綜放工作面回風(fēng)上隅角CO 超限分析及防治技術(shù)研究

李君志

（山西汾西瑞泰正中煤業(yè)有限公司， 山西 靈石 031300）

自燃發(fā)火傾向性煤層開(kāi)采時(shí)，如何避免煤層自燃是煤炭開(kāi)采時(shí)需重點(diǎn)解決的問(wèn)題，同時(shí)隨著礦井采深增加，煤層自燃發(fā)火影響更趨明顯[1-2]。綜放開(kāi)采方式具有經(jīng)濟(jì)效益好、煤炭產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)，但是受開(kāi)采工藝制約，采空區(qū)內(nèi)有大量遺煤，當(dāng)開(kāi)采煤層有自燃發(fā)火傾向性時(shí)采空區(qū)遺煤自燃發(fā)火概率較高[3-7]。山西某礦20503 綜放開(kāi)采工作面回采期間回風(fēng)上隅角監(jiān)測(cè)到有CO 涌出，為此文中就對(duì)回風(fēng)上隅角涌出原因進(jìn)行分析并針對(duì)性提出治理措施，現(xiàn)場(chǎng)取得效果。

1 工程概況

山西某礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力500 萬(wàn)t/年，井田內(nèi)有5層可采煤層，其中現(xiàn)階段主要回采上部5 號(hào)煤層。5號(hào)煤層厚度平均7.5 m，煤種為褐煤，頂?shù)装鍨槟鄮r、粉砂巖。5 號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，全區(qū)可采，原始瓦斯含量為1.8 m3/t，煤層具有自燃發(fā)火傾向性，自燃發(fā)火周期介于55～439 d。

20503 綜放工作面回采5 號(hào)煤層，設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度2 785 m、傾向長(zhǎng)度235 m，開(kāi)采范圍內(nèi)煤層傾角平均5°，采面推進(jìn)速度為2.4 m/d。

2 采面回風(fēng)上隅角CO 涌出分析

2.1 回風(fēng)上隅角CO 涌出現(xiàn)狀分析

20503 綜放工作面回采的5 號(hào)煤層自燃發(fā)火傾向性為I 類(lèi)，煤層具有較強(qiáng)的吸氧能力，自燃發(fā)火周期最短為55 d。采面回采期間采用U 型通風(fēng)方式，配風(fēng)量為1 030 m3/min，回風(fēng)巷以及回風(fēng)上隅角瓦斯?jié)舛龋w積分?jǐn)?shù)）分別穩(wěn)定在0.06%、0.12%。在采面回采過(guò)程中受地質(zhì)構(gòu)造影響，采面推進(jìn)速度較慢，回風(fēng)流以及回風(fēng)上隅角位置監(jiān)測(cè)到CO，起初CO 濃度（體積分?jǐn)?shù)）在5×10-6～13×10-6，隨著煤炭回采推進(jìn)，回風(fēng)流以及回風(fēng)上隅角CO 濃度呈增加趨勢(shì)，最高可達(dá)到120×10-6，后期雖然通過(guò)調(diào)整通風(fēng)、采空區(qū)注氮以及噴灑阻化劑等方式進(jìn)行防滅火，但是由于未能掌握CO 涌出來(lái)源，從而導(dǎo)致回風(fēng)流以及回風(fēng)上隅角CO仍在50×10-6以上。

2.2 CO 涌出來(lái)源

已有研究成果表明，回采工作面內(nèi)CO 來(lái)源包括井下爆破、采空區(qū)遺煤自燃、煤層原始賦存以及采煤回采過(guò)程等情況。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定以及實(shí)驗(yàn)室分析，開(kāi)采的5 號(hào)煤層中CO 原始含量較低，不會(huì)導(dǎo)致回風(fēng)上隅角CO 超限；爆破產(chǎn)生的CO 量較小同時(shí)持續(xù)時(shí)間較短；因此判斷20503 綜放工作面回風(fēng)巷以及回風(fēng)上隅角CO 來(lái)源于煤炭回采以及采空區(qū)遺煤氧化自燃。

現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，20503 綜放工作面割煤及放煤前后回風(fēng)上隅角CO（體積分?jǐn)?shù)）在5×10-6～12×10-6，同時(shí)采面在運(yùn)煤過(guò)程中煤體氧化也會(huì)產(chǎn)生新的CO，從而導(dǎo)致采面內(nèi)有一定濃度CO，但是CO 濃度整體較小?？紤]到采面采用綜放開(kāi)采，采空區(qū)內(nèi)遺煤量較大，同時(shí)采空區(qū)有一定漏風(fēng)，導(dǎo)致遺煤在氧氣作用下出現(xiàn)氧化，在氧化過(guò)程中釋放大量CO；但是采面回風(fēng)巷以及回風(fēng)上隅角未監(jiān)測(cè)到溫度增加，同時(shí)未監(jiān)測(cè)到乙烯等遺煤自燃標(biāo)志性氣體，因此判定采空區(qū)內(nèi)遺煤僅出現(xiàn)氧化，未出現(xiàn)自燃。

綜合上述分析，判定20503 綜放工作面回采期間回風(fēng)巷以及回風(fēng)上隅角位置CO 主要來(lái)源于采面開(kāi)采以及采空區(qū)遺煤氧化，同時(shí)采空區(qū)內(nèi)遺煤僅處于氧化階段無(wú)自燃發(fā)火危險(xiǎn)性。

3 CO 涌出綜合治理技術(shù)

為有效治理20503 綜放工作面回風(fēng)上隅角CO超限問(wèn)題，提出采用以回風(fēng)上隅抽采為主，以噴灑阻化劑、均壓通風(fēng)以及帷幕注氮為輔的綜合治理措施。

3.1 上隅角埋管

根據(jù)采面采空區(qū)“三帶”分布情況，提出采用邁步式抽采方式進(jìn)行抽采。在采面回風(fēng)巷內(nèi)鋪設(shè)一趟管徑150 mm 低負(fù)壓抽采管路，并間隔30 m 布置三通、閥門(mén)，通過(guò)埋設(shè)抽采管進(jìn)行接抽。采空區(qū)埋管接抽范圍內(nèi)進(jìn)入采空區(qū)后方15～30 m，從而確保抽采進(jìn)氣口始終在采空區(qū)漏風(fēng)帶內(nèi)。具體回風(fēng)上隅角采空區(qū)埋管抽采布置見(jiàn)圖1 所示。

圖1 回風(fēng)上隅角采空區(qū)埋管抽采示意圖

3.2 采空區(qū)帷幕注氮

通過(guò)向采空區(qū)內(nèi)注入惰性氣體，可達(dá)到抑制遺煤氧化進(jìn)程并降低CO 生產(chǎn)量。具體采面內(nèi)注氮管路布置見(jiàn)圖2 所示，在采面走向方向間隔30 m 布置一個(gè)長(zhǎng)度200 m 雙抗管，在接近雙抗管出口4～20 m 范圍內(nèi)為花管。當(dāng)監(jiān)測(cè)到回風(fēng)上隅角以及回風(fēng)巷內(nèi)CO 濃度（體積分?jǐn)?shù)）較高時(shí)即開(kāi)始進(jìn)行注氮（氮?dú)饧兌仍?7%以上），注氮后對(duì)采空內(nèi)氧氣濃度（體積分?jǐn)?shù)）進(jìn)行測(cè)定，當(dāng)濃度在8%以?xún)?nèi)即可停止注氮。

圖2 采空區(qū)帷幕注氮示意圖（m）

3.3 局部均壓通風(fēng)

在采面采區(qū)局部均壓通風(fēng)（見(jiàn)圖3）來(lái)降低采空區(qū)CO 涌出，具體措施為：取消采面回風(fēng)側(cè)原有調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，在回風(fēng)巷靠近采面位置布置2 到均壓風(fēng)障，風(fēng)障有效控風(fēng)斷面約為1.36 m2，將采面回風(fēng)巷風(fēng)量控制在1 350 m3/min。通過(guò)適當(dāng)提高靠近采面回風(fēng)巷側(cè)風(fēng)壓來(lái)達(dá)到減少采空區(qū)CO 涌出目的。

圖3 采面局部均壓通風(fēng)示意圖

4 采面CO 涌出治理效果分析

在采面采用采空區(qū)埋管、噴灑阻化劑、均壓通風(fēng)以及氣幕稀釋等措施后，對(duì)回風(fēng)上隅角位置CO 濃度（體積分?jǐn)?shù)）測(cè)定，具體測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖4 所示。

圖4 回風(fēng)上隅角CO 及瓦斯?jié)舛葴y(cè)定結(jié)果

從圖4 中看出，通過(guò)在采面采取綜合治理措施后，回風(fēng)上隅角位置CO 濃度（體積分?jǐn)?shù)）穩(wěn)定在8×10-6，瓦斯?jié)舛龋w積分?jǐn)?shù)）穩(wěn)定在0.12%。回風(fēng)流中CO 濃度（體積分?jǐn)?shù)）穩(wěn)定在5×10-6以?xún)?nèi)、瓦斯?jié)舛龋w積分?jǐn)?shù)）在0.06%以?xún)?nèi)，現(xiàn)場(chǎng)取得較好的CO 涌出防治效果。

5 結(jié)論

20503 綜放工作面開(kāi)采的5 號(hào)煤層為褐煤，受到開(kāi)采工藝以及回采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育等因素影響，采空區(qū)內(nèi)有大量遺煤；遺煤在采空區(qū)氧氣作用下出現(xiàn)氧化，釋放CO 并向回風(fēng)上隅角以及回風(fēng)巷涌出，從而導(dǎo)致回風(fēng)上隅角CO 超限。采空區(qū)內(nèi)溫度正常且未監(jiān)測(cè)到乙烯等自燃發(fā)火標(biāo)志性其他，表明遺煤僅處于氧化階段未自燃。

提出以采空區(qū)埋管為主，噴灑阻化劑、均壓通風(fēng)以及氣幕稀釋等為輔的CO 涌出治理措施，并依據(jù)采面實(shí)際情況對(duì)措施實(shí)施方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，采取的措施可以抑制并延緩采空區(qū)遺煤氧化進(jìn)度，在降低CO 產(chǎn)生量的同時(shí)減少采空區(qū)CO 向開(kāi)采空間內(nèi)涌出量；回風(fēng)上隅角以及回風(fēng)巷內(nèi)CO 濃度（體積分?jǐn)?shù)）分別降低至8×10-6、5×10-6以?xún)?nèi)，取得較好的CO 涌出防治效果。