采空區(qū)高溫點判斷原理及治理一氧化碳超限技術(shù)

牛永壽 李小波 關(guān)景順 常小軍

摘 要：青崗坪煤礦42106工作面末采掛網(wǎng)時出現(xiàn)CO氣體嚴重超限，正確分析CO氣體的來源和采空區(qū)高溫點的位置，對迅速治理CO超限，保障礦井的安全至關(guān)重要。本文介紹了高溫點位置的原理，分析了科學注氮治理CO氣體超限的方法和效果。

關(guān)鍵詞：CO超限;采空區(qū)高溫點;液氮;增加注氮量

中圖分類號：TD752.2文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）01-0054-03

Abstract： It is very important to analyze the source of CO gas and the position of high temperature point in goaf for the rapid control of CO overrun and the safety of the mine. This paper introduced the principle of analyzing the position of high temperature point， the method and effect of scientific nitrogen injection to control CO gas over limit.

Keywords： carbon monoxide overrun;goaf high temperature point;liquid nitrogen;increase nitrogen injection

煤礦工作面一氧化碳（CO）氣體超限后，分析CO氣體超限的原因，正確判斷采空區(qū)高溫火點位置，對采取對癥措施治理CO氣體超限非常重要。但目前，判斷采空區(qū)高溫點的位置比較困難，導(dǎo)致國內(nèi)外很多礦井治理CO超限時，一一實施了所有能實施的防滅火技術(shù)，既加大了治理成本，又不能采取針對性的關(guān)鍵技術(shù)，導(dǎo)致治理失敗。青崗坪煤礦正確判斷了工作面采空區(qū)高溫點的位置，采取針對性的治理措施，快速治理了CO氣體超限，其方法值得其他煤礦參考。

1 工作面CO氣體情況

青崗坪煤礦42106工作面傾斜長度為150 m，走向長度為1 700 m，工作面即將撤架。工作面回采4-2煤層，煤層厚度在8.5 m左右，采用綜采放頂煤開采，采高3 m，放頂厚5.5 m左右。工作面采用U型通風，配風量為1 500 m3/min，工作面絕對瓦斯涌出量為10～20 m3/min，采用煤層預(yù)抽、高位鉆孔、采空區(qū)埋管、上隅角氣室抽放等技術(shù)防治瓦斯。煤層具有自然發(fā)火傾向，一般自然發(fā)火期為3～6個月，最短自然發(fā)火期為48 d。

工作面在末采掛網(wǎng)過程中出現(xiàn)CO氣體超限，工作面進風隅角附近支架的CO濃度達到52×10-5 mg/m3，10號支架上部CO濃度達到40×10-5 mg/m3，表明采空區(qū)已經(jīng)存在高溫點。

2 高溫點位置判斷原理

2.1 判斷CO氣體是否來自工作面外部

當工作面CO氣體超限后，首先應(yīng)判斷CO氣體是否來自外部的采空區(qū)。經(jīng)分析，認為青崗坪煤礦42106工作面CO氣體為本工作面采空區(qū)浮煤劇烈氧化生成的，理由如下。

第一，42106工作面沿推進方向的左側(cè)為42104老采空區(qū)，右側(cè)為原始煤層，上部沒有老采空區(qū)，因此唯一可能進入本工作面的地點為42104老采空區(qū)。但是，老采空區(qū)經(jīng)連續(xù)監(jiān)測，沒有CO氣體，工作面四周也沒有小窯采空區(qū)，因此CO氣體來自外部的可能性很小。

第二，工作面10號支架的CO氣體濃度逐漸上升，不是時高時低，有固定的增量，符合煤層氧化生成CO氣體的規(guī)律，因此10號支架尾梁的CO氣體是由本工作面采空區(qū)浮煤氧化生成的[1]。

2.2 根據(jù)CO氣體出來的位置判斷

工作面10號支架架縫出現(xiàn)的CO氣體的濃度為40×10-5 mg/m3，表明高溫點就在工作面進風隅角至10號支架之間，位置離支架較近，在10 m左右，理由如下：①根據(jù)采空區(qū)的漏風弧線可知，只有這一帶的浮煤劇烈氧化，才能導(dǎo)致10號支架出現(xiàn)CO氣體，而其他地點出現(xiàn)的CO氣體，均從此地點運移過去;②工作面進風隅角出現(xiàn)CO氣體，只有離進風隅角近的地點，其高溫浮煤生成的CO氣體才可能擴散到進風隅角;③根據(jù)處理50多次高溫火點的經(jīng)驗，一個工作面同時出現(xiàn)兩個以上高溫點的可能性幾乎沒有，因為只要第一個高溫點出現(xiàn)，工作面的CO氣體就會超限，礦井就會采取嚴格的防火措施，以杜絕第二個高溫點的出現(xiàn)[2]。

2.3 根據(jù)煤層最短自然發(fā)火期判斷

42106工作面所采煤層的最短發(fā)火期為48 d，煤層自熱（發(fā)生劇烈氧化）的時間為20 d左右。工作面掛網(wǎng)以來，25 d僅推進10 m，支架后部采空區(qū)12 m以里的浮煤已經(jīng)達到其自熱時間[3]。

2.4 根據(jù)采空區(qū)自然發(fā)火立體三帶判斷

根據(jù)工作面CO出現(xiàn)的位置，判斷高溫點位于支架后方12 m以內(nèi)，但支架后方12 m屬于采空區(qū)自然發(fā)火三帶冷卻帶的范圍，浮煤一般不會劇烈氧化，因此判斷采空區(qū)還存在一個垂直自然發(fā)火三帶。42106工作面垂直自然發(fā)火三帶的考察結(jié)果為：采空區(qū)垂直冷卻帶位于工作面底板上方4 m以下高度，垂直氧化帶位于工作面支架上方4～16 m的高度，支架上方16 m以上高度為垂直三帶的窒息帶，又根據(jù)煤層厚度為8.5 m，鎖定采空區(qū)高溫點的高度位置在底板以上4～8.5 m的垂直氧化帶內(nèi)。

2.5 根據(jù)防火措施判斷

42106工作面綜采放頂煤開采易燃特厚煤層，其最有效的防火方法為采空區(qū)科學注氮防火，礦井前期雖然對工作面實施了采空區(qū)注氮，但還存在如下問題：①工作面注氮流量為1 200 m3/h，這個注氮流量對于正常推進的工作面能有效防火，工作面推進1 500 m，以此注氮流量注入采空區(qū)，采空區(qū)的CO氣體濃度均低于10×10-5 mg/m3，保障了工作面的防火安全，但在工作面掛網(wǎng)期間，月推進度不足20 m時，顯然這個注氮流量偏小;②采空區(qū)埋管注氮的地點位于工作面下隅角以里30 m和60 m，這個注氮地點對于正常推進的工作面注氮有效，但對于月推進度不足20 m的工作面，進風隅角以里30 m以內(nèi)的浮煤注不到氮氣[4]。

3 治理措施

3.1 采空區(qū)科學注氮

所謂科學注氮，就是必須根據(jù)采空區(qū)的漏風狀況、氮氣的用途和工作面的推進度隨時調(diào)整注氮流量、注氮地點和輸?shù)軓健?2106工作面采空區(qū)目前的氮氣防滅火發(fā)生了如下變化：①用途從防火轉(zhuǎn)為抑制采空區(qū)已經(jīng)劇烈氧化浮煤進一步氧化自燃;②工作面推進度從每月80 m變?yōu)槊吭?0 m;③進風隅角以里出現(xiàn)了高溫點，此地點漏風增大。為了達到科學注氮防滅火的目的，工作面的注氮流量、注氮地點和輸?shù)獨夤軓骄淖僛5-6]。

3.1.1 增加采空區(qū)注氮地點。前面已經(jīng)分析，現(xiàn)有注氮地點不能到達工作面進風隅角至進風隅角以里12 m的高溫浮煤范圍，為此，除了繼續(xù)保持原有的下隅角以里30 m和60 m處的埋管注氮地點外，還必須增加一個進風隅角以里10 m的注氮地點。由于臨時埋管已經(jīng)來不及，因此，采用打鉆孔注氮，其方法為：在工作面撤架的絞車洞室向進風隅角以里打鉆，鉆孔位于工作面下隅角以里10 m，鉆孔下Φ50 mm套管，封孔，通過鉆孔向采空區(qū)連續(xù)注氮，注氮流量為800 m3/h，達到降低工作面下隅角以里高溫浮煤氧濃度的目的[7]。

3.1.2 支架上方目標注氮。目前，10號支架架縫出現(xiàn)的CO氣體的濃度為40×10-5 mg/m3，所以不能排除10號支架上部浮煤出現(xiàn)劇烈氧化，為此向9號到10號支架之間上部打鉆孔1個，鉆孔位于支架尾梁上部1 m，鉆孔下2.54 cm套管，通過鉆孔向支架上部注氮，注氮流量為400 m3/h，達到降低支架上方浮煤氧濃度的目的[8]。

3.1.3 注液氮增加氮氣流量。青崗坪礦的制氮機按照工作面防火能力設(shè)置，為地面兩臺流量為800 m3/h的制氮機?，F(xiàn)在，兩臺制氮機的實際總制氮流量只有1 200 m3/h。按照抑制采空區(qū)已經(jīng)劇烈氧化浮煤的注氮流量計算，需要再加大1倍注氮流量。但是，礦井要增加兩臺制氮機最少2個月的時間，根本難以滿足治理工作面CO氣體超限的需要。為此，礦井采取了注液氮增加注氮流量的方法，注液氮的流量為1.5 m3/h，可汽化成氮氣1 200 m3/h，工作面的總注氮流量由原有的1 200 m3/h增加到2 400 m3/h。

3.2 注水降溫

向高溫可疑區(qū)打3個鉆孔以注水降溫，鉆孔分別位于進風隅角、5號支架上部和10號支架上部，終孔位置位于支架后上部5～7 m。鉆孔下直徑為50 mm的套管，封孔，通過鉆孔向采空區(qū)注水，使這一帶的浮煤始終保持濕潤狀態(tài)[9-10]。

3.3 注瑞克堵漏材料

瑞克堵漏材料由樹脂和固化劑兩種組分組成，可廣泛應(yīng)用于煤礦井下密閉墻充填、冒頂區(qū)充填，以及采煤工作面進回風隅角封堵等防滅火工程。使用時，樹脂和固化劑按一定比例經(jīng)專用氣動注漿泵混合均勻后可迅速發(fā)生反應(yīng)，快速膨脹并固化，形成穩(wěn)定的高倍數(shù)隔氣性泡沫，同時具有良好的柔韌性和突出的阻燃抗靜電性能。與傳統(tǒng)羅克休等高分子材料相比，該材料具有反應(yīng)溫度更低、阻燃性更強等優(yōu)勢。其堵漏特性為：膨脹系數(shù)高，阻燃性能優(yōu)越，具有良好抗靜電性能;反應(yīng)溫度低，不易積聚熱量;附著力強，黏結(jié)強度高;泡體性能穩(wěn)定、耐候性持久;發(fā)泡速度快，快速密閉堵漏;新型樹脂材料，對人體及環(huán)境友好無污染，可大面積使用。

瑞克堵漏材料的堵漏方法為：兩種材料經(jīng)壓風送到混合器后，再經(jīng)噴槍壓入上、下隅角內(nèi)的采空區(qū)，在采空區(qū)內(nèi)迅速反應(yīng)膨脹30倍，形成堵漏的固體，固體一方面充填采空區(qū)內(nèi)的空隙，另一方面與上、下隅角煤壁和支架尾梁凝結(jié)在一起，嚴密地將上、下隅角堵嚴[11-12]（見圖1），工作面經(jīng)過注瑞克堵漏材料后，大大減少了采空區(qū)的漏風情況。

4 防火效果

42106工作面CO氣體超限治理取得了很好的效果，圖2為治理措施實施后O2濃度變化圖。從圖中可以看出：下隅角以里2 m處O2濃度僅2 d時間就降到了5%以下，浮煤沒有氧化條件，再也不會自然發(fā)火。治理措施使采空區(qū)CO氣體消失，保障了42106工作面未因采空區(qū)CO氣體超限而被迫封閉，安全完成了工作面的掛網(wǎng)和撤架[13]。

5 結(jié)論

①42106工作面采空區(qū)CO氣體超限的原因是工作面末采掛網(wǎng)推進度太慢，架后浮煤長期氧化產(chǎn)生高濃度CO氣體。

②42106工作面采空區(qū)高溫點的位置位于1～10號支架后方、距離支架尾梁0～12 m范圍的采空區(qū)，高溫點的高度為底板以上4～8.5 m。

③采用增加注氮地點、增加液氮汽化的注氮流量、加強采空區(qū)堵漏和高位鉆孔注水等綜合治理措施，有效抑制了采空區(qū)高溫浮煤的繼續(xù)氧化，保障了工作面的安全掛網(wǎng)和撤架。

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