淺埋深易自燃煤層工作面低氧高一氧化碳防治技術(shù)

劉立仁

（國家能源集團(tuán) 國神三道溝煤礦，陜西 榆林719407）

礦井綜采工作面上隅角低氧高一氧化碳現(xiàn)象是礦井重大災(zāi)害之一，是三道溝煤礦安全生產(chǎn)的重中之重，三道溝煤礦地表溝壑縱橫，山梁低谷地貌，采空區(qū)地表裂隙回填難度大，同時三道溝煤礦井田南部存在小窯采空區(qū)，可能存在采空區(qū)串通現(xiàn)象，故三道溝煤礦井下采空區(qū)長時間存在漏風(fēng)現(xiàn)象，在礦井通風(fēng)負(fù)壓和大氣壓的晝夜變化作用下，采空區(qū)內(nèi)低氧氣體大量涌出，威脅礦井工作面安全生產(chǎn)，故防止采空區(qū)低氧高一氧化碳?xì)怏w大量涌出的措施手段勢在必行[1-3]。

1 礦井概況

三道溝煤礦屬低瓦斯礦井，井田內(nèi)瓦斯含量較低，屬二氧化碳-氮氣帶，井田內(nèi)各煤層埋藏淺，地層產(chǎn)狀近水平，無貯氣構(gòu)造，煤的變質(zhì)程度低，雖有少量瓦斯溢出，但大多沿巖石裂隙逸散于大氣。礦井開采5-2 和5-2 上煤層，煤層屬于容易自燃煤層，5-2 上煤最短自然發(fā)火期32 d，5-2 煤最短自然發(fā)火期35 d，煤塵均具有爆炸危險性。礦井采用分區(qū)抽出式通風(fēng)，由主平硐、副平硐進(jìn)風(fēng)，樸牛圪塔回風(fēng)斜井、大路墕風(fēng)井回風(fēng)。

1.1 工作面概況

85210 工作面位八盤區(qū)南翼集中輔運巷南側(cè)，西部依次為85208、85206、85202、85204 采空區(qū)；東部為5-2 煤煤層合層線，南部為小煤窯采空區(qū)。工作面可采長度1 383 m，傾斜長度274 m。地面標(biāo)高1 182.9～1 298.6 m，底板標(biāo)高1 070.1～1 085.4 m。工作面地表絕大部分為黃土和第三系黏土覆蓋，起伏較大，溝壑縱橫，地表松散層厚度23.95～120.46 m，上覆基巖厚度47.1～139.5 m，最薄處在白石巖溝。煤層總趨勢是東北高西南低，局部有起伏，傾角1°～3°。煤層厚度5.6～7.01 m，平均6.79 m，中下部含1層夾矸。

1.2 工作面通風(fēng)系統(tǒng)

85210 工作面采用U 型全負(fù)壓抽出式通風(fēng)。85210 工作面為八盤區(qū)南翼東部最后1 個工作面，85210 運輸巷西側(cè)為85208 采空區(qū)，工作面設(shè)備布置方式為機(jī)軌分離，為保證工作面移變列車在新鮮風(fēng)流中，工作面通風(fēng)路線為：副平硐→5-2 煤輔運大巷→八盤區(qū)南翼石門→八盤區(qū)南翼集中輔運巷→85210 輔運巷→85210 工作面→85210 運輸巷→聯(lián)巷→85208 運輸巷→85208 設(shè)備列車通道→85208 回風(fēng)巷→5-2 煤回風(fēng)大巷→樸牛圪塔回風(fēng)斜井，185210 工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖1。

圖1 85210 工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Ventilation system of 85210 working face

2 低氧高一氧化碳原因分析及問題提出

2.1 問題提出

85210 工作面至2017 年7 月開采以來，工作面上隅角長期出現(xiàn)高一氧化碳低氧現(xiàn)象，一氧化碳最高達(dá)87×10-6，氧氣最低達(dá)12.1%。通過查詢以往數(shù)據(jù)，2013 年至2017 年間85202～85208 工作面開采期間工作面上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)均維持在17.8%～20.1%之間，一氧化碳體積分?jǐn)?shù)在11×10-6～32×10-6之間。

2.2 原因分析

關(guān)于煤炭自燃的原因，有很多學(xué)說解釋普遍認(rèn)可的是煤氧復(fù)合作用學(xué)說，其主要觀點是：煤在常溫下吸收空氣中的氧氣，產(chǎn)生低溫氧化，釋放熱量和初級氧化產(chǎn)物一氧化碳，由于散熱不良，熱量積聚，溫度上升，加速了低溫氧化作用進(jìn)程，最終導(dǎo)致自然發(fā)火[4-5]。煤炭自燃必須同時具備以下條件：①煤炭具有自燃的傾向性，并呈破碎狀態(tài)堆積存在；②連續(xù)的通風(fēng)供氧維持煤的氧化過程不斷地發(fā)展；③煤氧化生成的熱量能大量蓄積，難以及時散失；④以上3 個條件同時存在且時間大于煤炭的自然發(fā)火期[6]。

根據(jù)85210 工作面及周邊采空區(qū)基本情況，工作面回采過程中上隅角出現(xiàn)低氧高一氧化碳的原因主要有以下幾個方面：

1）三道溝煤礦八盤區(qū)南翼煤層埋藏較淺，地表溝壑縱橫，山梁和溝谷區(qū)域漏風(fēng)采用人工無法回填，所以八盤區(qū)南翼采空區(qū)地表漏風(fēng)通道無法完全消除。同時，礦井八盤區(qū)南翼存在小煤窯采空區(qū)，采空區(qū)相互串通存在漏風(fēng)通道，使采空區(qū)遺煤得到氧化，形成初步氧化產(chǎn)物一氧化碳?xì)怏w。同時85210 工作面距離樸牛圪塔回風(fēng)斜井較近，工作面回風(fēng)巷負(fù)壓較大，加大了采空區(qū)漏風(fēng)，使采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化產(chǎn)生的一氧化碳?xì)怏w從上隅角處大量涌出。

2）85210 運輸巷西側(cè)有回采結(jié)束的85208 采空區(qū)，兩工作面間煤柱寬20 m，聯(lián)巷間距60 m，每個聯(lián)巷內(nèi)距口6 m 處施工一般防火密閉，防火密閉規(guī)格為0.75 m 磚墻+1 m 黃土填充+1 m 外磚墻，同時三道溝煤礦5-2 煤層中間距離底板1.2 m 高有1 層泥巖層，泥巖層寬度0.2 m 左右，在工作面回采后聯(lián)巷密閉及煤柱共計受到3 次壓力集中作用，將造成聯(lián)巷密閉破裂或保護(hù)煤柱出現(xiàn)網(wǎng)狀裂隙及壓裂破碎的煤體，與鄰近的八盤區(qū)南翼采空區(qū)形成連通的漏風(fēng)通道，因南翼85208～85202 采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)均在2.0%以下，一氧化碳均為0，煤層屬二氧化碳-氮氣帶氮氣含量十分高，采空區(qū)內(nèi)低氧氣體在礦井通風(fēng)負(fù)壓和大氣壓晝夜交替變化的作用下，通過漏風(fēng)通道流經(jīng)85210 工作面上隅角，導(dǎo)致上隅角出現(xiàn)低氧現(xiàn)象。

3）經(jīng)過現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，上隅角出現(xiàn)低氧高一氧化碳現(xiàn)象時間一般在15:00—20:00 之間，因這段時間地表大氣壓發(fā)生變化，大氣壓突然變小，井下采空區(qū)內(nèi)常年溫度和氣壓變化不大，故采空區(qū)與工作面壓差突然增大，導(dǎo)致低氧氣體大量涌出。

4）八盤區(qū)綜采平均采高為6.5 m，工作面兩巷道掘進(jìn)平均高度為4.4 m，導(dǎo)致“兩道”遺煤較多，隨著工作面的推進(jìn)逐漸垮落進(jìn)入采空區(qū)，煤體破碎，具備煤氧化自燃的蓄熱條件從而使采空區(qū)內(nèi)低氧、高一氧化碳?xì)怏w較多。

5）85210 運輸巷作為工作面回風(fēng)巷，工作面機(jī)頭端頭架、運輸機(jī)機(jī)頭、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、防塵濾網(wǎng)等設(shè)備增加了工作面回風(fēng)巷風(fēng)阻，導(dǎo)致工作面路線上通風(fēng)阻力增加，負(fù)壓增加，作用于工作面上隅角導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)增加。

6）85210 工作面回風(fēng)通過85208 運輸巷、85208設(shè)備列車通道和85208 輔回撤通道回風(fēng)，工作面路線上高負(fù)壓直接作用于85208 運輸巷與采空區(qū)聯(lián)通防火密閉上，使防火密閉內(nèi)外壓差增大，增加采空區(qū)漏風(fēng)和遺煤自然發(fā)火隱患。

3 工作面上隅角低氧高一氧化碳治理技術(shù)措施

3.1 自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)

煤自然發(fā)火都有從緩慢氧化到加速氧化最終達(dá)到激烈氧化的過程，通過煤在不同的氧化階段產(chǎn)物不同，對煤炭自然發(fā)火進(jìn)行預(yù)測預(yù)報[7]。

三道溝煤礦井下安裝1 套JSG4 紅外束管監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，地面裝有1 套SG-2003 礦井自燃火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)，采用人工氣體采樣分析及束管實時監(jiān)測相結(jié)合的方式對各綜采工作面及采空區(qū)內(nèi)的氣體進(jìn)行實時監(jiān)測。工作面回采過程中，重點監(jiān)測地點有本工作面上隅角及采空區(qū)、鄰近工作面采空區(qū)。85210 采空區(qū)束管測點布置圖如圖2。

圖2 85210 采空區(qū)束管測點布置圖Fig. 2 Layout of beam tube measuring points in 85210 goaf

在工作面上隅角布置氧氣、一氧化碳、瓦斯傳感器和溫度傳感器，用來實時監(jiān)測上隅角的氣體及溫度變化情況，通過在工作面回風(fēng)巷預(yù)埋束管對采空區(qū)氣體進(jìn)行監(jiān)測，每根束管連接1 個監(jiān)測點，為使監(jiān)測點能監(jiān)測至窒息帶內(nèi)的氣體，分析采空區(qū)內(nèi)遺煤低溫氧化程度和自燃發(fā)展趨勢，共布置監(jiān)測點4 個，各監(jiān)測點相距50 m。隨著工作面的推進(jìn)，各監(jiān)測點依次進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)，當(dāng)1 監(jiān)測點距工作面50 m 左右時，斷開4 監(jiān)測點，重新布置監(jiān)測點。鄰近采空區(qū)內(nèi)的氣體通過聯(lián)巷密閉觀測孔進(jìn)行人工取樣利用地面色譜儀進(jìn)行分析。

3.2 調(diào)整85210 工作面通風(fēng)系統(tǒng)

將85210 工作面通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整為85210 運輸巷進(jìn)風(fēng)、85210 回風(fēng)巷回風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)，減小回風(fēng)巷局部通風(fēng)阻力，減小最大通風(fēng)阻力路線上高負(fù)壓對工作面上隅角及鄰近采空區(qū)密閉的作用，調(diào)整后的工作面通風(fēng)路線為：副平硐→5-2 煤輔運大巷→八盤區(qū)南翼石門→八盤區(qū)南翼集中輔運巷→85210 運輸巷→85210 工作面→85210 回風(fēng)巷→5-2 煤回風(fēng)大巷→樸牛圪塔回風(fēng)斜井，調(diào)整后的85210 工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖3。

圖3 調(diào)整后的85210 工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意圖Fig. 3 Ventilation system of 85210 working face after adjustment

3.3 降低礦井通風(fēng)負(fù)壓

1）優(yōu)化礦井各盤區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)，合理配風(fēng)，封閉無效通風(fēng)巷道，提高礦井風(fēng)量利用率。將5-2 煤八盤區(qū)無效通風(fēng)巷道進(jìn)行封閉，封閉85206 輔回撤通道、35106輔回撤通道、85202 機(jī)頭硐室、85202 水倉及八盤區(qū)南翼集中輔運巷后半段，礦井風(fēng)量結(jié)余1 130 m3/min。

2）通過采用降阻法調(diào)節(jié)井下通風(fēng)系統(tǒng)，消除主要回風(fēng)大巷局部風(fēng)阻較大地點設(shè)施，降低礦井總阻力進(jìn)而降低兩風(fēng)井負(fù)壓。①改造盤區(qū)主要回風(fēng)大巷交叉地點巷道轉(zhuǎn)死彎，將三盤區(qū)集中回風(fēng)巷與5-2上煤總回交叉口處直角轉(zhuǎn)彎進(jìn)行修復(fù)，改為3.0 m×3.0 m 抹角，減少巷道局部阻力；②消除巷道局部超高、超寬地點，降低巷道局部通風(fēng)阻力；③消除總回風(fēng)大巷內(nèi)風(fēng)橋，將35101 運輸巷風(fēng)橋和85206 運輸巷風(fēng)橋落下，降低巷道局部阻力；④消除最大通風(fēng)阻力路線上通風(fēng)設(shè)施，將35107 綜采工作面回風(fēng)巷口調(diào)節(jié)風(fēng)窗拆除，同時打開35109 回風(fēng)巷繞道調(diào)節(jié)風(fēng)門，通過采用降阻調(diào)節(jié)法，調(diào)整5-2 上煤三盤區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)，降低盤區(qū)通風(fēng)阻力。

3）合理調(diào)節(jié)主要通風(fēng)機(jī)葉片安裝角度，確保主要通風(fēng)機(jī)工況點運行在合理的工業(yè)利用區(qū)內(nèi)。通過采取降低樸牛圪塔回風(fēng)斜井主要通風(fēng)機(jī)葉片安裝角度的方式，調(diào)整主要通風(fēng)機(jī)工況點，降低礦井主、輔平硐總進(jìn)風(fēng)量，降低兩風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓。

3.4 加強(qiáng)井上下堵漏措施

1）三道溝煤礦煤層埋藏淺，地表裂隙嚴(yán)重，而且容易出現(xiàn)二次裂隙，應(yīng)加強(qiáng)對地表裂隙進(jìn)行詳細(xì)排查，要求地表回填不得滯后工作面150 m，回采工作面結(jié)束后必須在1 周內(nèi)對地表裂隙處進(jìn)行全部填堵，已回填區(qū)域出現(xiàn)二次裂隙要組織重新回填，在采面到達(dá)停采線后，必須在1 個月內(nèi)對整個采面范圍內(nèi)塌陷裂縫進(jìn)行二次補(bǔ)填[8]，對溝壑地段機(jī)具無法施工的困難區(qū)域，建議與當(dāng)?shù)孛癖块T聯(lián)系采取預(yù)裂爆破進(jìn)行處理，減小地表向采空區(qū)漏風(fēng)。

2）工作面上下端頭為減小采空區(qū)向外漏風(fēng)，在綜采面上、下隅角分別設(shè)置擋風(fēng)簾來增加上下隅角與采空區(qū)之間阻力，擋風(fēng)簾必須嚴(yán)工作面切頂線吊掛，側(cè)面緊貼幫部。工作面兩端頭加強(qiáng)退錨制度，要求兩巷道超前工作面20 m 進(jìn)行退錨，減小采空區(qū)懸頂距離，減少采空區(qū)漏風(fēng)。工作面停機(jī)后，煤機(jī)嚴(yán)禁停在工作面兩端頭50 m 范圍內(nèi)，防止因煤機(jī)停留在兩端頭時，增加工作面局部通風(fēng)阻力，增加工作面負(fù)壓，增加采空區(qū)漏風(fēng)量。

3.5 減少采空區(qū)遺煤并加快工作面推進(jìn)度

1）在綜采工作面推進(jìn)的過程中，采用沿頂沿底割煤方法提高煤炭回采率，減少采空區(qū)丟煤[8]，工作面每刀煤過后應(yīng)及時清理支架大腳前浮煤，防止煤炭甩入采空區(qū)內(nèi)。同時加強(qiáng)“兩巷兩線”及上下隅角浮煤惰化處理效果，對“兩巷兩線”及上、下隅角噴灑阻化劑，并隨著工作面的推進(jìn)，對兩巷道煤幫及上下隅角噴灑厚度不低于10 mm 的阻化劑，加強(qiáng)對“兩巷兩線”及上下隅角浮煤的惰化[6]。

2）保證工作面推進(jìn)度。按照月最低推進(jìn)度Vmin=L/d（L 為綜采工作面采空區(qū)氧化帶距工作面最大寬度[8]，根據(jù)三道溝煤礦采空區(qū)“三帶”劃分結(jié)果顯示，L 取220 m；d 為該煤層的最短自然發(fā)火期，取35 d），因此，在工作面推進(jìn)過程中，必須保證綜采工作面月推進(jìn)度至少應(yīng)為189 m。

3.6 加強(qiáng)對相鄰采空區(qū)密閉管理

三道溝煤礦綜采工作面回采期間相鄰采空區(qū)聯(lián)巷一般防火密閉進(jìn)入采空區(qū)后受本工作面基本頂來壓影響，容易造成密閉坍塌，密閉坍塌后與鄰近的采空區(qū)形成連通的漏風(fēng)通道，因礦井采用負(fù)壓通風(fēng)，相鄰采空區(qū)內(nèi)低氧氣體進(jìn)入本采空區(qū)后，通過工作面上隅角流入本工作面，威脅作業(yè)人員安全。

三道溝煤礦安排瓦檢員應(yīng)對所有連接采空區(qū)的密閉及巷道進(jìn)行巡查，發(fā)現(xiàn)密閉不完好，立即匯報并采取措施進(jìn)行處理。同時三道溝煤礦采用加強(qiáng)支護(hù)的手段，在距離聯(lián)巷口3 m 處打1 排錨索間距1 m進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，防止密閉進(jìn)入采空區(qū)后因基本頂來壓造成密閉坍塌。

3.7 采空區(qū)注氮

氮氣作為一種惰性氣體，能較好地用于礦井防滅火工作[9-10]。高濃度的氮氣注入采空區(qū)后，一方面降低了氧氣體積分?jǐn)?shù)，在一定程度上抑制了遺煤氧化速度；另一方面增大采空區(qū)氣體靜壓，降低兩巷采空區(qū)的漏風(fēng)壓差，減少采空區(qū)漏風(fēng)量，縮短散熱帶與氧化帶寬度。

生產(chǎn)期間利用提前布置在采空區(qū)內(nèi)的紅外束管監(jiān)測手段，做好采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報工作，若監(jiān)測到本采空區(qū)、鄰近采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)大于7%或出現(xiàn)自然發(fā)火跡象，通過預(yù)埋注氮管路、防火密閉墻上措施管進(jìn)行注氮，確保氧氣體積分?jǐn)?shù)低于7%。

4 應(yīng)用效果

1）現(xiàn)場通過將85210 工作面通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整為85210 運輸巷進(jìn)風(fēng)，85210 回風(fēng)巷回風(fēng)的系統(tǒng)后，工作面上隅角低氧高一氧化碳現(xiàn)象得到部分解決，上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)至17%以上，一氧化碳體積分?jǐn)?shù)將至50×10-6以下。同時相鄰采空區(qū)密閉內(nèi)外壓差降低，壓差由原來的245 Pa 降至39 Pa 以下。

2）通過采取降低礦井負(fù)壓、降低礦井通風(fēng)阻力、加強(qiáng)井上下堵漏、減少采空區(qū)遺煤、加快工作面推進(jìn)速度以及加強(qiáng)采空區(qū)密閉管理等措施，85210 上隅角低氧高一氧化碳現(xiàn)象得到有效解決，保證了工作面的安全回采。

5 結(jié) 論

1）85210 工作面回采結(jié)束后，在密閉黃土填充層內(nèi)加注高分子材料，最后在密閉外側(cè)進(jìn)行噴漿，最大限度地減少密閉漏風(fēng)。解決了采空區(qū)地表部分裂隙封堵困難，在巷道較大負(fù)壓作用下，采空區(qū)封閉后聯(lián)巷密閉內(nèi)外壓差較大，漏風(fēng)嚴(yán)重的問題，提高采空區(qū)封閉質(zhì)量。

2）85210 采空區(qū)永久封閉后，相鄰采空區(qū)與南翼相鄰采空區(qū)串通，漏風(fēng)隱患增強(qiáng)。通過對原密閉外進(jìn)行重新加固密閉，密閉加固完畢后統(tǒng)一進(jìn)行噴漿，最后實施注氮惰化南翼整個采空區(qū)的防滅火措施，防止相鄰采空區(qū)永久防火密閉漏風(fēng)，消除了采空區(qū)自然發(fā)火隱患現(xiàn)象的發(fā)生。

3）通過改進(jìn)85212 工作面設(shè)計，減少聯(lián)巷或不留聯(lián)巷，減少了生產(chǎn)期間采空區(qū)遺煤，同時相鄰工作面留設(shè)足夠距離的隔離煤柱。保證了工作面生產(chǎn)期間上隅角不出現(xiàn)低氧高一氧化碳。