基于涌現(xiàn)性特點(diǎn)的采空區(qū)氧化升溫帶高濃度CO治理技術(shù)

田 臣，周海豐

(1.黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150022 ；2.國(guó)能神東煤炭集團(tuán)，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引 言

涌現(xiàn)性是在微觀主體進(jìn)化的基礎(chǔ)上,宏觀系統(tǒng)在性能和機(jī)構(gòu)上的突變,系統(tǒng)的這種涌現(xiàn)性是系統(tǒng)的適應(yīng)性主體之間非線性相互作用的結(jié)果,國(guó)內(nèi)外很多著名學(xué)者對(duì)系統(tǒng)的涌現(xiàn)性進(jìn)行了探索研究。加拿大學(xué)者邦格研究得出:所有的自然系統(tǒng)至少存在一種涌現(xiàn)性質(zhì)。南非保羅·西利亞斯曾說(shuō)“復(fù)雜性是作為要素之間的相互作用模式的結(jié)果而涌現(xiàn)出來(lái)的”。我國(guó)許國(guó)志認(rèn)為:高層次擁有低層次所沒(méi)有的特性,新層次根源于出現(xiàn)了新的涌現(xiàn)性,每經(jīng)過(guò)一次涌現(xiàn)形成一個(gè)新的層次,從元素層次開(kāi)始,由低層次到高層次逐步整合、發(fā)展,最終形成系統(tǒng)的整體層次[1-3]。美籍奧地利生物學(xué)家貝塔朗菲借用亞里士多德命題“整體大于部分之和”直觀地表達(dá)涌現(xiàn)性,即1+1>2,即貝塔朗菲定律[4-5]。隨著研究的深入,系統(tǒng)涌現(xiàn)性特點(diǎn)開(kāi)始指導(dǎo)應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)、教育、產(chǎn)業(yè)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)等各個(gè)領(lǐng)域[6-9]?；诎踩珕?wèn)題中蘊(yùn)含的系統(tǒng)涌現(xiàn)思想,系統(tǒng)涌現(xiàn)性特點(diǎn)開(kāi)始指導(dǎo)應(yīng)用于安全領(lǐng)域,如利用系統(tǒng)涌現(xiàn)性特點(diǎn)從涌現(xiàn)性角度解釋應(yīng)用于新冠疫情社會(huì)安全系統(tǒng)[10]。

煤礦采空區(qū)遺煤自燃是礦井災(zāi)害防治的關(guān)鍵問(wèn)題，特別是在超大采高、超長(zhǎng)走向綜合機(jī)械化采煤工作面，若采空區(qū)遺煤長(zhǎng)期停留于氧化升溫帶并發(fā)生自燃，輕者造成工作面的封閉，重者造成整個(gè)礦井的封閉，嚴(yán)重威脅礦井生命財(cái)產(chǎn)安全。如果將礦井采空區(qū)氧化升溫帶看作一個(gè)系統(tǒng)，則系統(tǒng)呈現(xiàn)的高濃度CO摘要有由氧化升溫帶的遺煤、空氣、蓄熱條件等各類因素共同影響產(chǎn)生，同時(shí)這些影響因素之間具有交互作用，不同的作用影響了遺煤氧化的速度、程度、范圍等，從而造成系統(tǒng)的復(fù)雜性，具備復(fù)雜系統(tǒng)的一般特性，即涌現(xiàn)性[11]。對(duì)基于涌現(xiàn)性特點(diǎn)的煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行應(yīng)用探究，可以為礦井安全生產(chǎn)增加基礎(chǔ)理論指導(dǎo)依據(jù)，具有重大研究意義與價(jià)值。

1 采空區(qū)氧化升溫帶系統(tǒng)涌現(xiàn)性

涌現(xiàn)性是指多個(gè)要素組成系統(tǒng)后，出現(xiàn)了系統(tǒng)組成前單個(gè)要素所不具有的性質(zhì)，這個(gè)性質(zhì)并不存在于任何單個(gè)要素當(dāng)中，而是系統(tǒng)在低層次構(gòu)成高層次時(shí)才表現(xiàn)出來(lái)，反映了質(zhì)的變化[12]。系統(tǒng)科學(xué)認(rèn)為，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)環(huán)境以及它們之間關(guān)聯(lián)關(guān)系，決定了系統(tǒng)整體性和功能。也就是系統(tǒng)整體性與功能是內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與外部系統(tǒng)環(huán)境綜合集成的結(jié)果，即復(fù)雜性研究中所述的涌現(xiàn)性[13-14]。

煤礦綜采工作面采空區(qū)遺煤與空氣中的氧氣發(fā)生低溫氧化，釋放出熱量和CO等氧化產(chǎn)物。神東補(bǔ)連塔煤礦2-2煤層氧化升溫試驗(yàn)結(jié)果為：當(dāng)煤溫T=45.5 ℃時(shí),出現(xiàn)最早的氧化產(chǎn)物CO，并貫穿于整個(gè)氧化過(guò)程；當(dāng)煤溫T=70～90 ℃時(shí)出現(xiàn)C2H6；當(dāng)煤溫T=80～100 ℃時(shí)出現(xiàn)C2H4，當(dāng)煤溫T=180 ℃時(shí)出現(xiàn)C2H2；當(dāng)煤溫T≥200 ℃時(shí)出現(xiàn)H2，因此可以將煤礦綜采工作面采空區(qū)氧化升溫帶視為一個(gè)系統(tǒng)，礦井綜采工作面的采空區(qū)氧化升溫帶高濃度CO為該系統(tǒng)一個(gè)低層次的涌現(xiàn)性，如果該系統(tǒng)在低層次不能及時(shí)得到控制，則系統(tǒng)的涌現(xiàn)性會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，最終呈現(xiàn)最高層次的涌現(xiàn)性，即遺煤自然發(fā)火。

2 采空區(qū)氧化升溫帶系統(tǒng)涌現(xiàn)性特點(diǎn)

2.1 規(guī)模效應(yīng)

涌現(xiàn)性系統(tǒng)的整體特性與系統(tǒng)的規(guī)模即組分有關(guān)。只有達(dá)到一定的系統(tǒng)規(guī)模，涌現(xiàn)現(xiàn)象才會(huì)產(chǎn)生，從小系統(tǒng)到大系統(tǒng)，規(guī)模的增大導(dǎo)致系統(tǒng)性質(zhì)的顯著差別，描述和處理的方法有明顯不同。采空區(qū)氧化升溫帶呈現(xiàn)出高濃度CO，首先指向的是采空區(qū)氧化升溫帶的遺煤堆積情況，下屬關(guān)聯(lián)因素有遺煤堆積量、壓實(shí)程度、采煤方法(頂?shù)装寮懊褐z煤)等；其次是采空區(qū)氧化升溫帶的供氧情況，下屬關(guān)聯(lián)因素微觀上為遺煤的含氧官能團(tuán)、粒度、孔隙度等，宏觀上為供氧時(shí)間(工作面推進(jìn)速度)、蓄熱條件、漏風(fēng)強(qiáng)度、礦井通風(fēng)方法等。

當(dāng)采空區(qū)氧化升溫帶呈現(xiàn)出高濃度CO，證明該系統(tǒng)已經(jīng)初步形成一定規(guī)模。為進(jìn)一步控制涌現(xiàn)性的層次升級(jí)，則應(yīng)從上述方法關(guān)聯(lián)因素中分析確定管控措施。

2.2 結(jié)構(gòu)效應(yīng)

不同的結(jié)構(gòu)方式構(gòu)成的系統(tǒng)，會(huì)產(chǎn)生不同的整體涌現(xiàn)性[15-16]。即使每個(gè)要素屬性較好，但結(jié)構(gòu)不合理，也會(huì)組成不好的系統(tǒng)。

礦井綜采工作面的采空區(qū)氧化升溫帶呈現(xiàn)出高濃度CO的現(xiàn)象，從直接因素分析是遺煤與氧氣在良好的蓄熱環(huán)境中持續(xù)緩慢氧化的結(jié)果。因此，根據(jù)系統(tǒng)涌現(xiàn)性結(jié)構(gòu)效應(yīng)特點(diǎn)，結(jié)合煤礦井下實(shí)際環(huán)境條件以及礦井現(xiàn)有的物資儲(chǔ)備和技術(shù)水平，控制采空區(qū)氧化升溫帶呈現(xiàn)出高濃度CO，一方面可以從管控供氧條件入手，封堵漏風(fēng)通道，如地表裂縫、鉆孔、密閉、上下隅角的封堵等；另一方面從控制遺煤量入手，比如沿頂沿底割煤、上下隅角遺煤清理、加固保護(hù)煤柱等，從結(jié)構(gòu)上干擾該系統(tǒng)向不良系統(tǒng)的發(fā)展。

2.3 高層次有而低層次沒(méi)有的特性

系統(tǒng)的新層次根源于出現(xiàn)了新的涌現(xiàn)性，有不同層次必有不同水平的涌現(xiàn)性。涌現(xiàn)性的層次劃分等于提供了一個(gè)參照系，不同層次之間存在內(nèi)在的差異、聯(lián)系、銜接和過(guò)渡，討論系統(tǒng)問(wèn)題首先需明確該問(wèn)題在系統(tǒng)發(fā)展的具體層次，從而根據(jù)其特性提出針對(duì)性的目的措施。

礦井綜采工作面的采空區(qū)氧化升溫帶的遺煤在氧化過(guò)程中，不同的溫度呈現(xiàn)出不同的指標(biāo)氣體，不同指標(biāo)氣體即可為該系統(tǒng)的不同層次特性，反映出遺煤的自燃程度。例如，當(dāng)補(bǔ)連塔煤礦2-2煤層采空區(qū)出現(xiàn)C2H6，證明采空區(qū)遺煤溫度為70 ℃以上。

3 采空區(qū)氧化升溫帶系統(tǒng)涌現(xiàn)性特點(diǎn)應(yīng)用

3.1 工作面概況

神東補(bǔ)連塔煤礦22410綜采工作面為2-2煤四盤區(qū)第2個(gè)綜采工作面，工作面地面標(biāo)高+1 212～+1 291 m，煤層底板標(biāo)高+1 047.2～+1 059.4 m。上覆基巖厚度為138～213 m，松散層厚度為0～42 m，煤層傾角為1～3°，煤層厚度5.9～7.8 m，平均厚度6.6 m，工作面傾向長(zhǎng)度301 m，可采長(zhǎng)度3 728 m。

工作面采用傾斜長(zhǎng)壁后退式開(kāi)采一次采全高全部垮落法處理采空區(qū)的綜合機(jī)械化采煤法。設(shè)計(jì)月推進(jìn)速度387.52 m，工作面可采期為9.6個(gè)月。

3.2 采空區(qū)氧化升溫帶高濃度CO現(xiàn)象

3.2.1 綜采工作面“三帶”劃分

通過(guò)之前對(duì)補(bǔ)連塔煤礦22411采空區(qū)自燃“三帶”范圍測(cè)定得出結(jié)論：進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶長(zhǎng)度0～144 m，氧化升溫帶長(zhǎng)度144～473 m，窒息帶長(zhǎng)度>473 m；回風(fēng)側(cè)散熱帶長(zhǎng)度0～31 m，氧化升溫帶長(zhǎng)度31～231 m，窒息帶>231 m。

3.2.2 采空區(qū)氧化升溫帶CO異常現(xiàn)象

2020-08-17，22410綜采工作面隅角擋風(fēng)簾內(nèi)外及采空區(qū)氧化升溫帶CO濃度開(kāi)始持續(xù)上升，8月份對(duì)2410綜采工作面隅角擋風(fēng)簾內(nèi)外及采空區(qū)氧化升溫帶CO濃度進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，具體觀測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、圖1。

表1 22410綜采工作面上隅角擋風(fēng)簾內(nèi)外及氧化升溫帶CO統(tǒng)計(jì)

圖1 采取治理技術(shù)前22410綜采上隅角擋風(fēng)簾內(nèi)外及氧化升溫帶CO體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)Fig.1 CO change trend inside and outside the upper corner windshield curtain of 22410 fully-mechanized mining and the oxidation temperature rise zone before the treatment technology is adopted

將22410采空區(qū)氧化升溫帶視為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，根據(jù)圖表呈現(xiàn)出的CO異?，F(xiàn)象可以看出：該系統(tǒng)的涌現(xiàn)性反應(yīng)了采空區(qū)處于氧化升溫帶的遺煤已經(jīng)發(fā)生一定程度氧化，并且已經(jīng)呈現(xiàn)出新層次的特性，即高濃度CO。

3.3 涌現(xiàn)性特點(diǎn)衍射出的高濃度CO產(chǎn)生原因

3.3.1 煤體易自燃特性

22410綜采工作面煤層屬不黏煤，煤質(zhì)特征詳情見(jiàn)表2。

表2 22410綜采工作面煤質(zhì)特征

經(jīng)相關(guān)資質(zhì)單位鑒定，22410煤體臨界值溫度為96.7 ℃，吸氧量為0.82 cm3/g，最短自然發(fā)火期為33 d，水浸煤自然發(fā)火期10 d，屬于Ⅰ級(jí)容易自燃。

3.3.2 采空區(qū)超量遺煤

1)本煤層工作面巷道保護(hù)煤柱遺煤。22410綜采工作面進(jìn)、回風(fēng)巷保護(hù)煤柱平均高度4.5 m，平均寬度10 m，平均每隔150 m留設(shè)一個(gè)寬度10 m的聯(lián)絡(luò)巷。隨著工作面推進(jìn)，兩巷保護(hù)煤柱進(jìn)入采空區(qū)，頂板大面積垮落后保護(hù)煤柱一定程度破碎并垮落，成為采空區(qū)遺煤。

2)兩巷頂煤變遺煤。22410綜采工作面煤層平均厚度6.6 m，22410主運(yùn)輸巷和22410回風(fēng)巷平均設(shè)計(jì)高度4.5 m、寬度5.4 m，則兩巷頂煤厚度2.1 m、寬度5.4 m。該工作面兩巷頂煤未實(shí)現(xiàn)回收，隨著工作面推進(jìn)，兩巷頂煤垮落成為采空區(qū)遺煤。

3)本煤層機(jī)尾三角區(qū)遺煤。22410綜采工作面推進(jìn)至距離主回撤通道560 m時(shí)，工作面頂板淋水驟然增大，后方采空區(qū)大量涌水同時(shí)進(jìn)入工作面，涌水量達(dá)到300 m3/h以上。生產(chǎn)期間，刮板輸送機(jī)底鏈將水與水煤渣一起從機(jī)尾鏈輪觀察窗中甩出。隨著涌水的持續(xù)，為不讓水煤上運(yùn)輸系統(tǒng)影響煤質(zhì)，工作人員將工作面機(jī)尾鏈輪蓋板拆除，故大量的水浸煤暢通無(wú)阻的積聚在機(jī)尾巷道，水浸煤積聚長(zhǎng)約260 m，寬約2 m，厚約3.5 m。隨著工作面的推進(jìn)，該部分水浸煤隨之進(jìn)入采空區(qū)參與氧化。

4)上覆保護(hù)煤柱垮落遺煤。22410綜采工作面自開(kāi)切眼至560 m處，綜采工作面機(jī)尾段對(duì)應(yīng)上部采空區(qū)遺留有一條長(zhǎng)度560 m，寬20 m的走向煤柱。綜采工作面推進(jìn)至80 m處，機(jī)尾向綜采工作面有一條長(zhǎng)度100 m，寬度15 m傾向煤柱；綜采工作面推進(jìn)至85～228 m，上部采空區(qū)遺留一條長(zhǎng)度146 m，寬度25 m的走向煤柱；綜采工作面推進(jìn)至555 m處，上部采空區(qū)遺留一條長(zhǎng)度為301 m，寬度20 m平行于綜采工作面的傾向煤柱；綜采工作面推進(jìn)至885 m處，上部采空區(qū)遺留一條長(zhǎng)度為301 m，寬度20 m平行于綜采工作面的傾向煤柱，一條長(zhǎng)度301 m，寬度28 m的平行于綜采工作面的傾向煤柱；綜采工作面推進(jìn)至953 m處，機(jī)尾上部采空區(qū)遺留一條長(zhǎng)度為2 766 m，寬20 m平行于22410回風(fēng)巷的走向煤柱。由于上下兩層煤距離較近，22410綜采工作面推過(guò)后，上覆煤柱自然垮落和下覆采空區(qū)融為一體，增加了采空區(qū)遺煤數(shù)量[17-19]。

3.3.3 發(fā)達(dá)的供氧通道

1)本煤層漏風(fēng)供氧通道。22410綜采工作面采高設(shè)計(jì)采高6.6 m，屬于大采高工作面。工作面推過(guò)后本工作面“兩道”煤柱在地壓作用下破碎程度大，產(chǎn)生的大量裂隙提供了漏風(fēng)供氧通道[20]。另外，綜采工作面密閉也存在不同程度的漏風(fēng)。新鮮風(fēng)流連續(xù)不斷地從漏風(fēng)通道進(jìn)入采空區(qū)與遺煤發(fā)生物理吸附、化學(xué)吸附及化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的大量CO并積聚[21]。

2)上覆采空區(qū)溝通地表漏風(fēng)供氧通道。22410工作面上覆有12410,12411,12418,12419,12420采空區(qū)，煤層平均間距40 m。受采動(dòng)影響，上覆巖體冒落且形成四通八達(dá)的裂隙，下方采空區(qū)與上覆采空區(qū)導(dǎo)通，形成漏風(fēng)供氧通道；另外，受工作面采動(dòng)影響，上覆巖體二次塌陷，使得地表裂隙二次發(fā)育。如此，形成了地表直通上下復(fù)合采空區(qū)的復(fù)雜漏風(fēng)供氧通道，在井下負(fù)壓通風(fēng)作用下，地表源源不斷的向采空區(qū)供氧，將采空區(qū)遺煤充分氧化，進(jìn)而產(chǎn)生高濃度CO。

3.3.4 綜采工作面遲緩的推進(jìn)速度

22410綜采工作面直接頂為平均厚度為6.64 m的粉砂巖，容易垮落、冒落性好，底板也為粉砂巖，液壓支架向前推移時(shí)受到一定程度阻陷。該工作面正常情況下月推進(jìn)度為430 m，工作面推進(jìn)至560 m時(shí)頂板淋水驟然增大，綜合采煤機(jī)尾水浸煤大量堆積，更加阻滯了支架的前移，加之采煤機(jī)及刮板輸送機(jī)機(jī)械故障，在處理問(wèn)題期間，22410綜采工作面的推進(jìn)度只能達(dá)到7 m/d。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，22410綜采工作面煤體最短自然發(fā)火期為33 d，回風(fēng)側(cè)氧化升溫帶的最大寬度為329 m，則工作面最小安全推進(jìn)速度v=L/T=9.97 m/d。

從以上計(jì)算分析，工作面推進(jìn)速度略低于安全推進(jìn)速度，加之遺煤中夾雜著大量的水浸煤會(huì)縮短遺煤平均自然發(fā)火期[22]。采空區(qū)氧化升溫帶的遺煤得到充分的氧化，故而產(chǎn)生高濃度CO。

根據(jù)分析，涌現(xiàn)性特點(diǎn)不僅反映出采空區(qū)氧化升溫帶高濃度CO出現(xiàn)的機(jī)理，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)涌現(xiàn)性發(fā)展特性，此時(shí)如果不及時(shí)采取管控措施，后期治理經(jīng)濟(jì)成本更高、技術(shù)難度更大。

3.4 涌現(xiàn)性特點(diǎn)折射出的高濃度CO治理技術(shù)

3.4.1 控制綜采機(jī)尾段浮煤進(jìn)入采空區(qū)

1)回采技術(shù)控制浮煤進(jìn)入采空區(qū)。綜采工作面在回采過(guò)程中沿頂沿底推進(jìn)，尤其工作面機(jī)尾50 m范圍內(nèi)嚴(yán)格控制不留頂、底煤，最大限度減少進(jìn)入采空區(qū)的遺煤量。不僅如此，工作面在推進(jìn)過(guò)程中根據(jù)底板起伏最大限度調(diào)整機(jī)頭、機(jī)尾采高，盡量使得工作面后部采空區(qū)涌水不進(jìn)入工作面而自流至機(jī)頭或機(jī)尾，工作人員集中在工作面機(jī)頭、機(jī)尾排水，從而杜絕刮板輸送機(jī)尾鏈輪返水浸煤現(xiàn)象。

2)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)控制煤柱破碎參與氧化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，22410綜采工作面推過(guò)后頂板垮落完全可以將煤幫與底板交角的“立體三角”區(qū)充分填實(shí)。為控制遺煤總量，對(duì)22410回風(fēng)巷沿線煤柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，待工作面推過(guò)煤柱進(jìn)入采空區(qū)后不會(huì)立即大面積垮塌和破碎，從而有效防控其參與氧化。

3)不可控遺煤專人現(xiàn)場(chǎng)管控。綜采工作面在推進(jìn)過(guò)程中，如兩巷頂煤等無(wú)法回收，必定會(huì)產(chǎn)生不可控遺煤。故無(wú)論生產(chǎn)班還是檢修班，安排專人對(duì)22410綜采工作面隅角處三角區(qū)域進(jìn)行管控，發(fā)現(xiàn)遺煤立即清理完畢。與此同時(shí)，液壓支架每向前移架一次，則在靠近工作面機(jī)尾100 m范圍內(nèi)向支架縫及上隅角處撒布厚度不少于10 cm的巖粉。

3.4.2 供氧通道封堵

1)井下供氧通道封堵。加強(qiáng)22410綜采工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)密閉供氧通道的封堵。具體措施為：加強(qiáng)22409回風(fēng)巷聯(lián)巷一般防火密閉現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)督，確保密閉施工進(jìn)度及質(zhì)量；及時(shí)對(duì)22409回風(fēng)巷聯(lián)巷一般防火密閉填注高分子材料，強(qiáng)化密閉氣密性；對(duì)22409回風(fēng)巷聯(lián)巷一般防火密閉及其煤柱進(jìn)行全覆蓋噴漿，噴漿厚度不低于2 cm。

加強(qiáng)本采空區(qū)及鄰近采空區(qū)鉆孔供氧通道封堵。具體措施為：礦通風(fēng)管理部門組織專人對(duì)22409回風(fēng)巷、22410運(yùn)輸巷、22410回風(fēng)巷、22410回撤通道等22410綜采工作面涉及各巷道所有貫通上覆12煤采空區(qū)、鄰近22411采空區(qū)的鉆孔進(jìn)行逐一排查。對(duì)不出水的鉆孔及時(shí)封堵；對(duì)出水的鉆孔安排人員3班巡查，如果發(fā)現(xiàn)鉆孔停止疏水，則第一時(shí)間關(guān)閉鉆孔閘閥；對(duì)未上彎頭的鉆孔安設(shè)專用彎頭，同時(shí)進(jìn)行水封；對(duì)靠近綜采工作面機(jī)尾的彎頭，在距離機(jī)尾50 m時(shí)將鉆孔進(jìn)行封堵，并向鉆孔灌注高分子材料進(jìn)行密封。

2)地表供氧通道封堵。22410綜采工作面采空區(qū)地表裂隙整體呈現(xiàn)：深度0.2～2.5 m，寬度0.1～1.6 m，長(zhǎng)度0.2～11.0 m。對(duì)于深度1.5 m以內(nèi)、寬度1 m以內(nèi)、長(zhǎng)3 m以內(nèi)裂隙安排專人進(jìn)行人工回填封堵；對(duì)于深度>1.5 m、寬度>1 m、長(zhǎng)度>3 m的裂縫，采用機(jī)械進(jìn)行回填封堵；對(duì)于地表起伏較大、溝壑地帶等特殊區(qū)域，采用人工+機(jī)械聯(lián)合作業(yè)的方式進(jìn)行回填封堵。

為最大限度對(duì)地表供氧通道進(jìn)行封堵，礦通風(fēng)管理部門分管領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)業(yè)務(wù)人員每天輪流對(duì)地表進(jìn)行一次人工全覆蓋巡查，對(duì)巡查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的新塌陷的供氧通道，當(dāng)班即安排人員進(jìn)行回填封堵，保證回填封堵進(jìn)度和質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)如圖2、圖3所示。

圖2 綜采工作面地表供氧通道Fig.2 Surface oxygen supply channel in fully-mechanized mining face

圖3 地表供氧通道機(jī)械封堵Fig.3 Mechanical blockage of surface oxygen supply channels

3.4.3 綜采上隅角向采空區(qū)灌漿

結(jié)合22410綜采工作面的煤層賦存條件、巷道布置特點(diǎn)以及采煤工藝等綜合情況，通過(guò)22410綜采上隅角布管向采空區(qū)灌漿作為治理氧化升溫帶高濃度CO的重要措施。

灌漿管路布置路線：地面永久注漿站→注漿鉆孔→22412輔巷→22411運(yùn)輸巷→22410回風(fēng)巷→22410綜采上隅角，灌漿管路布置現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示，灌漿采取隨采隨注技術(shù)，為保護(hù)灌漿管路，管路沿頂板與煤幫交角的“安全三角”敷設(shè)，為保證采空區(qū)充足的灌漿量，最大限度確保進(jìn)入采空區(qū)的灌漿管路不被頂板垮落損壞，通防部門對(duì)22410回風(fēng)巷灌漿管路進(jìn)行維護(hù)加固，使灌漿管路進(jìn)入采空區(qū)后不掉落，滿足灌漿要求，累計(jì)注漿量為36018 m3，使用黃土7 180 m3。

圖4 22410上隅角向采空區(qū)灌漿現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Grouting in the upper corner of 22410 in goaf

3.4.4 綜采上隅角堆建巖粉墻

根據(jù)涌現(xiàn)性的規(guī)模效應(yīng)特點(diǎn)，為遏制系統(tǒng)由小到大的蔓延，需對(duì)采空區(qū)遺煤最易氧化地點(diǎn)進(jìn)行“網(wǎng)格化”管理。即工作面在向前推進(jìn)過(guò)程中，每隔30 m在22410綜采隅角堆建寬度50 cm的巖粉墻，巖粉墻連接頂板至底板，將隅角的三角區(qū)全部封堵，如圖5所示。

圖5 綜采工作面推過(guò)三角區(qū)采空區(qū)巖粉墻示意Fig.5 Schematic of fully-mechanized mining facepushing through the goaf in triangle area

綜采上隅角堆建巖粉墻主要具有以下技術(shù)原理：首先，在綜采工作面設(shè)備檢修時(shí)可以長(zhǎng)時(shí)間有效封堵最大的回風(fēng)漏風(fēng)供氧通道，減少采空區(qū)浮煤接觸的供氧量，為設(shè)備檢修贏取時(shí)間；其次，巖粉自身覆蓋煤體可以減少遺煤與氧氣的接觸面積防止煤體氧化；再者，間斷堆建的巖粉墻可以將采空區(qū)三角區(qū)域的遺煤帶等長(zhǎng)度隔斷，從而防止形成遺煤相連成片，形成大面積氧化區(qū)；最后，巖粉顆粒體積微小，在頂板與煤幫的三角區(qū)可以充分充填采空區(qū)垮落空間，防止跑漿、潰漿問(wèn)題出現(xiàn)，極大地提升采空區(qū)灌漿容量，灌漿黃泥將采空區(qū)遺煤段各個(gè)覆蓋，阻斷其與氧氣接觸氧化，有效預(yù)防煤自然發(fā)火問(wèn)題出現(xiàn)。

3.4.5 綜采工作面配風(fēng)量控制

根據(jù)《22411綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”測(cè)定報(bào)告》的數(shù)值模擬結(jié)果，如圖6—8可以看出，采空區(qū)“三帶”的范圍與綜采工作面風(fēng)量密切相關(guān)：當(dāng)綜采工作面配風(fēng)量增加，采空區(qū)散熱帶、氧化升溫帶以及窒息帶整體向采空區(qū)深部移動(dòng)，且氧化升溫帶的范圍擴(kuò)大；當(dāng)綜采工作面配風(fēng)量減小，采空區(qū)散熱帶、氧化升溫帶以及窒息帶整體向工作面附近移動(dòng)，且氧化升溫帶的范圍逐漸縮小。

圖6 風(fēng)量為2 986 m3/min、風(fēng)速為2.04 m/s時(shí)采空區(qū)氧濃度分布Fig.6 Distribution of oxygen concentration in goaf when the air volume is 2 986 m3/min，wind speed is 2.04 m/s

圖7 風(fēng)量為1 522 m3/min、風(fēng)速1.04 m/s時(shí)采空區(qū)氧濃度分布Fig.7 Distribution of oxygen concentration in goaf when air volume is 1 522 m3/min，wind speed is 1.04 m/s

圖8 風(fēng)量為790 m3/min，風(fēng)速0.54 m/s時(shí)采空區(qū)氧濃度分布Fig.8 Distribution of oxygen concentration in goaf when air volume is 790 m3/min，wind speed is 0.54 m/s

22410綜采工作面采用“U”型負(fù)壓通風(fēng)，計(jì)算需配風(fēng)量為2 067 m3/min，在采空區(qū)氧化升溫帶出現(xiàn)高濃度CO前，工作面實(shí)際配風(fēng)量2 274 m3/min。為縮小采空區(qū)氧化升溫帶的范圍，將工作面實(shí)際配風(fēng)量調(diào)整為2 070 m3/min。

3.4.6 上隅角及采空區(qū)氣體“三位一體”監(jiān)測(cè)

為及時(shí)掌握系統(tǒng)發(fā)展情況，根據(jù)系統(tǒng)涌現(xiàn)性呈現(xiàn)的層次發(fā)展速度、程度隨時(shí)調(diào)整技術(shù)措施，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)。所謂的氣體“三位一體”監(jiān)測(cè)指的是地面自動(dòng)監(jiān)測(cè)、地面人工監(jiān)測(cè)與井下現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，3種氣體觀測(cè)方法同時(shí)展開(kāi)。具體技術(shù)實(shí)施如下：

地面自動(dòng)監(jiān)測(cè)，即在綜采工作面上隅角、采空區(qū)50 m、采空區(qū)100 m分別敷設(shè)10芯束管，JSG-4紅外束管系統(tǒng)24 h實(shí)時(shí)對(duì)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體井下分析，并將分析結(jié)果傳輸至地面，人員在地面實(shí)時(shí)掌握監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。地面人工監(jiān)測(cè)，即在22410工作面靠近機(jī)尾聯(lián)巷安設(shè)采空區(qū)氣體觀測(cè)站，每天安排專人將觀測(cè)站采集的氣樣送至地面，利用GC-4085氣相色譜儀分析出采空區(qū)氣體中各主要指標(biāo)氣體濃度。井下現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，即現(xiàn)場(chǎng)工作人員利用隨身攜帶的便攜式氣體檢測(cè)儀在上隅角、紅外束管出氣端口、氣體觀測(cè)站等地點(diǎn)直接測(cè)量出采空區(qū)內(nèi)氣體組分與濃度。

地面自動(dòng)監(jiān)測(cè)、地面人工監(jiān)測(cè)與井下現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)3種氣體監(jiān)測(cè)方法相互獨(dú)立，監(jiān)測(cè)結(jié)果相互參照，幫助技術(shù)人員更準(zhǔn)確地掌握采空區(qū)遺煤的氧化狀態(tài)以及采取措施后的治理效果，為下一步的治理措施提供決策依據(jù)。

3.5 治理技術(shù)實(shí)施效果

根據(jù)系統(tǒng)涌現(xiàn)性的特點(diǎn)衍射出的采空區(qū)氧化升溫帶高濃度CO出現(xiàn)規(guī)律，結(jié)合22410綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際實(shí)施了前述系列指導(dǎo)技術(shù)措施后，對(duì)工作面上隅角擋風(fēng)簾內(nèi)外及氧化升溫帶CO進(jìn)行了24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并對(duì)每日CO最大監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，具體情況見(jiàn)表3、圖9所示。

圖9 采取治理技術(shù)后關(guān)鍵區(qū)域CO濃度變化趨勢(shì)Fig.9 Trend of CO change in key areas after adopting treatment technology

表3 22410綜采上隅角擋風(fēng)簾內(nèi)外及氧化升溫帶CO濃度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上圖表可以直觀看出，22410采空區(qū)氧化升溫帶的CO得到了有效控制，涌現(xiàn)性特點(diǎn)反射出的高濃度CO治理技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中獲得了良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié) 論

1)在煤礦綜采工作面采空區(qū)氧化升溫帶系統(tǒng)中，高濃度CO為采空區(qū)氧化升溫帶系統(tǒng)涌現(xiàn)性呈現(xiàn)的層次特點(diǎn)。

2)基于采空區(qū)氧化升溫帶系統(tǒng)涌現(xiàn)性特點(diǎn)理論指導(dǎo)，可分析挖掘出采空區(qū)氧化升溫帶呈現(xiàn)高濃度CO的產(chǎn)生原因，分析顯示系統(tǒng)在低層次階段時(shí)采取治理措施相對(duì)投入較少，并對(duì)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)做出警示預(yù)測(cè)，為礦井決策者做出治理決策提供參考依據(jù)。

3)根據(jù)涌現(xiàn)性特點(diǎn)反射出的高濃度CO具體治理技術(shù)需因地制宜、因時(shí)制宜結(jié)合礦井現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際針對(duì)性地提出，提出的技術(shù)措施一般經(jīng)濟(jì)成本較低、技術(shù)難度較低。

4)系統(tǒng)涌現(xiàn)性特點(diǎn)為研究解決煤礦生產(chǎn)過(guò)程中遇到的各類潛在災(zāi)害防治提供了獨(dú)特的新視角。