浅埋厚煤层工作面CO来源分析与防治技术研究

＊米永信

（山西汾西正佳煤业有限责任公司 山西 041300）

厚煤层开采具有经济效益高、煤炭产量大等优点，受开采工艺制约采面采空区内遗煤量往往较大，当回采煤层有自燃发火倾向性时容易导致遗煤自燃问题，从而给煤炭回采安全带来较大威胁[1-3]。为此众多的学者及技术人员多浅埋厚煤层工作面CO来源、运移规律以及防治技术等展开研究，其中李心田[4]以李家壕31115工作面回采为工程背景，对浅埋厚煤层采空区漏风特征、CO来源及产生规律等进行分析，并提出采用合理调整采面配风、喷洒阻化剂、采空区注氮等措施，达到有效抑制采面CO产生量及涌出量目的；李建伟等[5]针对6104综放工作面回采后地面漏风严重、采面CO浓度超限等问题，通过现场实测及理论分析等确定CO来源及浓度变化规律，发现回风隅角、采空区CO浓度与采空区漏风强度呈正相关，并针对现场情况提出减少采空区遗煤量（煤柱）、地面漏风裂隙封堵、采空区灌浆、采面增压通风等防治技术措施；王海生[6]针对星光一号井1604工作面在浅埋深条件下采空区漏风严重、容易诱发遗煤自燃以及采面CO超限等问题，结合现场情况提出采用均压通风方式进行防灭火，并依据现场通风需要确定局部通风机型号以及风门、调节风窗以及风筒等构造物布置位置，现场应用后持续监测获取的采面回风隅角及回风流中CO体积分数均在允许范围内，有效解决了采面CO超限问题。避免遗煤自燃并减少漏风是避免采面CO超前的根本途径之一，文中就结合以往研究成果，以某矿8112工作面回采为工程背景，针对采面回采的3～5#层厚度大、埋深浅以及煤层具有自燃发火倾向性等特点，基于采面CO来源分析结果以及矿井实际情况，针对性提出采空区遗煤自燃发火防治技术，现场应用后为采面煤炭回采创造了良好条件。

1.工程概况

（1）地质概况。3～5#层8112工作面位于副立井西北部1855，井下位于主运大巷东北部，工作面东部为矿界，西部为已采的8102工作面，北部未开拓。8112工作面走向长度为500～560m，倾向长度为200m，煤厚2.2～9.3m，平均5.1m，煤层倾角0°～6°，煤层埋深均值135m。3～5#层8112工作面煤层结构复杂，煤层属于自燃煤层，自燃发火等级为Ⅱ级，煤自燃发火期最短为85d，煤尘有爆炸性。3～5#层8112综放工作面巷道布置简单，采用“U”型通风方式，通风网络简单。回采工作面采用综合机械化开采，工作面正常推进度为2.1m/d。

（2）采面CO来源分析。8102工作面回采期间配风量为1230m3/min，采面回采期回风隅角、回风流瓦斯浓度分别控制在0.16%、0.09%以内。受采面内发育的断层构造影响，采面局部位置推进速度缓慢，在回采期间回风隅角、回风流监测发现有CO，体积分数在3×10-6～12×10-6，随着采面不断推进监测到CO体积分数呈不断增加趋势，最高可达到118×10-6。

现有研究成果表明，采面内CO来源包括有井下炸药爆破、煤层原始赋存、煤层（遗煤）氧化自燃等，结合现场测试以及实验室结果，发现回采的3～5#煤层原始CO体积分数较低，不会导致采面回风流及回风隅角CO超限问题，井下现有的爆破地点与采面间距较远且有不同的通风系统，爆破产生的CO不会进入到采面通风系统中。因此判定8102工作面CO主要源于采空区遗煤氧化自燃。8102工作面采用综放开采工艺，采空区内遗煤量较大，在采面回采过程中回风隅角、回风流中未监测到乙烯等遗煤自燃标志性气体，判定采空区内遗煤现阶段仅处于氧化升温阶段，遗煤未出现自燃。

2.采面防灭火技术

(1)火灾监测系统和防灭火措施

火灾监测：①色谱束管火灾监测。选用徐JSG8型煤矿自燃束管监测系统，束管测点安排为：8102工作面进风侧采空区3趟、回风侧采空区3趟，管口步距为30m；上隅角、顶抽巷各设置1趟。束管采用Φ50mm PE管作套管，套管每隔30m设置一处花管套管。在进、回风巷沿采空区各布设一趟取气管路，当埋入采空区30m后，再埋第二趟，始终保持进风巷采空区埋入3趟、回风巷采空区埋入3趟。为防止采空区积水抽进束管，束管的进口处必须抬高1.5m。

②人工取样检测。通风区每班派专人巡回测定8102工作面、上隅角、回风巷等处的O2、CH4、CO和放顶煤温。通风区每周指派专人使用手持采样泵对8102工作面2112巷（进风巷）和5112巷（回风巷）内埋设的束管及顶抽巷取样化验。

(2)工作面防灭火措施及其装备

①注氮防灭火系统

A.注氮设备。矿井采用地面固定式注氮系统，制氮车间布置在地面风井工业广场。制氮车间安装两台DT-2300/98型固定式制氮装置（一用一备）。主要性能指标见表2所示。

B.注氮管路布置。制氮设备设于地面风井工业场地内，管路铺设路径为：制氮车间→回风立井→3～5#层总回风大巷→3～5#层回风大巷→3～5#层辅运大巷→3～5#层主辅联巷→3～5#层8112工作面2112巷→采空区。8112综放工作面注氮流量为1036.8m3/h，地面工业广场制氮设备满足8112工作面注氮要求。

氮气输送主管路在2112巷采用沿煤壁吊挂，注氮支气管要预先由2112巷埋入采空区，前端要连接0.5m左右的堵头花管，花管倾斜向上指向采空区，并用木垛加以保护，以免堵塞注氮气口。每个氮气释放口均与一根注氮气支管连接，支管的长度取决于采空区自燃危险带与窒息带分界线距工作面的距离（初步定于25m），当氮气释放口进入采空区窒息带不需注氮时，应在工作面顺槽内将其关闭并切断其与注氮气主管路的联系。每个注氮气支管与主管路之间要用三通连接，若要考察每个支管的注氮气量，还应安装流量计、压力表。8112工作面注氮的管路直径、管材及长度见表3。

表3 注氮管路参数

②阻化剂防灭火

采用移动式气雾阻化系统，储液箱和注液泵安装在设备列车上，放置在采煤工作面的平巷内的设备串车附近处，其中一台平板车放储液箱，另一台平板车放雾化泵和开关，距采面约100m，经输液管路输送到采面喷洒。阻化剂选用MgCl2溶液，MgCl2溶液的含量为20%。

3～5#层8112工作面设立雾化点4个，即在工作面上端头、距工作面上端头50m处、100m处和150m处。储液箱和雾化泵安设2112巷内的设备列车前，物化泵出口接高压胶管至8112工作面，工作面端头设三通与雾化器相接。当气雾阻化系统安装完毕，应进行调试。在开泵调试前打开所有管路阀门，包括泵进、排水阀门，不安装雾化器，待启动喷雾泵，清洗整个管路后再安装雾化器，启动喷雾泵。工作面一次所需阻化剂用量为97.816kg。

3.采面防灭火技术措施

(1)初采期防灭火措施

8112工作面初采期间采取注氮和阻化剂防灭火为主，加快推进速度以减短遗煤氧化暴露时间为辅的防灭火措施。具体为：①对开切眼附近煤壁加强喷浆，确保无浮煤、无裸露煤体；②加快初始推进速度，进度不得低于4m/d；③通过回采巷道内预埋束管分析采空区内的气体成分变化；④在端头及距端头50m、100m、150m支架上安设阻化剂气雾喷洒装置喷洒阻化剂材料，对采空区浮煤采取人工喷洒方式；⑤工作面开始生产同时开始注氮，即可对开切眼采空区内连续注入高纯度小流量的氮气，初期注氮量为500m3/h。

(2)正常开采防灭火措施

3～5#层8112工作面采取的综合防灭火技术方案是以采空区注氮为主、喷洒阻化剂与端头封堵为辅的综合防灭火措施，以保障综放工作面的安全回采。具体措施如下：①采面推进速度控制在60m/月以上，提高回采率，减少采空区遗煤量；②采取注氮、喷洒阻化剂的防火措施；③封堵采空区漏风的主要进出口，尽量减少漏风量；加强地表采空区域的监测，及时进行地表回填堵漏，封堵漏风裂隙，避免采空区遗煤自燃；④考虑多种实际因素，合理计算、配备工作面供风量，在满足相关要求、规范等前提下，尽量减少工作面供风量；⑤加强监测监控，在整个回采过程中，利用安全监控系统、人工检测系统对强化监测监控。

(3)末采阶段防灭火措施

①工作面进入不放煤的前30m位置时，必须强化放煤工作，减少此范围的冒落遗煤，确保与后部采空区形成一道矸石隔离带。②工作面进入末采阶段，不放顶煤开始，首先，封闭工作面顶抽巷，然后，工作面风量逐步进行减风降压，以200m³/min为一个台阶，在工作面温度、甲烷不超限，氧气满足需求的情况下逐步降低工作面风量，但工作面风量保障不低于600m³/min。③工作面推进至距停采线50m处时，分别在2112巷、5112巷距停采线30m、45m、60m处铺设1趟4芯束管，用于停采期间人工采样。④工作面推进至距停采线85m时，分别在2112巷距停采线85m、60m和35m铺设1趟φ108mm PE管路作为停采期间注氮管路。同时在2112巷增设1趟注氮管路，保障工作面停采后注氮管路释放口分别位于2112巷距停采线85m、60m和35m处。⑤保障工作面阻化系统正常运行，每天通过雾化喷嘴对工作面采空区实施阻化剂喷洒作业，另外在工作面5112巷设置阻化剂喷洒泵，对工作面后溜后方裸露煤体每天人工喷洒阻化剂溶液，每天阻化剂喷洒量不低于150kg。⑥工作面开始不放煤作业当班，必须在工作面上、下端头各施工1道端头封堵墙，之后每推进5m施工1组，端头封堵墙要求接顶严密。

(4)回撤期间防灭火措施

8112工作面回撤期间，由于采面停止回采且风量、通风方式出现改变，采空区遗煤自燃发火危险性增大，因此采用下述防灭火措施：

①采取措施使采空区顶板及时冒落，并控制风量，确保采面温度在25℃以内，风速不低于0.4m/s，减少采空区漏风。②加强支架撤退后工作面支护，按照矿技术科设计要求进行支护，保障支架撤退后工作面顶板完好，防止工作面顶板垮落，保障通风通道畅通，减少采空区漏风。③加强自然发火监测频次，每5架设一个测点，安排专人进行气体浓度、温度监测。④实施阻化剂防灭火技术措施。⑤加强设备维护，确保开采设备在30d内回撤完毕。⑥每隔10架向采面顶煤及支架后方顶煤施工钻孔，终孔位于支架后部上方位移，向顶煤和支架后方遗煤压注阻化剂和灭火剂。

4.总结

针对3～5#层8112工作面回采过程中回风隅角、回风流监测到CO问题，结合现场情况分析CO源于采空区遗煤氧化自燃，同时结合温度、乙烯等监测参数判定采空区遗煤处于氧化阶段未出现自燃问题。

为确保8112工作面安全回采，结合现场情况以及矿井现有的监测设备、防灭火设备等，提出综合采用注氮、喷洒阻化剂等方式抑制甚至阻断采空区遗煤氧化进程，从而避免采面CO超限问题。结合现场情况，制定采面在初采、正常回采、末采等阶段的防灭火措施。现场应用后，采面回采期间回风隅角、回风流中各位置CO始终在允许范围内，表明现场采用的防灭火技术措施取得较好应用效果。