德顺煤业10105工作面防CO超限及安全启封技术研究

2019-04-09李创进贾建文曹永安郭文军

煤矿现代化 2019年3期

李创进，贾建文，曹永安，郭文军

（山西孝义西山德顺煤业公司，山西孝义 032300）

1 工作面概况

山西孝义西山德顺煤业是一座资源整合矿井，矿井位于孝义市驿马乡申家沟村，井田面积4.3601km2，主采煤层9、10、11号，矿井绝对瓦斯涌出量为1.43m3/min，相对瓦斯涌出量为1.20m3/t；二氧化碳绝对涌出量为2.22m3/min，二氧化碳相对涌出量为1.86m3/t。10105工作面位于矿井一采区北翼中部，东邻已回采的10103工作面，西邻已回采的10107工作面，南为矿井轨道运输大巷，北邻杨家圪垛村庄保护煤柱，上覆为9号煤层小窑破坏区，层间距约3.5m左右；工作面切眼长度190m，走向长度530m，主要开采9号煤层，9号煤层平均厚度1.5m左右，为特低灰-中灰、中高硫-高硫分、特高热值的肥煤及1/3焦煤，9号煤层均为二类自燃煤层，自燃发火期81天。

2 工作面CO超限经过及采取措施

2017年5月18日，德顺煤业10105工作面回风上隅角开始出现CO，浓度为17ppm，至9日CO浓度上升至36ppm，此时工作面支架尾部采空区CO浓度达到50～450ppm，并呈逐渐上升趋势，出现自然发火征兆，于5月21日进行了封闭。在封闭后，先后采取了“堵漏风、注氮气惰化、注液态二氧化碳惰化”等一系列措施，并加强封闭区气体的监测监控。

2.1 堵漏风

1）巷道喷浆，对9#煤轨道大巷进行喷浆处理，喷浆厚度50～100mm，喷浆长度40m。

2）密闭加固堵漏，对所有与10105工作面可能存在相通的密闭重新加固，共加固密闭22个。

2.2 注氮气惰化

图1 注氮期间气体含量变化

通过10105正巷密闭措施孔向10105工作面采空区注入氮气，从5月25日开始至9月25日，累计注入氮气14625m3，注氮期间10105副巷内气体浓度变化如图1所示。封闭区O2浓度已降至5%以下，CO浓度降至30ppm以下，并呈逐步稳定趋势，而注氮虽能快速降低采空区氧气浓度，但其降温效果极为有限，同时封闭区域情况变化比较复杂，并受到检测取样条件的限制，以及封闭区内气体运移规律变化的影响，所观测和分析的结果可能会有偏差或遗漏，启封时极易发生复燃。为保证启封的顺利实施，因此在降氧窒息的同时必须结合降温措施，根据目前工作面井上下实际施工条件和国内外防灭火技术现状，向10105工作面采空区注入液态二氧化碳。

2.3 注液态二氧化碳惰化

液态二氧化碳较氮气相比，具有吸附能力强、抑爆性强、惰化效果好及气体纯度高等优点，且制取简单、储运方便可靠，灭火时兼有窒息火源、冷却降温的优良性能，在国内外都有成功的应用。运来的液体二氧化碳通过转贮、汽化、稳压过程，在地面转换成适度压力的气态二氧化碳，依靠现有的管线注入封闭区域，其注入流程如图2所示。

图2 二氧化碳注入流程

液态二氧化碳及其气化装置布置在副斜井工业广场，转换后的气态二氧化碳通过副斜井预留的6吋备用排水管（470m）进入井底车场，与3吋管路（200m）相连至10105副巷闭前三通阀门，从而与预留的观察孔和25mm高压胶管（该胶管直接通至采空区支架顶部）相连至10105工作面封闭区。在密闭外管路连接如图3所示。

图3 二氧化碳管线密闭处连接图

截止2017年10月27日共注入二氧化碳634.32吨计405964.8m3，平均日注入量20.46吨13095.6m3，二氧化碳注入后的变化：

1）温度变化。汽化器出口-40～-30℃的二氧化碳气体在-10～-13℃进入斜井，在斜井行约80m处复温至0℃，管道外壁结霜消失，气体达到闭前温度18～20℃进闭，并在闭内副巷形成19℃低温环境，与注氮相比温度降低4～5℃。

2）闭内惰化情况变化。二氧化碳气体入封闭区2小时副巷氧气含量有1%以内的小幅上升，一氧化碳含量由注入前的21ppm以2～3ppm/h的速度在20小时后上升至高点80ppm，而后开始下降，至9月30日一氧化碳含量稳定在10～12ppm，10月3日后由于二氧化碳供应不足一氧化碳含量开始回升并在50～60ppm位置徘徊，同时副巷氧气含量也有约1%以内的上升，为减少二氧化碳供应不足带来的系统反弹10月10日密闭充氮开始，闭内各项指标开始恢复并达到平稳。正巷停注氮开始注入二氧化碳后氧气含量由4.6%开始升高，14小时后达到高点7.7%开始下降，并于40小时后恢复至注氮前4～5ppm，一氧化碳含量由注入前的1ppm以1.5～2ppm/h的速度在30小时后上升至高点55ppm，而后微降停留在40～50pp区间，以后与副巷一样在二氧化碳注入减少的情况下氧气含量也有约21%～3%以内的上升，一氧化碳含量回升到60～70ppm，10月10日密闭充氮开始后正巷氧气、一氧化碳含量迅速下降，氧气含量在3%～4%之间稳定，一氧化碳含量下降到10ppm以下。注二氧化碳期间气体含量变化如图4所示。

3）二氧化碳注入效果分析。二氧化碳低位充填效果好，注入2小时后在距注入点400m和520m的检测点均可感受到低比重气体被置换的效果。

从二氧化碳注入过程引起的短时一氧化碳和氧气含量升高可以判断密闭中煤炭缝隙及煤炭吸附的氧气、一氧化碳得到了充分置换，经过一个月的维持二氧化碳已对暴露煤炭形成了较好的保护。

由于二氧化碳入闭温度18～20℃，以传导方式对煤壁冷却效果有限，但从75mm和25mm二氧化碳入闭比例上看，25mm高压管二氧化碳有充分的流量通过，密闭内疑是高温区通过对流方式得到了较好的冷却。

注入二氧化碳闭内指标气体含量变化较大，其闭内乙烯全部、一氧化碳大部分和部分氧气来源于二氧化碳产品，给封闭区内情况判断带来一定困难，在分析封闭区内气体时应考虑扣除注入的二氧化碳气体中的原始指标气体含量。

2.4 加强监测监控

安排专人通过预留的束管采样点（其中10105副巷采样点距切眼约10m，10105正巷束管采样点距切眼约100m）对10105工作面两道密闭内气体定时采集气样，并送地面进行色谱分析。

3 工作面启封具备的条件

根据《煤矿安全规程》规定，当封闭的火区满足如下条件时，可认为该区域火源已熄灭：①火区内空气温度下降到30℃，或者该区域的日常空气温度与发生火灾之前相同；②火区内的氧气温度降低到5.0%以下；③火区内空气中不含有乙烯、乙炔，一氧化碳浓度在封闭期间内逐渐下降，并稳定在0.001%以下；④火区内的出水温度低于25℃，或该区域的日常出水温度与发生火灾发生之前相同；⑤以上4项指标持续稳定的时间在一个月以上。

10105工作面自2017年5月21日重新封闭后，从8月17日起各项指标持续稳定，虽然气体浓度在注入液态CO2后有所反复，但其变化趋势与所注入液态CO2所含成分及浓度呈高度一致性，并考虑到CO2吸附置换、气体运移以及取样时间差等方面影响，综合分析可知：封闭区实际各气体浓度均呈稳定下降趋势，均达到《煤矿安全规程》相关规定，且稳定时间已超过1个月，可认为火已熄灭，具备启封的条件，可实施启封。对该封闭区域首先进行逐段锁风侦察，待确认封闭区域无异常或对异常区域实施处理后实施启封工作。

4 启封方案

4.1 10105工作面侦察及启封步骤

图5 10105工作面侦察及启封流程

10105工作面侦察及启封方案流程如图5所示，在相关准备工作完成后进行工作面的启封，相关步骤如下：

1）打开10105副巷密闭，综合分析井下通风、运输以及启封前各种气体浓度等情况，只有当密闭内外CH4浓度均小于1%，方可对10105副巷密闭进行破闭侦察工作。该副巷密闭距离巷口较近，无法在原密闭外构筑临时密闭实现锁风启封，救护队在原密闭打开约1m×1.5m进入封闭区后即刻用风筒布重新封堵，以形成锁风状态。

2）封闭区侦察，火区侦察内容：救护队员进入封闭区后，要每隔10m左右测定瓦斯、一氧化碳浓度以及空气温度和煤壁温度，在行进过程中也要不断观察是否有气体浓度、温度等异常情况出现，如果有，要单独做好记录，记录出现的异常情况并标明地点。进入工作面区域后，还要测量液压支架温度以及观测其损坏情况；另外还要观测巷道支护和积水情况，做好相应记录。

3）恢复10105工作面全负压通风。如果救护队员侦察结果显示封闭区没有复燃的迹象，由救护队员逐渐拆除10105副巷和正巷密闭，并最终恢复由10105副巷进风、回风顺槽回风的全风压通风状态。

4）气体排放，10105工作面采空区开采长度为190m，推进长度为70m，采煤高度为1.50m，体积约为10000m3（假设其孔隙为0.5）；两个顺槽的长度均取500m，宽度取3m，高度取2m，则体积约为6000m3，合计16000m3；同时考虑到上覆邻近9号煤层采空区层间气体运移的影响（安全系数取3），则10105工作面封闭区体积按48000m3计。

在10105封闭期间，由于注入大量的N2和CO2气体，为防止封闭区内气体在全风压通风状态下N2和CO2以及CH4瞬时大量涌出，在拆除10105正巷密闭过程中应逐步开大，调节10105正巷与回风大巷的调节风门打开的大小，控制好10105工作面风量的分配，确保风流汇合点之后15m以外CH4和CO2浓度不超过1.0%。

5）闭区清理工作，对封闭区巷道进行清理工作，包括火源点清除、巷道杂物清理、胶带清理、电缆清理等工作。

6）恢复工作面正常通风状态，在启封完成3天内，检测回风流中一氧化碳、甲烷浓度和风流的温度，如确认封闭区完全熄灭，再根据工作面正常生产所需要的风量，对10105工作面进行调风，恢复工作面正常生产通风状态，配风量应采取由小到大的顺序，逐步增加，并转入恢复生产工作。

4.2 启封过程中异常情况应对措施及启封后防止复燃措施

在进入封闭区进行侦察过程中如发现封闭区存在局部氧化区，则在实施启封后进行架间插管注胶降温处理；如发现氧化区CH4≥1%或温度异常（超过70℃）等情况则可在架间插管并安设好管路后，在副巷靠近工作面合适位置重新封闭，在密闭外进行注凝胶处理。

启封后需做如下工作：加强通风管理，减少向采空区漏风；对开始出现CO异常涌出地点实施架间插管注凝胶，以消除该区域复燃的隐患，并形成隔离带减少漏风，注入量以胶体渗出到工作面为；加快工作面推进速度；注氮防灭火，调整注氮管路布置系统，在10105工作面副巷上隅角预设注氮管路，待其注氮口进入采空区后实施开放式注氮防火；加强监测，加强通风安全监测系统的日常管理。