小煤柱综放工作面有害气体治理技术研究

吉华锋

(山西焦煤 霍州煤电锦程煤业有限公司，山西 临汾 041000)

小煤柱掘进技术已在煤矿得到普遍应用，可节约大量煤炭资源。与此同时，煤柱宽度减小致使煤柱承载能力较弱，在工作面开采时，煤柱受临空侧悬板压力影响，煤体已产生屈服应变，形成了部分裂隙通道与相邻采空区导通。采空区内充满大量的低氧气体及有害气体，主要有高浓度的N2和CO2及一定浓度的CO等有害气体[1-2]，对于正在回采的采煤工作面，如果不能及时有效进行治理，相邻采空区的有毒有害气体就会在生产工作面正常负压通风[3]的作用下，通过导通的裂隙进入工作面致使工作面气体传感器报警，甚至会引发事故[4-5]。综放工作面由于开采强度大、形成采场空间大、矿压显现更为强烈[6]，更容易与相邻采空区导通，因此对相邻采空区有害气体防治难度更大[7]，因此，解决好小煤柱综放工作面上隅角低氧和采空区CO超标问题，迫在眉睫。

1 工作面概况

锦程煤业8211工作面，开采煤层为9+10号煤层，煤层平均厚6.93 m，煤层平均倾角为4.5°.经测定，煤层自燃倾向性为自燃，等级为Ⅱ级，最短自然发火期为80 d，煤尘具有爆炸性。8211工作面走向长1 245 m，倾向长为241 m，开采工艺为综合机械化放顶煤开采工艺，共布置140个放顶煤支架,工作面为U型通风方式，见图1，2211巷为进风巷，矩形断面净断面18.9 m2；5211巷为回风巷，矩形断面净断面18.2 m2.8211工作面机采高度2.8 m，平均放煤高度为4.13 m.8211工作面东侧和北侧为实体煤，西侧为三条盘区大巷，南侧为8210工作面采空区，煤柱留设宽度8 m，工作面上部无采空区。8211工作面布置以下通风设施：在5211、2211巷回风绕道处安设两道调节；在5211巷口至5211回风绕道之间设置两道全自动风门，将5211回风巷与盘区辅运大巷风流隔开。

图1 8211工作面布置示意

2 回采初期有害气体情况及采取措施

2.1 初采50 m范围内O2和CO情况及治理措施

8211工作面回采初期,沿用以往工作面上隅角低氧治理经验：稳装工作面尾部支架时，减少1个支架稳设以加宽回采时安全通道宽度，便于上隅角通风；将工作面风量调配至2 700 m3/min；配套端头封堵，每推进5 m使用风障封堵头尾端头，喷洒阻化剂等措施，预防采空区遗煤自燃；待工作面推进15 m后开始放顶煤后，通过前期预埋在切眼处管路向采空区预防性注氮，流量600 m3/h，期间上隅角O2浓度基本保持在19.5%以上，CO浓度在30×10-6以下。

2.2 初采50～100 m范围O2和CO情况及治理措施

当工作面回采至采位80 m时，5211巷进采空区80 m、60 m束管检测CO浓度为60～63×10-6,根据变化曲线分析，CO有不断上升趋势，见图2.鉴于采空区CO异常，重点开展采空区防火工作，并采取以下措施：调整注氮步距及注氮量，将注氮步距从初期的40 m逐步向30 m调整,并加大注氮量，注氮总量达到1 900 m3/h；下调工作面风量，将工作面风量从2 700 m3/min下调至2 300 m3/min，减少采空区漏风；强化端头封堵，每推进5 m在头尾端头构筑粉煤灰墙；强化气雾阻化，在头部端头架后增设一个喷头，与阻化泵连接，每天不间断向后运输机区域喷洒阻化剂(20%氯化镁溶液)；每班进行人工取样气体并及时化验分析。采取上述措施后，采空区O2浓度有所下降，但CO浓度仍持续偏高。分析低氧主要由于降低工作面风量、加大了采空区注氮，导致上隅角区域O2浓度下降，最低时达到15.2%.

图2 8211工作面有害气体浓度变化曲线

2.3 初采100～150 m范围O2和CO情况及治理措施

在工作面125号、135号支架处设置架间导风风障,在138号、139号支架处安装射流器向上隅角提供新鲜风流。在采取上述综合措施后，上隅角区域O2有所提升，但O2传感器仍频繁报警，最低14.8%.与此同时，采空区CO未得到有效控制，气体浓度仍持续升高，于是开始新增治理措施：进一步提升采空区注氮量，将采空区注氮量提升至3 000 m3/h以上；进一步降低工作面风量，将工作面风量从2 300 m3/min下调至2 052 m3/min；回填地表裂隙，对8210采空区和8211工作面回采范围对应地表内裂隙进行回填；在5211巷增加铺设两趟注氮管路，注氮步距30 m，流量600 m3/h；向临近采空区注氮，通过5211巷向临近8210采空区施工注氮钻孔，向采空区注氮，流量1 200 m3/h.期间上隅角治理措施未改变，在增强采空区防火措施后，上隅角区域O2下降，最低时14.7%.

3 工作面初采期间O2和CO异常原因分析

3.1 采空区CO升高原因分析

1) 工作面回采初期老顶未垮落，采空区悬顶面积较大，导致采空区内O2浓度偏高，为采空区内遗煤持续氧化提供条件。

2) 小煤柱在回采动压影响下，内部出现裂隙，在进入采空区前已开始缓慢氧化。

3) 8211为小煤柱回采工作面，临近8210采空区地表裂隙治理滞后，8211采空区通过8210采空区与地表连通，存在漏风通道，在工作面负压作用下，地表空气进入采空区，为遗煤持续氧化提供条件。同时随早晚气温变化，采空区处于“呼吸”状态，地面空气通过地表漏风通道持续向采空区供氧，导致采空区内氧含量很难下降至7%以下。

3.2 上隅角低氧原因分析

1) 经测定，煤层自身吸氧量为0.7 cm3/min，由于工作面长度较长、机道宽度较大，底板浮煤、煤壁与空气接触面大，初步计算风流流经工作面后，风流中O2浓度下降0.4%，即从20.7%下降至20.3%.

2) 工作面尾部支架后摆梁受压力作用及古塘侧垮落煤矸石挤压，造成通风通道断面缩小，进而影响通风。

3) 工作面与临近8210采空区预留煤柱8 m，采空区与临近8210采空区连通，8210采空区又与地表存在漏风通道，在工作面负压作用下，采空区低氧气体流向上隅角区域。

4) 工作面上隅角低氧隐患治理与采空区防火治理同步进行，期间降低工作面风量、上调了对采空区注氮量，不利于上隅角低氧隐患治理。

4 弱均压通风治理方法及实施

目前，国内煤矿抑制CO气体渗漏到本工作面的方法主要为均压通风。煤矿安全规程解释指出：“采用不同的均压方法，主要是采取降低或改变其端头压差来实现均压防火目的”，采用均压通风时必须根据工作面的特点选取合理的均压通风方式[3]。根据本综放工作面煤层易燃的特点，如果采用全均压，管理复杂，成本高，容易将风量压入临近8210采空区，故提出采用弱均压通风方法进行治理。在辅运大巷与5211巷口交叉口上风侧15 m处，安设2台2×30 kW对旋局部通风机(2×30解释：单台风机有2台电机，每台功率为30 kW，该型号风机在煤矿使用比较普遍)，风筒通过5211联巷风门、5211巷延接至上隅角区域，利用局扇压力，为上隅角区域升压，进而提升工作面压差，减少采空区漏风，同时为上隅角区域提供新鲜风流，提高上隅角区域O2浓度，见图3.

5 现场应用效果

8211工作面采用弱均压通风后，2211巷进风量1 689 m3/min、风筒末端风量300 m3/min、5211巷回风量2 010 m3/min，减少了采空区漏风；通过5211回风绕道调节处压差计观测，工作面压差从750 Pa升至950 Pa，工作面压差升高200 Pa左右，有效降低了地表裂隙漏风；8211工作面与临近采空区压差从-100 Pa升至0 Pa左右，压差升高100 Pa左右，避免了采空区有害气体涌入工作面；根据升压后采空区束管取样化验结果，采空区O2浓度及CO浓度呈下降趋势，在配套工作面架间风障及射流器使用的情况下，上隅角O2浓度从之前的14.8%～18.7%升高至18.5%～19.4%.

图3 工作面弱均压布置示意

6 结 语

1) 8211小煤柱综放工作面采空区防火受临近采空区地表漏风通道及小煤柱内部裂隙影响较大，传统采取调整工作面风量、封堵端头、增加注氮、加强监测等综合防治技术对上隅角低氧和采空区CO治理效果不明显。

2) 8211小煤柱综放工作面在实施弱均压通风系统后，在回风量仍保持不变的情况下减少了工作面进风量，大大减少了采空区漏风，较好地解决了工作面上隅角低氧和采空区CO超限问题，有效消除了采空区自然发火隐患和避免了低氧窒息事故，为今后的小煤柱综放面采空区防灭火治理工作积累了宝贵的经验。