浅埋深易自燃煤层工作面低氧高一氧化碳防治技术

2021-04-06刘立仁

煤矿安全 2021年3期

刘立仁

（国家能源集团国神三道沟煤矿，陕西榆林719407）

矿井综采工作面上隅角低氧高一氧化碳现象是矿井重大灾害之一，是三道沟煤矿安全生产的重中之重，三道沟煤矿地表沟壑纵横，山梁低谷地貌，采空区地表裂隙回填难度大，同时三道沟煤矿井田南部存在小窑采空区，可能存在采空区串通现象，故三道沟煤矿井下采空区长时间存在漏风现象，在矿井通风负压和大气压的昼夜变化作用下，采空区内低氧气体大量涌出，威胁矿井工作面安全生产，故防止采空区低氧高一氧化碳气体大量涌出的措施手段势在必行[1-3]。

1 矿井概况

三道沟煤矿属低瓦斯矿井，井田内瓦斯含量较低，属二氧化碳-氮气带，井田内各煤层埋藏浅，地层产状近水平，无贮气构造，煤的变质程度低，虽有少量瓦斯溢出，但大多沿岩石裂隙逸散于大气。矿井开采5-2 和5-2 上煤层，煤层属于容易自燃煤层，5-2 上煤最短自然发火期32 d，5-2 煤最短自然发火期35 d，煤尘均具有爆炸危险性。矿井采用分区抽出式通风，由主平硐、副平硐进风，朴牛圪塔回风斜井、大路墕风井回风。

1.1 工作面概况

85210 工作面位八盘区南翼集中辅运巷南侧，西部依次为85208、85206、85202、85204 采空区；东部为5-2 煤煤层合层线，南部为小煤窑采空区。工作面可采长度1 383 m，倾斜长度274 m。地面标高1 182.9～1 298.6 m，底板标高1 070.1～1 085.4 m。工作面地表绝大部分为黄土和第三系黏土覆盖，起伏较大，沟壑纵横，地表松散层厚度23.95～120.46 m，上覆基岩厚度47.1～139.5 m，最薄处在白石岩沟。煤层总趋势是东北高西南低，局部有起伏，倾角1°～3°。煤层厚度5.6～7.01 m，平均6.79 m，中下部含1层夹矸。

1.2 工作面通风系统

85210 工作面采用U 型全负压抽出式通风。85210 工作面为八盘区南翼东部最后1 个工作面，85210 运输巷西侧为85208 采空区，工作面设备布置方式为机轨分离，为保证工作面移变列车在新鲜风流中，工作面通风路线为：副平硐→5-2 煤辅运大巷→八盘区南翼石门→八盘区南翼集中辅运巷→85210 辅运巷→85210 工作面→85210 运输巷→联巷→85208 运输巷→85208 设备列车通道→85208 回风巷→5-2 煤回风大巷→朴牛圪塔回风斜井，185210 工作面通风系统示意图如图1。

图1 85210 工作面通风系统示意图Fig. 1 Ventilation system of 85210 working face

2 低氧高一氧化碳原因分析及问题提出

2.1 问题提出

85210 工作面至2017 年7 月开采以来，工作面上隅角长期出现高一氧化碳低氧现象，一氧化碳最高达87×10-6，氧气最低达12.1%。通过查询以往数据，2013 年至2017 年间85202～85208 工作面开采期间工作面上隅角氧气体积分数均维持在17.8%～20.1%之间，一氧化碳体积分数在11×10-6～32×10-6之间。

2.2 原因分析

关于煤炭自燃的原因，有很多学说解释普遍认可的是煤氧复合作用学说，其主要观点是：煤在常温下吸收空气中的氧气，产生低温氧化，释放热量和初级氧化产物一氧化碳，由于散热不良，热量积聚，温度上升，加速了低温氧化作用进程，最终导致自然发火[4-5]。煤炭自燃必须同时具备以下条件：①煤炭具有自燃的倾向性，并呈破碎状态堆积存在；②连续的通风供氧维持煤的氧化过程不断地发展；③煤氧化生成的热量能大量蓄积，难以及时散失；④以上3 个条件同时存在且时间大于煤炭的自然发火期[6]。

根据85210 工作面及周边采空区基本情况，工作面回采过程中上隅角出现低氧高一氧化碳的原因主要有以下几个方面：

1）三道沟煤矿八盘区南翼煤层埋藏较浅，地表沟壑纵横，山梁和沟谷区域漏风采用人工无法回填，所以八盘区南翼采空区地表漏风通道无法完全消除。同时，矿井八盘区南翼存在小煤窑采空区，采空区相互串通存在漏风通道，使采空区遗煤得到氧化，形成初步氧化产物一氧化碳气体。同时85210 工作面距离朴牛圪塔回风斜井较近，工作面回风巷负压较大，加大了采空区漏风，使采空区内遗煤氧化产生的一氧化碳气体从上隅角处大量涌出。

2）85210 运输巷西侧有回采结束的85208 采空区，两工作面间煤柱宽20 m，联巷间距60 m，每个联巷内距口6 m 处施工一般防火密闭，防火密闭规格为0.75 m 砖墙+1 m 黄土填充+1 m 外砖墙，同时三道沟煤矿5-2 煤层中间距离底板1.2 m 高有1 层泥岩层，泥岩层宽度0.2 m 左右，在工作面回采后联巷密闭及煤柱共计受到3 次压力集中作用，将造成联巷密闭破裂或保护煤柱出现网状裂隙及压裂破碎的煤体，与邻近的八盘区南翼采空区形成连通的漏风通道，因南翼85208～85202 采空区内氧气体积分数均在2.0%以下，一氧化碳均为0，煤层属二氧化碳-氮气带氮气含量十分高，采空区内低氧气体在矿井通风负压和大气压昼夜交替变化的作用下，通过漏风通道流经85210 工作面上隅角，导致上隅角出现低氧现象。

3）经过现场观测发现，上隅角出现低氧高一氧化碳现象时间一般在15:00—20:00 之间，因这段时间地表大气压发生变化，大气压突然变小，井下采空区内常年温度和气压变化不大，故采空区与工作面压差突然增大，导致低氧气体大量涌出。

4）八盘区综采平均采高为6.5 m，工作面两巷道掘进平均高度为4.4 m，导致“两道”遗煤较多，随着工作面的推进逐渐垮落进入采空区，煤体破碎，具备煤氧化自燃的蓄热条件从而使采空区内低氧、高一氧化碳气体较多。

5）85210 运输巷作为工作面回风巷，工作面机头端头架、运输机机头、转载机、破碎机、防尘滤网等设备增加了工作面回风巷风阻，导致工作面路线上通风阻力增加，负压增加，作用于工作面上隅角导致采空区漏风增加。

6）85210 工作面回风通过85208 运输巷、85208设备列车通道和85208 辅回撤通道回风，工作面路线上高负压直接作用于85208 运输巷与采空区联通防火密闭上，使防火密闭内外压差增大，增加采空区漏风和遗煤自然发火隐患。

3 工作面上隅角低氧高一氧化碳治理技术措施

3.1 自然发火预测预报系统

煤自然发火都有从缓慢氧化到加速氧化最终达到激烈氧化的过程，通过煤在不同的氧化阶段产物不同，对煤炭自然发火进行预测预报[7]。

三道沟煤矿井下安装1 套JSG4 红外束管监测监控系统，地面装有1 套SG-2003 矿井自燃火灾束管监测系统，采用人工气体采样分析及束管实时监测相结合的方式对各综采工作面及采空区内的气体进行实时监测。工作面回采过程中，重点监测地点有本工作面上隅角及采空区、邻近工作面采空区。85210 采空区束管测点布置图如图2。

图2 85210 采空区束管测点布置图Fig. 2 Layout of beam tube measuring points in 85210 goaf

在工作面上隅角布置氧气、一氧化碳、瓦斯传感器和温度传感器，用来实时监测上隅角的气体及温度变化情况，通过在工作面回风巷预埋束管对采空区气体进行监测，每根束管连接1 个监测点，为使监测点能监测至窒息带内的气体，分析采空区内遗煤低温氧化程度和自燃发展趋势，共布置监测点4 个，各监测点相距50 m。随着工作面的推进，各监测点依次进入采空区内，当1 监测点距工作面50 m 左右时，断开4 监测点，重新布置监测点。邻近采空区内的气体通过联巷密闭观测孔进行人工取样利用地面色谱仪进行分析。

3.2 调整85210 工作面通风系统

将85210 工作面通风系统调整为85210 运输巷进风、85210 回风巷回风的通风系统，减小回风巷局部通风阻力，减小最大通风阻力路线上高负压对工作面上隅角及邻近采空区密闭的作用，调整后的工作面通风路线为：副平硐→5-2 煤辅运大巷→八盘区南翼石门→八盘区南翼集中辅运巷→85210 运输巷→85210 工作面→85210 回风巷→5-2 煤回风大巷→朴牛圪塔回风斜井，调整后的85210 工作面通风系统示意图如图3。

图3 调整后的85210 工作面通风系统示意图Fig. 3 Ventilation system of 85210 working face after adjustment

3.3 降低矿井通风负压

1）优化矿井各盘区通风系统，合理配风，封闭无效通风巷道，提高矿井风量利用率。将5-2 煤八盘区无效通风巷道进行封闭，封闭85206 辅回撤通道、35106辅回撤通道、85202 机头硐室、85202 水仓及八盘区南翼集中辅运巷后半段，矿井风量结余1 130 m3/min。

2）通过采用降阻法调节井下通风系统，消除主要回风大巷局部风阻较大地点设施，降低矿井总阻力进而降低两风井负压。①改造盘区主要回风大巷交叉地点巷道转死弯，将三盘区集中回风巷与5-2上煤总回交叉口处直角转弯进行修复，改为3.0 m×3.0 m 抹角，减少巷道局部阻力；②消除巷道局部超高、超宽地点，降低巷道局部通风阻力；③消除总回风大巷内风桥，将35101 运输巷风桥和85206 运输巷风桥落下，降低巷道局部阻力；④消除最大通风阻力路线上通风设施，将35107 综采工作面回风巷口调节风窗拆除，同时打开35109 回风巷绕道调节风门，通过采用降阻调节法，调整5-2 上煤三盘区通风系统，降低盘区通风阻力。

3）合理调节主要通风机叶片安装角度，确保主要通风机工况点运行在合理的工业利用区内。通过采取降低朴牛圪塔回风斜井主要通风机叶片安装角度的方式，调整主要通风机工况点，降低矿井主、辅平硐总进风量，降低两风井主要通风机工作风压。

3.4 加强井上下堵漏措施

1）三道沟煤矿煤层埋藏浅，地表裂隙严重，而且容易出现二次裂隙，应加强对地表裂隙进行详细排查，要求地表回填不得滞后工作面150 m，回采工作面结束后必须在1 周内对地表裂隙处进行全部填堵，已回填区域出现二次裂隙要组织重新回填，在采面到达停采线后，必须在1 个月内对整个采面范围内塌陷裂缝进行二次补填[8]，对沟壑地段机具无法施工的困难区域，建议与当地民爆部门联系采取预裂爆破进行处理，减小地表向采空区漏风。

2）工作面上下端头为减小采空区向外漏风，在综采面上、下隅角分别设置挡风帘来增加上下隅角与采空区之间阻力，挡风帘必须严工作面切顶线吊挂，侧面紧贴帮部。工作面两端头加强退锚制度，要求两巷道超前工作面20 m 进行退锚，减小采空区悬顶距离，减少采空区漏风。工作面停机后，煤机严禁停在工作面两端头50 m 范围内，防止因煤机停留在两端头时，增加工作面局部通风阻力，增加工作面负压，增加采空区漏风量。

3.5 减少采空区遗煤并加快工作面推进度

1）在综采工作面推进的过程中，采用沿顶沿底割煤方法提高煤炭回采率，减少采空区丢煤[8]，工作面每刀煤过后应及时清理支架大脚前浮煤，防止煤炭甩入采空区内。同时加强“两巷两线”及上下隅角浮煤惰化处理效果，对“两巷两线”及上、下隅角喷洒阻化剂，并随着工作面的推进，对两巷道煤帮及上下隅角喷洒厚度不低于10 mm 的阻化剂，加强对“两巷两线”及上下隅角浮煤的惰化[6]。

2）保证工作面推进度。按照月最低推进度Vmin=L/d（L 为综采工作面采空区氧化带距工作面最大宽度[8]，根据三道沟煤矿采空区“三带”划分结果显示，L 取220 m；d 为该煤层的最短自然发火期，取35 d），因此，在工作面推进过程中，必须保证综采工作面月推进度至少应为189 m。

3.6 加强对相邻采空区密闭管理

三道沟煤矿综采工作面回采期间相邻采空区联巷一般防火密闭进入采空区后受本工作面基本顶来压影响，容易造成密闭坍塌，密闭坍塌后与邻近的采空区形成连通的漏风通道，因矿井采用负压通风，相邻采空区内低氧气体进入本采空区后，通过工作面上隅角流入本工作面，威胁作业人员安全。

三道沟煤矿安排瓦检员应对所有连接采空区的密闭及巷道进行巡查，发现密闭不完好，立即汇报并采取措施进行处理。同时三道沟煤矿采用加强支护的手段，在距离联巷口3 m 处打1 排锚索间距1 m进行补强支护，防止密闭进入采空区后因基本顶来压造成密闭坍塌。

3.7 采空区注氮

氮气作为一种惰性气体，能较好地用于矿井防灭火工作[9-10]。高浓度的氮气注入采空区后，一方面降低了氧气体积分数，在一定程度上抑制了遗煤氧化速度；另一方面增大采空区气体静压，降低两巷采空区的漏风压差，减少采空区漏风量，缩短散热带与氧化带宽度。

生产期间利用提前布置在采空区内的红外束管监测手段，做好采空区自然发火预测预报工作，若监测到本采空区、邻近采空区氧气体积分数大于7%或出现自然发火迹象，通过预埋注氮管路、防火密闭墙上措施管进行注氮，确保氧气体积分数低于7%。

4 应用效果

1）现场通过将85210 工作面通风系统调整为85210 运输巷进风，85210 回风巷回风的系统后，工作面上隅角低氧高一氧化碳现象得到部分解决，上隅角氧气体积分数恢复至17%以上，一氧化碳体积分数将至50×10-6以下。同时相邻采空区密闭内外压差降低，压差由原来的245 Pa 降至39 Pa 以下。

2）通过采取降低矿井负压、降低矿井通风阻力、加强井上下堵漏、减少采空区遗煤、加快工作面推进速度以及加强采空区密闭管理等措施，85210 上隅角低氧高一氧化碳现象得到有效解决，保证了工作面的安全回采。