有效措施的應(yīng)用是項目成功的關(guān)鍵。

5.1 氡法探測火區(qū)范圍

在本項目中，利用氡法探測火區(qū)技術(shù)，累計探測面積為4.7萬m2，取得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)171組，給出了測定區(qū)域的高溫點(diǎn)分布情況，推測異常區(qū)域總面積約為4500m2，探明了隱蔽高溫區(qū)的范圍，為接下來的治理研究指明了方向，為火區(qū)治理的成功奠定了基礎(chǔ)。

5.2 隔離巷的施工

為了有效阻隔1202工作面通向火區(qū)的漏風(fēng)通道，同時控制火區(qū)的影響范圍，防治火區(qū)繼續(xù)向礦井其他區(qū)域蔓延，采用施工隔離巷的措施，在1202首采工作面與原火區(qū)中間，利用f37號老巷沿煤層頂板施工一條CO隔離巷。為了徹底隔絕CO擴(kuò)散通道，在施工過程中對揭露的上分層老空巷進(jìn)行永久密閉、下分層老空巷進(jìn)行填埋、壓實(shí)，同時配合采用注漿、注氮、噴漿封堵裂隙、束管監(jiān)測等措施，直至2015年11月3日，隔離巷效果初顯，1202工作面CO下降為0。

5.3 千米定向鉆孔施工

為了確保注漿效果，需要使注漿鉆孔軌跡形成一條拋物線，首先從打鉆位置提升，穿過穩(wěn)定的煤層頂板巖層，通過角度調(diào)整，降低傾角最終到達(dá)火區(qū)上方裂隙帶，而常規(guī)鉆孔不能人為控制角度，在此次治理項目中，礦井采用定向鉆孔技術(shù)，精確控制鉆孔軌跡，達(dá)到了預(yù)期目的，為礦井注漿滅火工作順利進(jìn)行鋪平了道路。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉其志.礦井災(zāi)害防治[M]. 重慶大學(xué)出版社，2009.

[2]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程[M].煤炭工業(yè)出版社，2006.

[3]勞動部教材辦公室組織編寫.通風(fēng)與安全[M].中國勞動出版社，1997.