德順煤業10105工作面防CO超限及安全啟封技術研究

李創進，賈建文，曹永安，郭文軍

（山西孝義西山德順煤業公司，山西 孝義 032300）

1 工作面概況

山西孝義西山德順煤業是一座資源整合礦井，礦井位于孝義市驛馬鄉申家溝村，井田面積4.3601km2，主采煤層9、10、11號，礦井絕對瓦斯涌出量為1.43m3/min，相對瓦斯涌出量為1.20m3/t；二氧化碳絕對涌出量為2.22m3/min，二氧化碳相對涌出量為1.86m3/t。10105工作面位于礦井一采區北翼中部，東鄰已回采的10103工作面，西鄰已回采的10107工作面，南為礦井軌道運輸大巷，北鄰楊家圪垛村莊保護煤柱，上覆為9號煤層小窯破壞區，層間距約3.5m左右；工作面切眼長度190m，走向長度530m，主要開采9號煤層，9號煤層平均厚度1.5m左右，為特低灰-中灰、中高硫-高硫分、特高熱值的肥煤及1/3焦煤，9號煤層均為二類自燃煤層，自燃發火期81天。

2 工作面CO超限經過及采取措施

2017年5月18日，德順煤業10105工作面回風上隅角開始出現CO，濃度為17ppm，至9日CO濃度上升至36ppm，此時工作面支架尾部采空區CO濃度達到50～450ppm，并呈逐漸上升趨勢，出現自然發火征兆，于5月21日進行了封閉。在封閉后，先后采取了“堵漏風、注氮氣惰化、注液態二氧化碳惰化”等一系列措施，并加強封閉區氣體的監測監控。

2.1 堵漏風

1）巷道噴漿，對9#煤軌道大巷進行噴漿處理，噴漿厚度50～100mm，噴漿長度40m。

2）密閉加固堵漏，對所有與10105工作面可能存在相通的密閉重新加固，共加固密閉22個。

2.2 注氮氣惰化

圖1 注氮期間氣體含量變化

通過10105正巷密閉措施孔向10105工作面采空區注入氮氣，從5月25日開始至9月25日，累計注入氮氣14625m3，注氮期間10105副巷內氣體濃度變化如圖1所示。封閉區O2濃度已降至5%以下，CO濃度降至30ppm以下，并呈逐步穩定趨勢，而注氮雖能快速降低采空區氧氣濃度，但其降溫效果極為有限，同時封閉區域情況變化比較復雜，并受到檢測取樣條件的限制，以及封閉區內氣體運移規律變化的影響，所觀測和分析的結果可能會有偏差或遺漏，啟封時極易發生復燃。為保證啟封的順利實施，因此在降氧窒息的同時必須結合降溫措施，根據目前工作面井上下實際施工條件和國內外防滅火技術現狀，向10105工作面采空區注入液態二氧化碳。

2.3 注液態二氧化碳惰化

液態二氧化碳較氮氣相比，具有吸附能力強、抑爆性強、惰化效果好及氣體純度高等優點，且制取簡單、儲運方便可靠，滅火時兼有窒息火源、冷卻降溫的優良性能，在國內外都有成功的應用。運來的液體二氧化碳通過轉貯、汽化、穩壓過程，在地面轉換成適度壓力的氣態二氧化碳，依靠現有的管線注入封閉區域，其注入流程如圖2所示。

圖2 二氧化碳注入流程

液態二氧化碳及其氣化裝置布置在副斜井工業廣場，轉換后的氣態二氧化碳通過副斜井預留的6吋備用排水管（470m）進入井底車場，與3吋管路（200m）相連至10105副巷閉前三通閥門，從而與預留的觀察孔和25mm高壓膠管（該膠管直接通至采空區支架頂部）相連至10105工作面封閉區。在密閉外管路連接如圖3所示。

圖3 二氧化碳管線密閉處連接圖

截止2017年10月27日共注入二氧化碳634.32噸計405964.8m3，平均日注入量20.46噸13095.6m3，二氧化碳注入后的變化：

1）溫度變化。汽化器出口-40～-30℃的二氧化碳氣體在-10～-13℃進入斜井，在斜井行約80m處復溫至0℃，管道外壁結霜消失，氣體達到閉前溫度18～20℃進閉，并在閉內副巷形成19℃低溫環境，與注氮相比溫度降低4～5℃。

2）閉內惰化情況變化。二氧化碳氣體入封閉區2小時副巷氧氣含量有1%以內的小幅上升，一氧化碳含量由注入前的21ppm以2～3ppm/h的速度在20小時后上升至高點80ppm，而后開始下降，至9月30日一氧化碳含量穩定在10～12ppm，10月3日后由于二氧化碳供應不足一氧化碳含量開始回升并在50～60ppm位置徘徊，同時副巷氧氣含量也有約1%以內的上升，為減少二氧化碳供應不足帶來的系統反彈10月10日密閉充氮開始，閉內各項指標開始恢復并達到平穩。正巷停注氮開始注入二氧化碳后氧氣含量由4.6%開始升高，14小時后達到高點7.7%開始下降，并于40小時后恢復至注氮前4～5ppm，一氧化碳含量由注入前的1ppm以1.5～2ppm/h的速度在30小時后上升至高點55ppm，而后微降停留在40～50pp區間，以后與副巷一樣在二氧化碳注入減少的情況下氧氣含量也有約21%～3%以內的上升，一氧化碳含量回升到60～70ppm，10月10日密閉充氮開始后正巷氧氣、一氧化碳含量迅速下降，氧氣含量在3%～4%之間穩定，一氧化碳含量下降到10ppm以下。注二氧化碳期間氣體含量變化如圖4所示。

3）二氧化碳注入效果分析。二氧化碳低位充填效果好，注入2小時后在距注入點400m和520m的檢測點均可感受到低比重氣體被置換的效果。

從二氧化碳注入過程引起的短時一氧化碳和氧氣含量升高可以判斷密閉中煤炭縫隙及煤炭吸附的氧氣、一氧化碳得到了充分置換，經過一個月的維持二氧化碳已對暴露煤炭形成了較好的保護。

由于二氧化碳入閉溫度18～20℃，以傳導方式對煤壁冷卻效果有限，但從75mm和25mm二氧化碳入閉比例上看，25mm高壓管二氧化碳有充分的流量通過，密閉內疑是高溫區通過對流方式得到了較好的冷卻。

注入二氧化碳閉內指標氣體含量變化較大，其閉內乙烯全部、一氧化碳大部分和部分氧氣來源于二氧化碳產品，給封閉區內情況判斷帶來一定困難，在分析封閉區內氣體時應考慮扣除注入的二氧化碳氣體中的原始指標氣體含量。

2.4 加強監測監控

安排專人通過預留的束管采樣點（其中10105副巷采樣點距切眼約10m，10105正巷束管采樣點距切眼約100m）對10105工作面兩道密閉內氣體定時采集氣樣，并送地面進行色譜分析。

3 工作面啟封具備的條件

根據《煤礦安全規程》規定，當封閉的火區滿足如下條件時，可認為該區域火源已熄滅：①火區內空氣溫度下降到30℃，或者該區域的日?？諝鉁囟扰c發生火災之前相同；②火區內的氧氣溫度降低到5.0%以下；③火區內空氣中不含有乙烯、乙炔，一氧化碳濃度在封閉期間內逐漸下降，并穩定在0.001%以下；④火區內的出水溫度低于25℃，或該區域的日常出水溫度與發生火災發生之前相同；⑤以上4項指標持續穩定的時間在一個月以上。

10105工作面自2017年5月21日重新封閉后，從8月17日起各項指標持續穩定，雖然氣體濃度在注入液態CO2后有所反復，但其變化趨勢與所注入液態CO2所含成分及濃度呈高度一致性，并考慮到CO2吸附置換、氣體運移以及取樣時間差等方面影響，綜合分析可知：封閉區實際各氣體濃度均呈穩定下降趨勢，均達到《煤礦安全規程》相關規定，且穩定時間已超過1個月，可認為火已熄滅，具備啟封的條件，可實施啟封。對該封閉區域首先進行逐段鎖風偵察，待確認封閉區域無異常或對異常區域實施處理后實施啟封工作。

4 啟封方案

4.1 10105工作面偵察及啟封步驟

圖5 10105工作面偵察及啟封流程

10105工作面偵察及啟封方案流程如圖5所示，在相關準備工作完成后進行工作面的啟封，相關步驟如下：

1）打開10105副巷密閉，綜合分析井下通風、運輸以及啟封前各種氣體濃度等情況，只有當密閉內外CH4濃度均小于1%，方可對10105副巷密閉進行破閉偵察工作。該副巷密閉距離巷口較近，無法在原密閉外構筑臨時密閉實現鎖風啟封，救護隊在原密閉打開約1m×1.5m進入封閉區后即刻用風筒布重新封堵，以形成鎖風狀態。

2）封閉區偵察，火區偵察內容：救護隊員進入封閉區后，要每隔10m左右測定瓦斯、一氧化碳濃度以及空氣溫度和煤壁溫度，在行進過程中也要不斷觀察是否有氣體濃度、溫度等異常情況出現，如果有，要單獨做好記錄，記錄出現的異常情況并標明地點。進入工作面區域后，還要測量液壓支架溫度以及觀測其損壞情況；另外還要觀測巷道支護和積水情況，做好相應記錄。

3）恢復10105工作面全負壓通風。如果救護隊員偵察結果顯示封閉區沒有復燃的跡象，由救護隊員逐漸拆除10105副巷和正巷密閉，并最終恢復由10105副巷進風、回風順槽回風的全風壓通風狀態。

4）氣體排放，10105工作面采空區開采長度為190m，推進長度為70m，采煤高度為1.50m，體積約為10000m3（假設其孔隙為0.5）；兩個順槽的長度均取500m，寬度取3m，高度取2m，則體積約為6000m3，合計16000m3；同時考慮到上覆鄰近9號煤層采空區層間氣體運移的影響（安全系數取3），則10105工作面封閉區體積按48000m3計。

在10105封閉期間，由于注入大量的N2和CO2氣體，為防止封閉區內氣體在全風壓通風狀態下N2和CO2以及CH4瞬時大量涌出，在拆除10105正巷密閉過程中應逐步開大，調節10105正巷與回風大巷的調節風門打開的大小，控制好10105工作面風量的分配，確保風流匯合點之后15m以外CH4和CO2濃度不超過1.0%。

5）閉區清理工作，對封閉區巷道進行清理工作，包括火源點清除、巷道雜物清理、膠帶清理、電纜清理等工作。

6）恢復工作面正常通風狀態，在啟封完成3天內，檢測回風流中一氧化碳、甲烷濃度和風流的溫度，如確認封閉區完全熄滅，再根據工作面正常生產所需要的風量，對10105工作面進行調風，恢復工作面正常生產通風狀態，配風量應采取由小到大的順序，逐步增加，并轉入恢復生產工作。

4.2 啟封過程中異常情況應對措施及啟封后防止復燃措施

在進入封閉區進行偵察過程中如發現封閉區存在局部氧化區，則在實施啟封后進行架間插管注膠降溫處理；如發現氧化區CH4≥1%或溫度異常（超過70℃）等情況則可在架間插管并安設好管路后，在副巷靠近工作面合適位置重新封閉，在密閉外進行注凝膠處理。

啟封后需做如下工作：加強通風管理，減少向采空區漏風；對開始出現CO異常涌出地點實施架間插管注凝膠，以消除該區域復燃的隱患，并形成隔離帶減少漏風，注入量以膠體滲出到工作面為；加快工作面推進速度；注氮防滅火，調整注氮管路布置系統，在10105工作面副巷上隅角預設注氮管路，待其注氮口進入采空區后實施開放式注氮防火；加強監測，加強通風安全監測系統的日常管理。

5 結論

通過注氮及注液態二氧化碳措施，有效降低了密閉內CO超限問題，通過啟封技術措施，實現了工作面的安全啟封，為礦井安全生產提供了重要技術保障。