王有發(fā)

(陜西省何家塔煤礦，陜西 榆林 719000)

CO氣體具有敏感性和易檢測性的特點，是預測預報煤層自然發(fā)火的主要指標氣體[1]。國內很多煤礦在生產期間，綜采工作面上隅角都出現(xiàn)過CO不同程度的超限現(xiàn)象，由于開采技術、開采裝備及地質條件的不同，CO超限往往是多種原因綜合產生的結果[2-6]。

本文以陜西省何家塔煤礦5-2煤層50105綜采工作面上隅角CO超限及治理為工程背景，深入分析了CO的來源，研究了綜采工作面上隅角CO積聚的原因，并提出了綜合治理措施，對礦井安全生產具有重要意義。

1 工程概況

何家塔煤礦5-2煤層為I類易自燃煤層，自然發(fā)火期為46d。煤層瓦斯成分主要以N2為主，含少量的CO2，該礦井為低瓦斯礦井。

礦井開拓方式為斜井單水平開拓，采用中央并列式通風，布置4條井筒，并形成“三進一回”抽出式通風方法。

礦井回采的50105工作面位于501盤區(qū)東部，走向長度為3800m，傾斜長度為245m，煤層平均厚度3.1m。主要巷道采用“兩巷式”布置，膠帶運輸大巷進風，回風大巷回風，工作面為上行通風，工作面的通風方式為“U”型通風。

50105綜采工作面為綜合機械化一次采全高工作面，在正常推采條件下，采空區(qū)自燃“三帶”中，只出現(xiàn)了“散熱帶”，采空區(qū)自燃的危險性不存在，采空區(qū)遺煤自燃對于工作面上隅角CO濃度超限的影響不顯著，工作面上隅角CO頻繁超限情況與上隅角周圍的采礦環(huán)境、通風條件等有關。

2 綜采工作面上隅角CO來源分析

2.1 工作面上、下隅角CO涌出測試分析

在50105工作面的上隅角和下隅角分別布置了探測采空區(qū)氣體成分的探頭裝置，當工作面推采后，即開始抽采采空區(qū)氣體，由氣相色譜儀分析成分。檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理結果如圖1和圖2所示。

圖1 50105工作面上隅角探頭測試數(shù)據(jù)

圖2 50105工作面下隅角探頭測試數(shù)據(jù)

采空區(qū)測定數(shù)據(jù)特征如表1所示。

測試結果表明，50105上隅角CO濃度在5月3日至5月7日出現(xiàn)增長趨勢，濃度變化出現(xiàn)最大值，5月7日后濃度降低并呈波動趨勢，期間CO最高濃度為0.0049%，最低濃度為0.0009%，平均值為0.0025%。O2濃度較為平穩(wěn)，最高濃度為20.78%，最低濃度為18.25%，平均值為20.04%。

表1 50105工作面采空區(qū)測定數(shù)據(jù)特征

50105下隅角測試CO濃度在5月3日至5月6日呈增長趨勢，5月6日至5月21日期間呈波動趨勢，在5月3日出現(xiàn)最低濃度，5月21日出現(xiàn)最高濃度，21日之后呈下降趨勢，CO最高濃度為0.0036%，最低濃度為0.0004%,平均值為0.0023%。O2濃度較為平穩(wěn)，最高濃度為20.86%，最低濃度為19.94%，平均值為20.35%。

50105工作面上、下隅角CO濃度均有較大波動，上隅角變化波幅較下隅角大，回風端采空區(qū)的CO濃度高于進風端采空區(qū)的CO，采空區(qū)O2濃度較為平穩(wěn)。

2.2 隔離煤柱CO涌出測試分析

對50105回風巷隔離煤柱煤自燃氧化生成CO進行現(xiàn)場觀測，在隔離煤柱上鉆孔收集氣體，用氣相色譜儀進行分析測試。

在50105工作面隔離煤柱內布置2個鉆孔，鉆孔直徑為42mm，鉆孔的深度為10m，鉆孔間距為25m。隔離煤柱寬14.5m，在煤柱中打鉆孔，封孔深度5m，在鉆孔中間插入管并接入1根束管(30m)，鉆孔布置如圖3所示。

圖3 工作面隔離煤柱鉆孔布置

假定工作面推進到1號鉆孔時，支架切眼處為坐標0點，在工作面未推進到鉆孔的距離為負值，工作面推進過鉆孔為正值(鉆孔進入采空區(qū)內)，作圖分析見圖4，同理假定工作面推進到2號鉆孔時，支架切眼坐標為0，作圖分析見圖5所示。

圖4 1號孔測試數(shù)據(jù)

圖5 2號鉆孔測試數(shù)據(jù)

通過圖4、圖5可知：在工作面推進靠近1號鉆孔和2號鉆孔時，隔離煤柱在工作面支承壓力前后，產生的CO濃度出現(xiàn)明顯的變化。在(-50～-20m)之間隔離煤柱中的煤體處于圍巖應力帶，其產生CO的濃度較為穩(wěn)定。在(-20～0m)之間隔離煤柱中的煤體處于支承壓力帶，其CO濃度出現(xiàn)變化并逐漸升高。在(0～20m)的范圍內隔離煤柱的煤體處于卸壓帶中，其直接頂出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，隨后隔離煤柱中的鉆孔進入采空區(qū)內。并由此可得出：隔離煤柱處在支承壓力帶的范圍內，在支承壓力的作用下產生的CO濃度出現(xiàn)明顯的升高。

對1號鉆孔和2號鉆孔中CO濃度與工作面切眼位置進行函數(shù)擬合，所得擬合函數(shù)分別為f1(x)和f2(x)，如圖4和圖5中Poly曲線所示。

CO濃度與支架切眼位置擬合函數(shù)如下：

式中，x為工作面推進與支架切眼的位置關系，x<0表示工作面未推進到鉆孔的距離，x≥0表示工作面推進過鉆孔，即鉆孔進入采空區(qū)內。

2.3 綜采工作面CO來源

通過總結不同位置測定結果，可以歸納50105綜采工作面上隅角CO來源如下：

(1)采空區(qū)遺煤因內部漏風原因，發(fā)生低溫氧化釋放CO，隨漏風風流運動到工作面上隅角區(qū)域。

(2)工作面回風巷隔離煤柱在礦壓作用下，煤柱煤體產生裂隙，與空氣中氧氣發(fā)生反應釋放CO。

(3)回采工作面煤壁，在割煤工藝中，采煤機截齒與煤壁作用，新鮮暴露煤壁發(fā)生氧復合作用，釋放CO。

3 綜采工作面上隅角CO積聚特征及原因分析

3.1 綜采工作面上隅角CO濃度分布特征

在何家塔煤礦50105工作面上隅角區(qū)域進行CO濃度測試，所用儀器為現(xiàn)場檢查用CO便攜儀，檢測時間為下午2點到4點檢修班期間。將上隅角區(qū)域等距分為若干點，在各基點上檢測CO濃度，如圖6所示。

圖6 50105工作面上隅角區(qū)域測點分布

監(jiān)測工作每隔1d測試1組數(shù)據(jù)，共測2個平面的數(shù)據(jù)，分別為上隅角距離底板1.8m水平面和回風巷外壁側豎直平面，根據(jù)CO便攜儀所測讀數(shù)繪制濃度等值線(圖中數(shù)值單位為百萬分率)，測試結果如圖7所示。

圖7 50105工作面上隅角CO濃度等值線

距離底板1.8m水平面檢測數(shù)據(jù)顯示，檢測當天上隅角靠近煤壁和采空區(qū)位置最高CO濃度為0.003%?？傮w規(guī)律為由上隅角靠近采空區(qū)和煤壁側向工作面方向和回風巷方向遞減，最低處為0。

靠近回風巷外側煤壁豎直平面數(shù)據(jù)顯示，檢測當天上隅角最高CO濃度為0.0045%，位置為靠近采空區(qū)1m離底板0.6m處位置。總體規(guī)律為由采空區(qū)側向回風巷方向遞減，靠近底板處比頂板處濃度高。距離采空區(qū)5m處的底板位置CO濃度仍然高達0.0028%，并向上極速遞減，到頂板位置又有所回升達到0.0009%。

通過對50105工作面上隅角CO濃度檢測分析，得到50105綜采工作面上隅角CO濃度分布總體規(guī)律如下：

(1)在回采工作面上隅角的水平面上，從上隅角立柱往工作面煤壁方向，呈扇形發(fā)展，CO濃度由高往低變化。

(2)在回風巷的隔離煤柱附近，沿著垂直剖面，從上隅角往回風巷入口方向，CO濃度呈現(xiàn)由高往低變化；在同一垂直線上，由上往下，CO濃度呈現(xiàn)由低往高變化。

3.2 綜采工作面上隅角空氣壓力及其分布規(guī)律

為了分析在工作面上隅角位置CO氣體積聚的機理，在工作面上隅角位置距離底板1.5m平面上，進行大氣靜壓差測定。

測試儀器及方法：采用精密壓差計和膠皮管，在工作面回風入口附近煤壁布置1個壓力測點，然后將上隅角區(qū)域1.5m高水平面等距分為若干點，分別用壓差計在該點進行測定，以P0為基點測各點與基點的壓差，壓力測點布置如圖8所示，氣壓差數(shù)值分布如圖9所示。

圖8 50105工作面上隅角區(qū)域氣壓測點分布

圖9 50105工作面上隅角區(qū)域氣壓差數(shù)值分布

50105工作面上隅角區(qū)域因為空間位置狹小，忽略掉空氣流動摩擦阻力，則空氣流動主要由兩個方面能量起作用：大氣靜壓能和空氣動能。

(1)大氣靜壓能 大氣靜壓能表現(xiàn)在空間平面上，為兩點之間大氣靜壓差。50105工作面上隅角測定結果表明，在隔離煤柱表面，大氣壓力最大，然后呈三角形，分別向采空區(qū)以及向工作面液壓支架方向順次降低。

(2)空氣動能 沿著工作面切眼方向，在工作面出口位置，風流速度最大，然后通過往回風巷入口拐彎，出現(xiàn)局部阻力，風速降低。

3.3 工作面上隅角CO聚集原因分析

根據(jù)現(xiàn)場測試的CO濃度分布及工作面上隅角空氣壓力分布規(guī)律可知：

(1)50105工作面上隅角區(qū)域CO濃度高出0.0024%情況時有發(fā)生，特別靠近煤壁和采空區(qū)側的CO濃度最高，可達0.0045%，由此往工作面以及回風巷入口方向，CO濃度依次降低。

(2)現(xiàn)場上隅角區(qū)域大氣壓差測定結果表明，工作面隔離煤柱部位大氣壓力最高，壓差呈三角形形狀，依次向采空區(qū)和工作面液壓支架方位，壓差值增大。

(3)上隅角區(qū)域在正常通風條件下，產生渦流，來自采空區(qū)以及煤壁的CO較多，由于渦流作用，在上隅角采煤機機尾設備和液壓支架等區(qū)域，CO不易有效、快速排出，形成了高濃度區(qū)域。

4 治理措施

根據(jù)50105綜采工作面CO來源及積聚原因，再結合現(xiàn)場生產實際，提出了防治CO超限的綜合治理措施：

(1)在回采工作面上下隅角周圍噴灑阻化劑 采用氯化鎂(MgCl2)作為阻化劑，配比濃度為15%～20%，在50105綜采工作面上、下隅角，上隅角隔離煤柱煤壁，液壓支架后方的采空區(qū)噴灑阻化劑。阻化劑可阻止煤炭低溫氧化，隔絕了空氣中的O2與煤分子發(fā)生氧化反應，延遲煤炭低溫氧化反應進程，降低CO產生強度。

(2)減少回采工作面上下隅角漏風措施 在綜采工作面上下隅角前端的支架與煤柱之間掛好擋風簾；當綜采停產24h以上時，在上隅角用珍珠巖袋子進行封堵，減少上下隅角漏風量。

(3)回采工作面上隅角通風排放積聚CO 在工作面機尾位置支架前面傾斜吊掛引導風簾，將部分主風流引導到渦流區(qū)域，稀釋并散放超限的CO。

在工作面回風巷安裝1臺濕式除塵風機，連接一段剛性風筒到工作面上隅角位置，采用負壓抽排方式，將工作面上隅角區(qū)域CO抽排到回風巷。

(4)回采工作面采空區(qū)注氮 在采空區(qū)鋪設注氮管路，注氮機輸出氮氣濃度達到97%以上，每天注氮7h，通過氮氣置換采空區(qū)中的氧氣，降低采空區(qū)遺煤氧化。

(5)黃泥灌漿控制CO的措施 黃泥灌漿漿液水灰比(水∶粉煤灰)為4∶1，泥漿將采空區(qū)碎煤包裹或覆蓋，抑制采空區(qū)遺煤氧化產生CO。

5 結 論

(1)通過系統(tǒng)的工業(yè)測試及分析，查明綜采工作面CO主要由采空區(qū)遺煤氧化釋放CO，隨漏風風流運動到工作面上隅角；隔離煤柱在礦壓作用下產生裂隙，氧化釋放CO；在割煤工藝中，采煤機截齒與煤壁作用，新鮮暴露煤壁發(fā)生氧復合作用，釋放CO。

(2)通過現(xiàn)場測試的CO濃度分布、工作面上隅角大氣壓差分布，可知上隅角區(qū)域在正常通風條件下產生渦流，來自采空區(qū)以及煤壁的CO較多。由于渦流作用、上隅角采煤機機尾設備和液壓支架等區(qū)域，CO不易有效、快速排出，形成了高濃度區(qū)域。

(3)根據(jù)綜采工作面CO來源及積聚原因，制定了抑制采空區(qū)遺煤氧化、加大CO稀釋風量、通風排放積聚CO的綜合治理措施，取得了顯著的效果，保證了礦井的安全生產。