低變質(zhì)易自燃厚煤層工作面CO負(fù)壓引排技術(shù)研究

曹景軒 CAO Jing-xuan；張寶祿 ZHANG Bao-lu；路寧 LU Ning；師吉林 SHI Ji-lin；趙亞明 ZHAO Ya-ming

（①國(guó)網(wǎng)能源哈密煤電有限公司大南湖一礦，哈密 839000；②中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，撫順 113122；③煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，撫順1 13122）

0 引言

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量大，煤層地質(zhì)特征多樣，開(kāi)采容易自燃、自燃煤層的礦區(qū)分布廣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，晉陜蒙新地區(qū)，開(kāi)采容易自燃、自燃煤層的井工煤礦占比為77.1%[1]，特別是新疆地區(qū)普遍存在開(kāi)采煤層變質(zhì)程度低，煤層自然發(fā)火期短的特點(diǎn)，開(kāi)采過(guò)程中煤層伴有低溫氧化現(xiàn)象，在常溫下工作面及采空區(qū)的破碎遺煤即可氧化產(chǎn)生大量CO氣體，導(dǎo)致井下綜放工作面回風(fēng)隅角等區(qū)域CO濃度超過(guò)24 ppm，嚴(yán)重干擾礦井自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作和井下作業(yè)人員的職業(yè)健康[2-6]。

許濤等[7]研究了煤低溫氧化過(guò)程的分階段特性以及不同階段所表現(xiàn)出的動(dòng)力學(xué)特征；姬俊燕等[8]開(kāi)展了基于CO濃度的煤低溫氧化反應(yīng)特性試驗(yàn)研究；張平等[9]分別對(duì)基于CO濃度和耗氧量的煤低溫氧化反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了試驗(yàn)研究；黃光利等[10]進(jìn)行了老年褐煤綜放工作面CO來(lái)源分析及治理技術(shù)研究。前述研究揭示了煤的低溫氧化反應(yīng)特性和反應(yīng)機(jī)制，也提供了褐煤低溫氧化CO治理技術(shù)，但是針對(duì)低變質(zhì)易自燃煤層工作面CO超限治理效果有限。筆者通過(guò)分析大南湖一礦1307工作面CO來(lái)源分布，提出了針對(duì)低變質(zhì)易自燃煤層工作面CO超限治理的技術(shù)思路，建立了工作面CO負(fù)壓引排系統(tǒng)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察確定了治理技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)，并成功應(yīng)用。

1 礦井概況

大南湖一礦位于新疆哈密市，地處大南湖煤田東部，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為10Mt/a，主采的3煤層煤質(zhì)為褐煤、長(zhǎng)焰煤，屬于低變質(zhì)煤種，煤層自燃傾向性為Ⅰ類，最短自然發(fā)火期為37天，煤層開(kāi)采過(guò)程中存在低溫氧化現(xiàn)象。1307工作面走向長(zhǎng)度3408m，傾向長(zhǎng)度238m，機(jī)采高度3m，放煤高度6.98m，配風(fēng)量約1800m3/min，正?；夭蓵r(shí)期工作面回風(fēng)隅角CO濃度均達(dá)到120ppm以上。

2 CO來(lái)源分析及超限治理思路

2.1 CO來(lái)源分析

研究表明，回風(fēng)隅角CO的來(lái)源分為煤層原始賦存、采煤過(guò)程中產(chǎn)生、采空區(qū)遺煤氧化以及井下爆破生成等4類[11-12]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室分析，大南湖一礦1307工作面回風(fēng)隅角CO氣體主要來(lái)源為煤層開(kāi)采過(guò)程中及開(kāi)采后的煤氧化產(chǎn)生；煤層原始賦存CO含量極少；井下爆破生成的CO持續(xù)時(shí)間有限，只在短時(shí)間內(nèi)引起風(fēng)流CO增大。

通過(guò)對(duì)大南湖一礦1307工作面進(jìn)風(fēng)巷至回風(fēng)巷沿線多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析，得到了非生產(chǎn)時(shí)期和生產(chǎn)時(shí)期采煤工作面CO濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及遺煤厚度分布規(guī)律，經(jīng)計(jì)算得到了非生產(chǎn)時(shí)期和生產(chǎn)時(shí)期采煤工作面不同區(qū)域煤體對(duì)回風(fēng)隅角CO濃度的分源占比，研究發(fā)現(xiàn)：回風(fēng)隅角CO氣體來(lái)源于后溜條帶狀浮煤的占比在64.3%以上，來(lái)源于采空區(qū)的CO占比不高于35.7%，其中回風(fēng)隅角CO超限防治的重點(diǎn)區(qū)域是133#架至回風(fēng)隅角對(duì)應(yīng)的后溜區(qū)域。

2.2 CO超限治理思路

根據(jù)我國(guó)多年的瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)可知，通過(guò)瓦斯抽放可解決煤層瓦斯涌出導(dǎo)致的瓦斯災(zāi)害問(wèn)題[13-14]，因此基于瓦斯抽放技術(shù)，提出回風(fēng)隅角CO負(fù)壓引排技術(shù)。因大南湖一礦3煤層開(kāi)采過(guò)程中，回風(fēng)隅角、回風(fēng)流、總回風(fēng)流內(nèi)的CH4濃度長(zhǎng)期為0，屬于乏風(fēng)的范疇，因此CO負(fù)壓引排技術(shù)屬于乏風(fēng)治理的范疇。同時(shí)，由于回風(fēng)隅角CO引排屬于敞開(kāi)式排風(fēng)，故該引排方法屬于低負(fù)壓引排[15]。

具體治理思路是：針對(duì)回風(fēng)隅角CO超限治理重點(diǎn)區(qū)域建立CO引排系統(tǒng)，采用負(fù)壓引排方式將回風(fēng)隅角集聚的CO經(jīng)管路引排至總回風(fēng)，從而降低回采工作面和回風(fēng)隅角的CO氣體濃度。

3 CO負(fù)壓引排技術(shù)

3.1 CO負(fù)壓引排系統(tǒng)

3.1.1 系統(tǒng)概況

大南湖一礦1307工作面CO負(fù)壓引排系統(tǒng)包含引排泵站、引排管路及附屬裝置。

引排泵站設(shè)置在3煤層輔助運(yùn)輸大巷二反掘車(chē)場(chǎng)內(nèi)，CO負(fù)壓引排泵是型號(hào)為2BEC72的水環(huán)式真空泵，泵站配套設(shè)施包含供電、通訊、給排水、泵站通風(fēng)、CO排放、遠(yuǎn)程控制等。

引排管路選用內(nèi)徑為600mm的螺紋焊接鋼管。引排系統(tǒng)附屬裝置包含控制閥門(mén)、測(cè)壓嘴、孔板流量計(jì)、負(fù)壓放水器、泵站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

大南湖一礦1307工作面CO負(fù)壓引排系統(tǒng)于2021年8月建立并試運(yùn)行。

3.1.2 管路敷設(shè)路線

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，確定管網(wǎng)系統(tǒng)敷設(shè)路線為：

1307工作面回風(fēng)隅角→1307工作面輔運(yùn)順槽→3煤回風(fēng)大巷→CO引排泵站→3煤回風(fēng)大巷。

3.2 CO引排工藝

負(fù)壓引排的主要原理是在工作面上隅角形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，使該區(qū)域內(nèi)CO氣體由負(fù)壓引排管路排走，這可以避免工作面上隅角處局部位置因風(fēng)流不暢或微風(fēng)引起的CO超限，還可解決因漏風(fēng)使采空區(qū)向上隅角涌出CO而造成的CO超限。

為操作方便，靠近采面上隅角的管路可采用鎧裝軟管與主負(fù)壓引排管路連接，將鎧裝軟管插入上隅角（管壁穿有小孔）。隨著工作面的推進(jìn)，拆下前端一段主管路，移動(dòng)負(fù)壓引排軟管，如此反復(fù)，負(fù)壓引排工藝如圖1所示。軟管可采用10〞管，負(fù)壓引排管伸入上隅角長(zhǎng)度及位置應(yīng)根據(jù)實(shí)際負(fù)壓引排效果，不斷調(diào)整，得到合理的參數(shù)。

圖1 回風(fēng)隅角負(fù)壓引排方法示意圖

3.3 CO引排關(guān)鍵參數(shù)

采煤工作面CO負(fù)壓引排效果主要取決于引排風(fēng)量和引排口位置。引排風(fēng)量太小不足以將回風(fēng)隅角高濃度的CO氣體引排走，無(wú)法有效解決CO超限問(wèn)題；工作面CO引排口位置合理與否對(duì)CO的引排效果也起著至關(guān)重要的作用。

3.3.1 引排風(fēng)量

對(duì)于U型通風(fēng)系統(tǒng)工作面，其回風(fēng)隅角是采空區(qū)漏風(fēng)的主要漏風(fēng)匯，架間漏風(fēng)遠(yuǎn)小于回風(fēng)隅角區(qū)域的漏風(fēng)，假設(shè)流經(jīng)采空區(qū)的漏風(fēng)均從回風(fēng)隅角區(qū)域漏入工作面，則由采空區(qū)漏風(fēng)所含的CH4總量與總回風(fēng)流內(nèi)的CH4總量相等，則可用下式計(jì)算回風(fēng)隅角的過(guò)風(fēng)量：

式中：

Qy、Qh—分別為回風(fēng)隅角過(guò)風(fēng)量和回風(fēng)巷風(fēng)量，m3/min；

Cy、Ch—分別為回風(fēng)隅角區(qū)域和回風(fēng)流中的CH4濃度，%。

根據(jù)1307工作面回風(fēng)隅角區(qū)域CH4傳感器和回風(fēng)巷中CH4傳感器的濃度在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)將工作面風(fēng)量代入上式，計(jì)算得出回風(fēng)隅角的過(guò)風(fēng)量約為251m3/min。

為治理回風(fēng)隅角區(qū)域的CO超限，回風(fēng)隅角的引排風(fēng)量必須超過(guò)回風(fēng)隅角的過(guò)風(fēng)量，因此回風(fēng)隅角設(shè)計(jì)引排風(fēng)量大于251m3/min。

3.3.2 吸風(fēng)口位置

由于1307工作面CO氣體來(lái)源于后溜條帶狀浮煤的占比在64.3%以上，其中來(lái)源于133#支架至回風(fēng)隅角后溜條帶狀浮煤占55%，因此CO負(fù)壓引排時(shí)需有效消除該區(qū)域的高濃度CO氣體。

CO負(fù)壓引排系統(tǒng)吸風(fēng)口的具體設(shè)置為：主吸風(fēng)口掛在回風(fēng)端頭支架尾梁頂部，沿回風(fēng)巷走向布置在工作面與采空區(qū)交界位置；同時(shí)，向136#支架機(jī)尾減速機(jī)上部設(shè)置一道吸風(fēng)管路，端頭吸風(fēng)口不封堵，利用此段管路將減速機(jī)上部富集的高濃度CO氣體引排出。吸風(fēng)口布置如圖2所示。

圖2 CO負(fù)壓引排吸風(fēng)口位置示意圖

3.4 引排效果

大南湖一礦1307工作面負(fù)壓引排系統(tǒng)試運(yùn)行期間通過(guò)不斷優(yōu)化負(fù)壓引排關(guān)鍵參數(shù)，取得了良好的引排效果。

①1307采煤工作面回風(fēng)隅角CO濃度由引排前的120ppm左右，降至引排后的14ppm，同時(shí)回風(fēng)巷中CO濃度由引排前的31ppm降至9ppm，兩者降幅分別達(dá)到89%和71%，有效解決了工作面CO超限問(wèn)題。

②CO負(fù)壓引排系統(tǒng)吸風(fēng)口的吸風(fēng)量越大引排效果越好，但為避免因引排而誘發(fā)采空區(qū)自燃問(wèn)題的發(fā)生，引排風(fēng)量控制在500m3/min以下，引排系統(tǒng)運(yùn)行期間本工作面采空區(qū)及臨近采空區(qū)均未發(fā)現(xiàn)異常。

4 結(jié)論

①針對(duì)低變質(zhì)易自燃厚煤層工作面常規(guī)技術(shù)無(wú)法有效解決工作面CO超限問(wèn)題，通過(guò)在工作面建立CO負(fù)壓引排系統(tǒng)，回風(fēng)隅角、回風(fēng)巷中的CO濃度分別由負(fù)壓引排前的120ppm、31ppm降至負(fù)壓引排后的14ppm和9ppm，有效解決了工作面CO超限問(wèn)題。

②采煤工作面CO負(fù)壓引排技術(shù)的關(guān)鍵是確定合理的負(fù)壓引排風(fēng)量和引排口位置。