综放工作面回风上隅角CO 超限分析及防治技术研究

李君志

（山西汾西瑞泰正中煤业有限公司， 山西 灵石 031300）

自燃发火倾向性煤层开采时，如何避免煤层自燃是煤炭开采时需重点解决的问题，同时随着矿井采深增加，煤层自燃发火影响更趋明显[1-2]。综放开采方式具有经济效益好、煤炭产量高等优点，但是受开采工艺制约，采空区内有大量遗煤，当开采煤层有自燃发火倾向性时采空区遗煤自燃发火概率较高[3-7]。山西某矿20503 综放开采工作面回采期间回风上隅角监测到有CO 涌出，为此文中就对回风上隅角涌出原因进行分析并针对性提出治理措施，现场取得效果。

1 工程概况

山西某矿设计生产能力500 万t/年，井田内有5层可采煤层，其中现阶段主要回采上部5 号煤层。5号煤层厚度平均7.5 m，煤种为褐煤，顶底板为泥岩、粉砂岩。5 号煤层赋存稳定，全区可采，原始瓦斯含量为1.8 m3/t，煤层具有自燃发火倾向性，自燃发火周期介于55～439 d。

20503 综放工作面回采5 号煤层，设计推进长度2 785 m、倾向长度235 m，开采范围内煤层倾角平均5°，采面推进速度为2.4 m/d。

2 采面回风上隅角CO 涌出分析

2.1 回风上隅角CO 涌出现状分析

20503 综放工作面回采的5 号煤层自燃发火倾向性为I 类，煤层具有较强的吸氧能力，自燃发火周期最短为55 d。采面回采期间采用U 型通风方式，配风量为1 030 m3/min，回风巷以及回风上隅角瓦斯浓度（体积分数）分别稳定在0.06%、0.12%。在采面回采过程中受地质构造影响，采面推进速度较慢，回风流以及回风上隅角位置监测到CO，起初CO 浓度（体积分数）在5×10-6～13×10-6，随着煤炭回采推进，回风流以及回风上隅角CO 浓度呈增加趋势，最高可达到120×10-6，后期虽然通过调整通风、采空区注氮以及喷洒阻化剂等方式进行防灭火，但是由于未能掌握CO 涌出来源，从而导致回风流以及回风上隅角CO仍在50×10-6以上。

2.2 CO 涌出来源

已有研究成果表明，回采工作面内CO 来源包括井下爆破、采空区遗煤自燃、煤层原始赋存以及采煤回采过程等情况。通过现场测定以及实验室分析，开采的5 号煤层中CO 原始含量较低，不会导致回风上隅角CO 超限；爆破产生的CO 量较小同时持续时间较短；因此判断20503 综放工作面回风巷以及回风上隅角CO 来源于煤炭回采以及采空区遗煤氧化自燃。

现场统计发现，20503 综放工作面割煤及放煤前后回风上隅角CO（体积分数）在5×10-6～12×10-6，同时采面在运煤过程中煤体氧化也会产生新的CO，从而导致采面内有一定浓度CO，但是CO 浓度整体较小。考虑到采面采用综放开采，采空区内遗煤量较大，同时采空区有一定漏风，导致遗煤在氧气作用下出现氧化，在氧化过程中释放大量CO；但是采面回风巷以及回风上隅角未监测到温度增加，同时未监测到乙烯等遗煤自燃标志性气体，因此判定采空区内遗煤仅出现氧化，未出现自燃。

综合上述分析，判定20503 综放工作面回采期间回风巷以及回风上隅角位置CO 主要来源于采面开采以及采空区遗煤氧化，同时采空区内遗煤仅处于氧化阶段无自燃发火危险性。

3 CO 涌出综合治理技术

为有效治理20503 综放工作面回风上隅角CO超限问题，提出采用以回风上隅抽采为主，以喷洒阻化剂、均压通风以及帷幕注氮为辅的综合治理措施。

3.1 上隅角埋管

根据采面采空区“三带”分布情况，提出采用迈步式抽采方式进行抽采。在采面回风巷内铺设一趟管径150 mm 低负压抽采管路，并间隔30 m 布置三通、阀门，通过埋设抽采管进行接抽。采空区埋管接抽范围内进入采空区后方15～30 m，从而确保抽采进气口始终在采空区漏风带内。具体回风上隅角采空区埋管抽采布置见图1 所示。

图1 回风上隅角采空区埋管抽采示意图

3.2 采空区帷幕注氮

通过向采空区内注入惰性气体，可达到抑制遗煤氧化进程并降低CO 生产量。具体采面内注氮管路布置见图2 所示，在采面走向方向间隔30 m 布置一个长度200 m 双抗管，在接近双抗管出口4～20 m 范围内为花管。当监测到回风上隅角以及回风巷内CO 浓度（体积分数）较高时即开始进行注氮（氮气纯度在97%以上），注氮后对采空内氧气浓度（体积分数）进行测定，当浓度在8%以内即可停止注氮。

图2 采空区帷幕注氮示意图（m）

3.3 局部均压通风

在采面采区局部均压通风（见图3）来降低采空区CO 涌出，具体措施为：取消采面回风侧原有调节风门，在回风巷靠近采面位置布置2 到均压风障，风障有效控风断面约为1.36 m2，将采面回风巷风量控制在1 350 m3/min。通过适当提高靠近采面回风巷侧风压来达到减少采空区CO 涌出目的。

图3 采面局部均压通风示意图

4 采面CO 涌出治理效果分析

在采面采用采空区埋管、喷洒阻化剂、均压通风以及气幕稀释等措施后，对回风上隅角位置CO 浓度（体积分数）测定，具体测定结果见图4 所示。

图4 回风上隅角CO 及瓦斯浓度测定结果

从图4 中看出，通过在采面采取综合治理措施后，回风上隅角位置CO 浓度（体积分数）稳定在8×10-6，瓦斯浓度（体积分数）稳定在0.12%。回风流中CO 浓度（体积分数）稳定在5×10-6以内、瓦斯浓度（体积分数）在0.06%以内，现场取得较好的CO 涌出防治效果。

5 结论

20503 综放工作面开采的5 号煤层为褐煤，受到开采工艺以及回采范围内地质构造发育等因素影响，采空区内有大量遗煤；遗煤在采空区氧气作用下出现氧化，释放CO 并向回风上隅角以及回风巷涌出，从而导致回风上隅角CO 超限。采空区内温度正常且未监测到乙烯等自燃发火标志性其他，表明遗煤仅处于氧化阶段未自燃。

提出以采空区埋管为主，喷洒阻化剂、均压通风以及气幕稀释等为辅的CO 涌出治理措施，并依据采面实际情况对措施实施方案进行设计。现场应用后，采取的措施可以抑制并延缓采空区遗煤氧化进度，在降低CO 产生量的同时减少采空区CO 向开采空间内涌出量；回风上隅角以及回风巷内CO 浓度（体积分数）分别降低至8×10-6、5×10-6以内，取得较好的CO 涌出防治效果。