燕子山矿8100 综放工作面CO 超限研判及治理

2021-01-09张倩高宇

山东煤炭科技 2020年12期

张倩高宇

（1.大同煤矿集团同大科技研究院，山西大同 037003；2.大同煤矿集团总调度室，山西大同 037003）

大同煤田从上至下分布有侏罗系、二叠系、石炭系3 个含煤岩系，现多数生产矿井已进入二叠系和石炭系煤层进行开采。由于成煤年代久远，煤层赋存条件复杂，造成的开采问题和隐患较多[1-2]，如瓦斯异常涌出、褶曲断层密集、火成岩大面积侵入、上覆采空区积水积气下泄、地表裂缝引起的矿井外部漏风等。本文以燕子山矿二叠系山西组4#层8100 综放工作面CO 超限事件为例，研判CO 超限原因，并提出了治理措施和方案。

1 工程背景

二叠系山西组4#层8100 综放工作面走向长1599 m，倾向长230 m，平均煤厚5.89 m，煤层自燃等级为Ⅱ级，最短自然发火期84 d，煤尘具有爆炸危险性。工作面共布置134 架支架，配风量为1320 m3/min。此工作面为该盘区第二个工作面，紧临8102 首采综放工作面，中间有30 m 煤柱。自工作面回采以来，平均回采速度为4 m/d，上隅角甲烷、氧气等气体情况稳定。回采至40～100 m 时，上隅角CO 浓度有上升趋势，但均未超过50 ppm，最大为43 ppm，平均21 ppm。回采至100～600 m时，上隅角CO 浓度稳定，最大为55 ppm，平均为28 ppm，采空区20 m 范围内CO 浓度为100 ppm。回采至600 m 时，上隅角及后溜尾CO 浓度增大，最大CO 浓度为132 ppm，采空区内CO 浓度最大为275 ppm。化验分析未出现乙烯（C2H4）、乙烷（C2H2）自然发火标志性气体。回采至700 m 时，上隅角CO 浓度稳定于50～80 ppm，采空区内CO浓度稳定于160～210 ppm，无增大趋势。

2 原因分析

通过对8100 综放工作面进行煤体检测和火成岩侵入及上覆采空区条件分析，得出上隅角CO 超限主要有以下原因。

2.1 煤体氧化反应

根据山西省煤炭工业测试中心出示的同发东周窑山4#煤层自然发火标志性气体及临界值测试报告中分析，当煤体温度达到30 ℃以上时，煤体已经进入氧化反应，产生CO 较其他煤层产生的CO 大。因此此类煤层在低温阶段，猜测其氧化反应也相对剧烈，容易产生大量CO 气体。初步判定上隅角及后溜尾CO 增大主要原因为煤体氧化反应产生大量CO。

2.2 火成岩侵入影响

二叠系山西组4#层煤层受火成岩侵入影响严重，产生的CO 被煤岩层封堵住，在采煤过程中煤体破裂，释放出大量的CO，导致工作面上隅角CO超限。

2.3 上覆采空区CO 下泄

二叠系山西组4#层8100 综放工作面上覆为侏罗系采空区，其中上覆侏罗系13#煤层采空区距8100 综放工作面煤层层间距为300 m。上覆13#煤层为小窑开采，根据对上覆侏罗系煤矿调研分析，其在回采13#煤层时，在8100 综放工作面上覆煤层采区周边CO 浓度较大，与其他小窑有串通的现象，曾发生过煤层自然发火现象。因此，8100 综放工作面CO 超限也可能因上覆采空区CO 下泄造成。

3 治理措施

针对以上三种原因分析，分别对应提出了治理措施和方案，具体如下。

3.1 对煤体氧化反应采取的针对性措施

（1）合理调整综放工作面注氮量与注氮布局。根据现场CO 气体浓度实际情况，对工作面注氮量进行实时调整，确保注氮措施安全可靠。合理安排注氮步距，注氮步距由40 m 缩小至20 m，由原埋设一趟注氮管路增加至两趟，扩大注氮范围，注氮量为 1500～2000 m3/h。

（2）加强喷洒阻化剂管理。在回风巷加装一部阻化喷雾系统，保障综放工作面采空区全面喷洒阻化剂，抑制煤体自然发火。

（3）加快综放工作面回采速度，杜绝因采空区遗煤自燃造成自然发火隐患。

（4）合理调控综放工作面风量。根据综放工作面上隅角及后溜尾实际情况，减少采空区漏风量，合理调配工作面风量。风量调配至1300～1500 m3/min，即确保采空区无自然发火隐患，同时确保上隅角及后溜尾等作业地点氧气浓度符合作业需求。

3.2 对火成岩侵入影响采取的针对性措施

（1）风动风机引流，即利用风动风机将支架内风流引至后溜尾及上隅角，确保后溜尾及上隅角风量充足。同时加强综采队组、通风区及安监部现场员工对风机与风筒的现场维护，保障风动风机的使用与管理。

（2）主扇负压抽排，即在上隅角处铺设直径为600 mm 的负压风筒，沿回风巷顶板铺设至盘区回风巷内，利用主扇负压通过负压风筒将8100 综放工作面上隅角积聚的气体抽至盘区回风巷内。在盘区回风巷内风筒出口设置甲烷、CO 和氧气传感器，随时监测抽出气体的浓度，保证盘区回风巷内气体不超限。

3.3 对上覆采空区CO 下泄采取的针对性措施

（1）合理构筑风障，即在工作面124#与132#支架内构筑两道“I”型风障，同时在后溜尾和回风巷内构造1 道“L”型风障，提高工作面的风流压力，减少上覆采空区气体下泄的浓度，同时将工作面的新鲜风流引至后溜和上隅角区域，保障该区域风量充足。综采队每班安排专人，配合通风区员工对风障的维护。

（2）排查地表裂缝，即对工作面上覆地面进行裂缝排查，对出现的裂缝及时用水泥和黄土封堵，确保地面不漏风。同时，排查矿井周边所有封闭小窑的裂缝，对出现的裂缝观察风流方向和气体情况，并及时用水泥和黄土封堵。

（3）粉煤灰封堵采空区，即在8100 回风顺槽从上隅角沿回风顺槽提前铺设一趟DN100 钢丝缠绕管150 m，在工作面尾端头构筑1组粉煤灰端头封堵。当工作面回采10 m 左右，利用泥浆泵将粉煤灰沿DN100 管路注到采空区内。粉煤灰与甲、乙料的配比为5:1:1，保证注入采空区内的粉煤灰起凝固作用。

（4）在8100 综放工作面对应区域地面上向13#煤层采空区内灌浆。一方面利用泥浆将13#煤层采空区内的着火点尽可能熄灭，另一方面利用泥浆将13#煤层采空区通向山4#煤层的裂缝封堵住。

4 治理效果分析

通过采取以上系列措施后，利用束管监测系统对采空区CO 和O2浓度随采空区距离变化进行分析，其变化规律如图1、图2。由图可知，8100 综放工作面采空区内15～35 m 范围内O2浓度为7%左右，CO 浓度为200 ppm 左右。采空区内O2浓度极低，不存在自然发火情况，CO 浓度比较稳定，没有出现增大的趋势。因此判断最终原因为上覆采空区气体下泄，采取的主要措施为黄泥灌浆与封堵采空区。

图1 8100 综放工作面CO 浓度变化曲线

图2 8100 综放工作面采空区O2 浓度变化曲线

即在地面建立集中灌浆站，通过原小窑井口为小窑采空区空间进行灌浆。灌浆材料采用附近的黄土，泥浆注浆材料配比为1（黄土）:4（水），采用水力取土加压输送制浆方式。因上覆小窑采空区大小范围尚未确定，初次灌浆时，分为三班倒进行连续灌注，灌满为止。以后每周补注浆液两次，每次注浆注满为止，待8100 综放工作面气体异常情况解决后每月补注两次，每次注浆注满为止。截至工作面回采至1000 m 时，上隅角CO 浓度稳定在20～24 ppm，回风流CO 浓度稳定在18 ppm，采空区7 m 处CO 浓度稳定在30 ppm，取得了较好的治理效果。