燕子山礦8100 綜放工作面CO 超限研判及治理

張 倩 高 宇

（1.大同煤礦集團(tuán)同大科技研究院，山西 大同 037003；2.大同煤礦集團(tuán)總調(diào)度室，山西 大同 037003）

大同煤田從上至下分布有侏羅系、二疊系、石炭系3 個(gè)含煤巖系，現(xiàn)多數(shù)生產(chǎn)礦井已進(jìn)入二疊系和石炭系煤層進(jìn)行開采。由于成煤年代久遠(yuǎn)，煤層賦存條件復(fù)雜，造成的開采問題和隱患較多[1-2]，如瓦斯異常涌出、褶曲斷層密集、火成巖大面積侵入、上覆采空區(qū)積水積氣下泄、地表裂縫引起的礦井外部漏風(fēng)等。本文以燕子山礦二疊系山西組4#層8100 綜放工作面CO 超限事件為例，研判CO 超限原因，并提出了治理措施和方案。

1 工程背景

二疊系山西組4#層8100 綜放工作面走向長1599 m，傾向長230 m，平均煤厚5.89 m，煤層自燃等級為Ⅱ級，最短自然發(fā)火期84 d，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。工作面共布置134 架支架，配風(fēng)量為1320 m3/min。此工作面為該盤區(qū)第二個(gè)工作面，緊臨8102 首采綜放工作面，中間有30 m 煤柱。自工作面回采以來，平均回采速度為4 m/d，上隅角甲烷、氧氣等氣體情況穩(wěn)定。回采至40～100 m 時(shí)，上隅角CO 濃度有上升趨勢，但均未超過50 ppm，最大為43 ppm，平均21 ppm?；夭芍?00～600 m時(shí)，上隅角CO 濃度穩(wěn)定，最大為55 ppm，平均為28 ppm，采空區(qū)20 m 范圍內(nèi)CO 濃度為100 ppm?；夭芍?00 m 時(shí)，上隅角及后溜尾CO 濃度增大，最大CO 濃度為132 ppm，采空區(qū)內(nèi)CO 濃度最大為275 ppm?；?yàn)分析未出現(xiàn)乙烯（C2H4）、乙烷（C2H2）自然發(fā)火標(biāo)志性氣體?；夭芍?00 m 時(shí)，上隅角CO 濃度穩(wěn)定于50～80 ppm，采空區(qū)內(nèi)CO濃度穩(wěn)定于160～210 ppm，無增大趨勢。

2 原因分析

通過對8100 綜放工作面進(jìn)行煤體檢測和火成巖侵入及上覆采空區(qū)條件分析，得出上隅角CO 超限主要有以下原因。

2.1 煤體氧化反應(yīng)

根據(jù)山西省煤炭工業(yè)測試中心出示的同發(fā)東周窯山4#煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體及臨界值測試報(bào)告中分析，當(dāng)煤體溫度達(dá)到30 ℃以上時(shí)，煤體已經(jīng)進(jìn)入氧化反應(yīng)，產(chǎn)生CO 較其他煤層產(chǎn)生的CO 大。因此此類煤層在低溫階段，猜測其氧化反應(yīng)也相對劇烈，容易產(chǎn)生大量CO 氣體。初步判定上隅角及后溜尾CO 增大主要原因?yàn)槊后w氧化反應(yīng)產(chǎn)生大量CO。

2.2 火成巖侵入影響

二疊系山西組4#層煤層受火成巖侵入影響嚴(yán)重，產(chǎn)生的CO 被煤巖層封堵住，在采煤過程中煤體破裂，釋放出大量的CO，導(dǎo)致工作面上隅角CO超限。

2.3 上覆采空區(qū)CO 下泄

二疊系山西組4#層8100 綜放工作面上覆為侏羅系采空區(qū)，其中上覆侏羅系13#煤層采空區(qū)距8100 綜放工作面煤層層間距為300 m。上覆13#煤層為小窯開采，根據(jù)對上覆侏羅系煤礦調(diào)研分析，其在回采13#煤層時(shí)，在8100 綜放工作面上覆煤層采區(qū)周邊CO 濃度較大，與其他小窯有串通的現(xiàn)象，曾發(fā)生過煤層自然發(fā)火現(xiàn)象。因此，8100 綜放工作面CO 超限也可能因上覆采空區(qū)CO 下泄造成。

3 治理措施

針對以上三種原因分析，分別對應(yīng)提出了治理措施和方案，具體如下。

3.1 對煤體氧化反應(yīng)采取的針對性措施

（1）合理調(diào)整綜放工作面注氮量與注氮布局。根據(jù)現(xiàn)場CO 氣體濃度實(shí)際情況，對工作面注氮量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，確保注氮措施安全可靠。合理安排注氮步距，注氮步距由40 m 縮小至20 m，由原埋設(shè)一趟注氮管路增加至兩趟，擴(kuò)大注氮范圍，注氮量為 1500～2000 m3/h。

（2）加強(qiáng)噴灑阻化劑管理。在回風(fēng)巷加裝一部阻化噴霧系統(tǒng)，保障綜放工作面采空區(qū)全面噴灑阻化劑，抑制煤體自然發(fā)火。

（3）加快綜放工作面回采速度，杜絕因采空區(qū)遺煤自燃造成自然發(fā)火隱患。

（4）合理調(diào)控綜放工作面風(fēng)量。根據(jù)綜放工作面上隅角及后溜尾實(shí)際情況，減少采空區(qū)漏風(fēng)量，合理調(diào)配工作面風(fēng)量。風(fēng)量調(diào)配至1300～1500 m3/min，即確保采空區(qū)無自然發(fā)火隱患，同時(shí)確保上隅角及后溜尾等作業(yè)地點(diǎn)氧氣濃度符合作業(yè)需求。

3.2 對火成巖侵入影響采取的針對性措施

（1）風(fēng)動風(fēng)機(jī)引流，即利用風(fēng)動風(fēng)機(jī)將支架內(nèi)風(fēng)流引至后溜尾及上隅角，確保后溜尾及上隅角風(fēng)量充足。同時(shí)加強(qiáng)綜采隊(duì)組、通風(fēng)區(qū)及安監(jiān)部現(xiàn)場員工對風(fēng)機(jī)與風(fēng)筒的現(xiàn)場維護(hù)，保障風(fēng)動風(fēng)機(jī)的使用與管理。

（2）主扇負(fù)壓抽排，即在上隅角處鋪設(shè)直徑為600 mm 的負(fù)壓風(fēng)筒，沿回風(fēng)巷頂板鋪設(shè)至盤區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)，利用主扇負(fù)壓通過負(fù)壓風(fēng)筒將8100 綜放工作面上隅角積聚的氣體抽至盤區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)。在盤區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)風(fēng)筒出口設(shè)置甲烷、CO 和氧氣傳感器，隨時(shí)監(jiān)測抽出氣體的濃度，保證盤區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)氣體不超限。

3.3 對上覆采空區(qū)CO 下泄采取的針對性措施

（1）合理構(gòu)筑風(fēng)障，即在工作面124#與132#支架內(nèi)構(gòu)筑兩道“I”型風(fēng)障，同時(shí)在后溜尾和回風(fēng)巷內(nèi)構(gòu)造1 道“L”型風(fēng)障，提高工作面的風(fēng)流壓力，減少上覆采空區(qū)氣體下泄的濃度，同時(shí)將工作面的新鮮風(fēng)流引至后溜和上隅角區(qū)域，保障該區(qū)域風(fēng)量充足。綜采隊(duì)每班安排專人，配合通風(fēng)區(qū)員工對風(fēng)障的維護(hù)。

（2）排查地表裂縫，即對工作面上覆地面進(jìn)行裂縫排查，對出現(xiàn)的裂縫及時(shí)用水泥和黃土封堵，確保地面不漏風(fēng)。同時(shí)，排查礦井周邊所有封閉小窯的裂縫，對出現(xiàn)的裂縫觀察風(fēng)流方向和氣體情況，并及時(shí)用水泥和黃土封堵。

（3）粉煤灰封堵采空區(qū)，即在8100 回風(fēng)順槽從上隅角沿回風(fēng)順槽提前鋪設(shè)一趟DN100 鋼絲纏繞管150 m，在工作面尾端頭構(gòu)筑1組粉煤灰端頭封堵。當(dāng)工作面回采10 m 左右，利用泥漿泵將粉煤灰沿DN100 管路注到采空區(qū)內(nèi)。粉煤灰與甲、乙料的配比為5:1:1，保證注入采空區(qū)內(nèi)的粉煤灰起凝固作用。

（4）在8100 綜放工作面對應(yīng)區(qū)域地面上向13#煤層采空區(qū)內(nèi)灌漿。一方面利用泥漿將13#煤層采空區(qū)內(nèi)的著火點(diǎn)盡可能熄滅，另一方面利用泥漿將13#煤層采空區(qū)通向山4#煤層的裂縫封堵住。

4 治理效果分析

通過采取以上系列措施后，利用束管監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)CO 和O2濃度隨采空區(qū)距離變化進(jìn)行分析，其變化規(guī)律如圖1、圖2。由圖可知，8100 綜放工作面采空區(qū)內(nèi)15～35 m 范圍內(nèi)O2濃度為7%左右，CO 濃度為200 ppm 左右。采空區(qū)內(nèi)O2濃度極低，不存在自然發(fā)火情況，CO 濃度比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)增大的趨勢。因此判斷最終原因?yàn)樯细膊煽諈^(qū)氣體下泄，采取的主要措施為黃泥灌漿與封堵采空區(qū)。

圖1 8100 綜放工作面CO 濃度變化曲線

圖2 8100 綜放工作面采空區(qū)O2 濃度變化曲線

即在地面建立集中灌漿站，通過原小窯井口為小窯采空區(qū)空間進(jìn)行灌漿。灌漿材料采用附近的黃土，泥漿注漿材料配比為1（黃土）:4（水），采用水力取土加壓輸送制漿方式。因上覆小窯采空區(qū)大小范圍尚未確定，初次灌漿時(shí)，分為三班倒進(jìn)行連續(xù)灌注，灌滿為止。以后每周補(bǔ)注漿液兩次，每次注漿注滿為止，待8100 綜放工作面氣體異常情況解決后每月補(bǔ)注兩次，每次注漿注滿為止。截至工作面回采至1000 m 時(shí)，上隅角CO 濃度穩(wěn)定在20～24 ppm，回風(fēng)流CO 濃度穩(wěn)定在18 ppm，采空區(qū)7 m 處CO 濃度穩(wěn)定在30 ppm，取得了較好的治理效果。

5 結(jié)語

本文通過對二疊系山西組4#層8100 綜放工作面CO 超限原因進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的治理措施與方案。方案實(shí)施后依據(jù)束管監(jiān)測數(shù)據(jù)分析判斷得出工作面CO 超限最終原因?yàn)樯细膊煽諈^(qū)CO 下泄，并通過實(shí)施黃泥灌漿措施最終將CO 濃度降至安全范圍內(nèi)，取得了較好的效果，為同類型礦井提供借鑒。