淺埋厚煤層工作面CO來源分析與防治技術(shù)研究

＊米永信

（山西汾西正佳煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 041300）

厚煤層開采具有經(jīng)濟(jì)效益高、煤炭產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn)，受開采工藝制約采面采空區(qū)內(nèi)遺煤量往往較大，當(dāng)回采煤層有自燃發(fā)火傾向性時(shí)容易導(dǎo)致遺煤自燃問題，從而給煤炭回采安全帶來較大威脅[1-3]。為此眾多的學(xué)者及技術(shù)人員多淺埋厚煤層工作面CO來源、運(yùn)移規(guī)律以及防治技術(shù)等展開研究，其中李心田[4]以李家壕31115工作面回采為工程背景，對(duì)淺埋厚煤層采空區(qū)漏風(fēng)特征、CO來源及產(chǎn)生規(guī)律等進(jìn)行分析，并提出采用合理調(diào)整采面配風(fēng)、噴灑阻化劑、采空區(qū)注氮等措施，達(dá)到有效抑制采面CO產(chǎn)生量及涌出量目的；李建偉等[5]針對(duì)6104綜放工作面回采后地面漏風(fēng)嚴(yán)重、采面CO濃度超限等問題，通過現(xiàn)場實(shí)測(cè)及理論分析等確定CO來源及濃度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)回風(fēng)隅角、采空區(qū)CO濃度與采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度呈正相關(guān)，并針對(duì)現(xiàn)場情況提出減少采空區(qū)遺煤量（煤柱）、地面漏風(fēng)裂隙封堵、采空區(qū)灌漿、采面增壓通風(fēng)等防治技術(shù)措施；王海生[6]針對(duì)星光一號(hào)井1604工作面在淺埋深條件下采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重、容易誘發(fā)遺煤自燃以及采面CO超限等問題，結(jié)合現(xiàn)場情況提出采用均壓通風(fēng)方式進(jìn)行防滅火，并依據(jù)現(xiàn)場通風(fēng)需要確定局部通風(fēng)機(jī)型號(hào)以及風(fēng)門、調(diào)節(jié)風(fēng)窗以及風(fēng)筒等構(gòu)造物布置位置，現(xiàn)場應(yīng)用后持續(xù)監(jiān)測(cè)獲取的采面回風(fēng)隅角及回風(fēng)流中CO體積分?jǐn)?shù)均在允許范圍內(nèi)，有效解決了采面CO超限問題。避免遺煤自燃并減少漏風(fēng)是避免采面CO超前的根本途徑之一，文中就結(jié)合以往研究成果，以某礦8112工作面回采為工程背景，針對(duì)采面回采的3～5#層厚度大、埋深淺以及煤層具有自燃發(fā)火傾向性等特點(diǎn)，基于采面CO來源分析結(jié)果以及礦井實(shí)際情況，針對(duì)性提出采空區(qū)遺煤自燃發(fā)火防治技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用后為采面煤炭回采創(chuàng)造了良好條件。

1.工程概況

（1）地質(zhì)概況。3～5#層8112工作面位于副立井西北部1855，井下位于主運(yùn)大巷東北部，工作面東部為礦界，西部為已采的8102工作面，北部未開拓。8112工作面走向長度為500～560m，傾向長度為200m，煤厚2.2～9.3m，平均5.1m，煤層傾角0°～6°，煤層埋深均值135m。3～5#層8112工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層屬于自燃煤層，自燃發(fā)火等級(jí)為Ⅱ級(jí)，煤自燃發(fā)火期最短為85d，煤塵有爆炸性。3～5#層8112綜放工作面巷道布置簡單，采用“U”型通風(fēng)方式，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)簡單。回采工作面采用綜合機(jī)械化開采，工作面正常推進(jìn)度為2.1m/d。

（2）采面CO來源分析。8102工作面回采期間配風(fēng)量為1230m3/min，采面回采期回風(fēng)隅角、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确謩e控制在0.16%、0.09%以內(nèi)。受采面內(nèi)發(fā)育的斷層構(gòu)造影響，采面局部位置推進(jìn)速度緩慢，在回采期間回風(fēng)隅角、回風(fēng)流監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)有CO，體積分?jǐn)?shù)在3×10-6～12×10-6，隨著采面不斷推進(jìn)監(jiān)測(cè)到CO體積分?jǐn)?shù)呈不斷增加趨勢(shì)，最高可達(dá)到118×10-6。

現(xiàn)有研究成果表明，采面內(nèi)CO來源包括有井下炸藥爆破、煤層原始賦存、煤層（遺煤）氧化自燃等，結(jié)合現(xiàn)場測(cè)試以及實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，發(fā)現(xiàn)回采的3～5#煤層原始CO體積分?jǐn)?shù)較低，不會(huì)導(dǎo)致采面回風(fēng)流及回風(fēng)隅角CO超限問題，井下現(xiàn)有的爆破地點(diǎn)與采面間距較遠(yuǎn)且有不同的通風(fēng)系統(tǒng)，爆破產(chǎn)生的CO不會(huì)進(jìn)入到采面通風(fēng)系統(tǒng)中。因此判定8102工作面CO主要源于采空區(qū)遺煤氧化自燃。8102工作面采用綜放開采工藝，采空區(qū)內(nèi)遺煤量較大，在采面回采過程中回風(fēng)隅角、回風(fēng)流中未監(jiān)測(cè)到乙烯等遺煤自燃標(biāo)志性氣體，判定采空區(qū)內(nèi)遺煤現(xiàn)階段僅處于氧化升溫階段，遺煤未出現(xiàn)自燃。

2.采面防滅火技術(shù)

(1)火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和防滅火措施

火災(zāi)監(jiān)測(cè)：①色譜束管火災(zāi)監(jiān)測(cè)。選用徐JSG8型煤礦自燃束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，束管測(cè)點(diǎn)安排為：8102工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)3趟、回風(fēng)側(cè)采空區(qū)3趟，管口步距為30m；上隅角、頂抽巷各設(shè)置1趟。束管采用Φ50mm PE管作套管，套管每隔30m設(shè)置一處花管套管。在進(jìn)、回風(fēng)巷沿采空區(qū)各布設(shè)一趟取氣管路，當(dāng)埋入采空區(qū)30m后，再埋第二趟，始終保持進(jìn)風(fēng)巷采空區(qū)埋入3趟、回風(fēng)巷采空區(qū)埋入3趟。為防止采空區(qū)積水抽進(jìn)束管，束管的進(jìn)口處必須抬高1.5m。

②人工取樣檢測(cè)。通風(fēng)區(qū)每班派專人巡回測(cè)定8102工作面、上隅角、回風(fēng)巷等處的O2、CH4、CO和放頂煤溫。通風(fēng)區(qū)每周指派專人使用手持采樣泵對(duì)8102工作面2112巷（進(jìn)風(fēng)巷）和5112巷（回風(fēng)巷）內(nèi)埋設(shè)的束管及頂抽巷取樣化驗(yàn)。

(2)工作面防滅火措施及其裝備

①注氮防滅火系統(tǒng)

A.注氮設(shè)備。礦井采用地面固定式注氮系統(tǒng)，制氮車間布置在地面風(fēng)井工業(yè)廣場。制氮車間安裝兩臺(tái)DT-2300/98型固定式制氮裝置（一用一備）。主要性能指標(biāo)見表2所示。

B.注氮管路布置。制氮設(shè)備設(shè)于地面風(fēng)井工業(yè)場地內(nèi)，管路鋪設(shè)路徑為：制氮車間→回風(fēng)立井→3～5#層總回風(fēng)大巷→3～5#層回風(fēng)大巷→3～5#層輔運(yùn)大巷→3～5#層主輔聯(lián)巷→3～5#層8112工作面2112巷→采空區(qū)。8112綜放工作面注氮流量為1036.8m3/h，地面工業(yè)廣場制氮設(shè)備滿足8112工作面注氮要求。

氮?dú)廨斔椭鞴苈吩?112巷采用沿煤壁吊掛，注氮支氣管要預(yù)先由2112巷埋入采空區(qū)，前端要連接0.5m左右的堵頭花管，花管傾斜向上指向采空區(qū)，并用木垛加以保護(hù)，以免堵塞注氮?dú)饪?。每個(gè)氮?dú)忉尫趴诰c一根注氮?dú)庵Ч苓B接，支管的長度取決于采空區(qū)自燃危險(xiǎn)帶與窒息帶分界線距工作面的距離（初步定于25m），當(dāng)?shù)獨(dú)忉尫趴谶M(jìn)入采空區(qū)窒息帶不需注氮時(shí)，應(yīng)在工作面順槽內(nèi)將其關(guān)閉并切斷其與注氮?dú)庵鞴苈返穆?lián)系。每個(gè)注氮?dú)庵Ч芘c主管路之間要用三通連接，若要考察每個(gè)支管的注氮?dú)饬?，還應(yīng)安裝流量計(jì)、壓力表。8112工作面注氮的管路直徑、管材及長度見表3。

表3 注氮管路參數(shù)

②阻化劑防滅火

采用移動(dòng)式氣霧阻化系統(tǒng)，儲(chǔ)液箱和注液泵安裝在設(shè)備列車上，放置在采煤工作面的平巷內(nèi)的設(shè)備串車附近處，其中一臺(tái)平板車放儲(chǔ)液箱，另一臺(tái)平板車放霧化泵和開關(guān)，距采面約100m，經(jīng)輸液管路輸送到采面噴灑。阻化劑選用MgCl2溶液，MgCl2溶液的含量為20%。

3～5#層8112工作面設(shè)立霧化點(diǎn)4個(gè)，即在工作面上端頭、距工作面上端頭50m處、100m處和150m處。儲(chǔ)液箱和霧化泵安設(shè)2112巷內(nèi)的設(shè)備列車前，物化泵出口接高壓膠管至8112工作面，工作面端頭設(shè)三通與霧化器相接。當(dāng)氣霧阻化系統(tǒng)安裝完畢，應(yīng)進(jìn)行調(diào)試。在開泵調(diào)試前打開所有管路閥門，包括泵進(jìn)、排水閥門，不安裝霧化器，待啟動(dòng)噴霧泵，清洗整個(gè)管路后再安裝霧化器，啟動(dòng)噴霧泵。工作面一次所需阻化劑用量為97.816kg。

3.采面防滅火技術(shù)措施

(1)初采期防滅火措施

8112工作面初采期間采取注氮和阻化劑防滅火為主，加快推進(jìn)速度以減短遺煤氧化暴露時(shí)間為輔的防滅火措施。具體為：①對(duì)開切眼附近煤壁加強(qiáng)噴漿，確保無浮煤、無裸露煤體；②加快初始推進(jìn)速度，進(jìn)度不得低于4m/d；③通過回采巷道內(nèi)預(yù)埋束管分析采空區(qū)內(nèi)的氣體成分變化；④在端頭及距端頭50m、100m、150m支架上安設(shè)阻化劑氣霧噴灑裝置噴灑阻化劑材料，對(duì)采空區(qū)浮煤采取人工噴灑方式；⑤工作面開始生產(chǎn)同時(shí)開始注氮，即可對(duì)開切眼采空區(qū)內(nèi)連續(xù)注入高純度小流量的氮?dú)?，初期注氮量?00m3/h。

(2)正常開采防滅火措施

3～5#層8112工作面采取的綜合防滅火技術(shù)方案是以采空區(qū)注氮為主、噴灑阻化劑與端頭封堵為輔的綜合防滅火措施，以保障綜放工作面的安全回采。具體措施如下：①采面推進(jìn)速度控制在60m/月以上，提高回采率，減少采空區(qū)遺煤量；②采取注氮、噴灑阻化劑的防火措施；③封堵采空區(qū)漏風(fēng)的主要進(jìn)出口，盡量減少漏風(fēng)量；加強(qiáng)地表采空區(qū)域的監(jiān)測(cè)，及時(shí)進(jìn)行地表回填堵漏，封堵漏風(fēng)裂隙，避免采空區(qū)遺煤自燃；④考慮多種實(shí)際因素，合理計(jì)算、配備工作面供風(fēng)量，在滿足相關(guān)要求、規(guī)范等前提下，盡量減少工作面供風(fēng)量；⑤加強(qiáng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，在整個(gè)回采過程中，利用安全監(jiān)控系統(tǒng)、人工檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控。

(3)末采階段防滅火措施

①工作面進(jìn)入不放煤的前30m位置時(shí)，必須強(qiáng)化放煤工作，減少此范圍的冒落遺煤，確保與后部采空區(qū)形成一道矸石隔離帶。②工作面進(jìn)入末采階段，不放頂煤開始，首先，封閉工作面頂抽巷，然后，工作面風(fēng)量逐步進(jìn)行減風(fēng)降壓，以200m3/min為一個(gè)臺(tái)階，在工作面溫度、甲烷不超限，氧氣滿足需求的情況下逐步降低工作面風(fēng)量，但工作面風(fēng)量保障不低于600m3/min。③工作面推進(jìn)至距停采線50m處時(shí)，分別在2112巷、5112巷距停采線30m、45m、60m處鋪設(shè)1趟4芯束管，用于停采期間人工采樣。④工作面推進(jìn)至距停采線85m時(shí)，分別在2112巷距停采線85m、60m和35m鋪設(shè)1趟φ108mm PE管路作為停采期間注氮管路。同時(shí)在2112巷增設(shè)1趟注氮管路，保障工作面停采后注氮管路釋放口分別位于2112巷距停采線85m、60m和35m處。⑤保障工作面阻化系統(tǒng)正常運(yùn)行，每天通過霧化噴嘴對(duì)工作面采空區(qū)實(shí)施阻化劑噴灑作業(yè)，另外在工作面5112巷設(shè)置阻化劑噴灑泵，對(duì)工作面后溜后方裸露煤體每天人工噴灑阻化劑溶液，每天阻化劑噴灑量不低于150kg。⑥工作面開始不放煤作業(yè)當(dāng)班，必須在工作面上、下端頭各施工1道端頭封堵墻，之后每推進(jìn)5m施工1組，端頭封堵墻要求接頂嚴(yán)密。

(4)回撤期間防滅火措施

8112工作面回撤期間，由于采面停止回采且風(fēng)量、通風(fēng)方式出現(xiàn)改變，采空區(qū)遺煤自燃發(fā)火危險(xiǎn)性增大，因此采用下述防滅火措施：

①采取措施使采空區(qū)頂板及時(shí)冒落，并控制風(fēng)量，確保采面溫度在25℃以內(nèi)，風(fēng)速不低于0.4m/s，減少采空區(qū)漏風(fēng)。②加強(qiáng)支架撤退后工作面支護(hù)，按照礦技術(shù)科設(shè)計(jì)要求進(jìn)行支護(hù)，保障支架撤退后工作面頂板完好，防止工作面頂板垮落，保障通風(fēng)通道暢通，減少采空區(qū)漏風(fēng)。③加強(qiáng)自然發(fā)火監(jiān)測(cè)頻次，每5架設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，安排專人進(jìn)行氣體濃度、溫度監(jiān)測(cè)。④實(shí)施阻化劑防滅火技術(shù)措施。⑤加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)，確保開采設(shè)備在30d內(nèi)回撤完畢。⑥每隔10架向采面頂煤及支架后方頂煤施工鉆孔，終孔位于支架后部上方位移，向頂煤和支架后方遺煤壓注阻化劑和滅火劑。

4.總結(jié)

針對(duì)3～5#層8112工作面回采過程中回風(fēng)隅角、回風(fēng)流監(jiān)測(cè)到CO問題，結(jié)合現(xiàn)場情況分析CO源于采空區(qū)遺煤氧化自燃，同時(shí)結(jié)合溫度、乙烯等監(jiān)測(cè)參數(shù)判定采空區(qū)遺煤處于氧化階段未出現(xiàn)自燃問題。

為確保8112工作面安全回采，結(jié)合現(xiàn)場情況以及礦井現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)設(shè)備、防滅火設(shè)備等，提出綜合采用注氮、噴灑阻化劑等方式抑制甚至阻斷采空區(qū)遺煤氧化進(jìn)程，從而避免采面CO超限問題。結(jié)合現(xiàn)場情況，制定采面在初采、正?；夭伞⒛┎傻入A段的防滅火措施?，F(xiàn)場應(yīng)用后，采面回采期間回風(fēng)隅角、回風(fēng)流中各位置CO始終在允許范圍內(nèi)，表明現(xiàn)場采用的防滅火技術(shù)措施取得較好應(yīng)用效果。