综采工作面上隅角CO积聚特征与成因分析

顾根龙

（大同煤矿集团挖金湾煤业有限责任公司，山西 大同 037042）

综采工作面上隅角CO超限在国内煤矿是一种比较常见的情况，但是由于各煤矿的地质条件差异性及其所采用的开采方式、装备各不相同，因此造成CO积聚的原因也各不相同[1]。为此，以挖金湾煤业公司8101综采工作面上隅角CO超限问题为工程背景，进行CO浓度测试和来源分析，得出CO气体主要来源和积聚特征与规律，并提出相应治理措施，为相似地质条件矿井的CO超限治理提供参考。

1 工程概况

挖金湾煤业公司8101综采工作面采用综合机械化一次采全高开采工艺，在正常的工作面回采过程中，工作面上隅角常出现CO超限现象。经过探测和分析，工作面采空区仅出现了“散热带”，因此采空区不存在自燃问题，工作面上隅角CO积聚问题不是采空区自燃所致。

2 CO来源分析

2.1 工作面CO涌出测试

由图1和表1可以看出，上隅角CO浓度在5月3日开始升高，至7日浓度达到最大值，浓度为0.0048%，7日以后浓度迅速下降至0.0026%，之后基本维持在0.0026%上下处于不断波动变化趋势，仅20日后有小幅度提高，但浓度很快又降下来；下隅角的CO浓度在5月的4开始明显提高，并于6日第一次达到极值，浓度为0.0024%。此后，基本维持在0.0024%上下处于不断波动变化趋势，但在21日浓度达到最大值，浓度为0.0037%，此后浓度很快又降下来。通过具体数据可以发现，上下隅角CO最低浓度分别发生在5月3日和5月4日，其值为0.0007%和0.0005%，最高浓度则分别出现在5月7日和5月21日，其值为0.0048%和0.0037%。上下隅角CO的浓度波动明显，上隅角波动幅度较大，回风巷道侧的CO浓度明显高于进风侧，而O2的浓度则比较平衡且稳定。总体分析得知采空区O2的浓度基本稳定在较高值，O2含量的存在引起采空区散煤的低温氧化反应生成CO是工作上下隅角CO的浓度超限的主要原因之一。

图1 探头测试的数据

对上面数据进行分析，其数值特征如表1所示。

表1 数据特征

2.2 隔离煤柱CO涌出测试分析

在煤柱内进行钻孔测试，钻孔数量2个，孔径42mm，孔深10m，孔间距25m，封孔深度5m，钻孔布置图如图2所示。

通过对回风巷的隔离煤柱在自燃过程中产生的一氧化碳进行收集，同时采用色谱仪测试[2-3]。

图2 隔离煤柱钻孔布置图

为了便于分析，建立基于钻孔位置的坐标轴，坐标轴的原点为支架的切眼，坐标轴的方向为工作面回采的方向。根据这一预设可以知道，当工作面尚未推进到钻孔位置时，其相对于钻孔的位置为负，工作面向前推进并通过钻孔时，其位于坐标轴的正半轴，此时钻孔处于采空区范围。根据这一预设，分别绘制钻孔1和钻孔2的CO浓度位置图，如图3所示。

图3 钻孔处CO浓度与工作面推进的关系

由图3可知，当工作面推进至距离1#钻孔越近的时候，钻孔位置的隔离煤柱在工作面支撑前后，所释放的CO变化较大，主要体现在CO的浓度变化上。在-40～ -10m之间，其处于围岩应力带，释放的CO浓度波动小，可以视为恒定；在-10～0m范围内，其处于支撑压力带，此时CO释放量明显增加；在0～10m的区间，隔离煤柱部分处于卸压带，直接顶冒落。因此可以认为，隔离煤柱在支撑压力的作用下，发生的塑性变形，造成裂隙的扩张和发育，使得采空区CO泄漏涌出是造成CO浓度超限的原因之一。

2.3 CO来源汇总

通过上述测试和分析，可以得出CO的来源主要有以下几点：

2.1 两组安全性评价 结果(表2)表明：两组患者发病90 d各有2例死亡；两组患者间出血性脑梗死、其他重要脏器出血、发病90 d死亡率及发病90 d mRS(0～2分)差异均无统计学意义。

（1）低温氧化，采空区的遗留煤炭在漏风的作用下，经过低温氧化产生了部分CO；

（2）煤柱裂隙，在工作面回采过程中，隔离煤柱在矿压的作用下产生裂隙，从而氧化生成CO；

（3）新露出的煤壁氧化，在回采过程中，采煤机的截齿将煤壁不断截割，从而露出新的煤壁，新的煤壁氧化过程中，释放CO。

3 CO积聚特征分析

3.1 CO浓度变化规律

将8101工作面的上隅角进行如图4所示的区域划分[2,4]，图中所示的水平测量面，为距离底板1800mm的水平面，垂直面为回风巷道的外侧巷帮。并利用一氧化碳便携仪在各个点进行浓度检测，测试结果如图5所示。

图4 测点区域划分

图5 测试数据

由图可以看出，CO浓度越靠近采空区和煤壁越高，并沿着工作面方向和回风巷方向逐步降低。CO浓度最高值为0.003%，最低值为0。煤壁巷帮处的CO浓度变化的规律大概为：采空区一侧较高，并沿着巷道方向递减；底板附近浓度较高，并随着高度升高浓度逐渐递减。具体而言，其分布规律为：

（1）在水平面上，从上隅角立柱开始，CO浓度最高，并以扇形发散向工作面和煤壁，CO浓度逐步降低。

（2）在隔离煤柱一侧的垂直面上，从上隅角开始，CO浓度最高，沿工作面回采方向，CO浓度逐步降低，在垂直方向上，随着高度的降低，CO浓度逐步升高。

3.2 成因分析[3-4]

气体测试和分析情况表明，工作面空气压力从上隅角向采空区和支架方向呈下降趋势，且压力差较大，在U型通风时，上隅角会产生涡流，产生的CO不易排除，因此出现积聚的情况。

4 治理措施

根据前两部分对CO的来源及其积聚原因分析，提出如下治理方案和措施[4-5]：

（1）喷洒阻化剂。在上下隅角区域范围内喷洒阻化剂，氯化镁是目前较常见的阻化剂，在前述分析中提到的CO浓度高的区域喷洒阻化剂，通过隔断O2，减缓低温氧化进程，从而降低CO浓度。因此采用浓度为18%左右氯化镁，对工作面上隅角、隔离煤柱和采空区等CO涌出区域进行喷洒，从而延缓氧化反应的发生过程，达到降低CO浓度的目的。

（2）压注水泥浆。在隔离煤柱上进行钻孔，孔径30mm，孔深500mm，行间距1100mm，列间距1500mm。钻孔施工完成后，利用外径27mm的不锈钢管进行注浆封孔，注浆材料为水泥浆，配比以水和水泥按照质量1:1的比例。待浆液搅拌均匀后，利用气动注浆泵进行注浆，对隔离煤柱进行堵漏，从而实现对隔离煤柱裂隙的封堵，达到减小暴露面积，减少CO生成量的目的。

（3）加设风帘。上隅角处的支架和煤柱之间的区域属于易漏风区域。通过在支架的顶梁上焊接套管，将横杆穿过套管并固定在套管上，将风帘挂在横杆上。套管作为风帘的支点，可以使风帘能够方便的外伸和回收，当采煤机机组割煤至机尾时，将风帘及时收回，待三角区的煤壁完成截割后，又可将风帘及时伸出，从而方便快捷的减少了漏风。

（4）同时还可以利用风帘引导主风流到涡流区域，从而稀释积聚的CO。

5 结论

（1）通过对该工作面CO可能积聚的区域进行测试和分析得知，CO的来源主要是遗煤氧化、隔离煤柱裂隙中的氧化、回采过程中新暴露的煤壁的氧化等产生的CO，并释放积聚到上隅角。

（2）通过对工作面CO涌出测试分析得出了工作面上下隅角CO浓度变化规律特点。上下隅角最低浓度分别发生在5月3日和5月4日，其值为0.0007%和0.0005%，最高浓度则分别出现在5月7日和5月21日，其值为0.0048%和0.0037%。上下隅角CO的浓度波动明显，回风巷道侧的CO浓度明显高于进风侧，而O2的浓度则比较平衡且稳定。

（3）隔离煤柱CO涌出测试分析，得出了钻孔处CO浓度与工作面位置拟合函数关系。

（4）分析工作面上隅角CO浓度超限本质原因是由于工作面气体压力从上隅角向采空区和支架方向呈下降趋势，且压力差较大，U型通风上隅角会产生涡流所致。

（5）根据工作面上隅角CO浓度超限产生原因，从抑制产生、改善排放等方面进行治理，提出了喷洒阻化剂、挂风帘、喷涂黄泥灌浆等措施，为相似地质条件矿井的工作面CO超限治理提供了参考。