淺埋深易自燃煤層工作面低氧高一氧化碳防治技術

劉立仁

（國家能源集團 國神三道溝煤礦，陜西 榆林719407）

礦井綜采工作面上隅角低氧高一氧化碳現象是礦井重大災害之一，是三道溝煤礦安全生產的重中之重，三道溝煤礦地表溝壑縱橫，山梁低谷地貌，采空區地表裂隙回填難度大，同時三道溝煤礦井田南部存在小窯采空區，可能存在采空區串通現象，故三道溝煤礦井下采空區長時間存在漏風現象，在礦井通風負壓和大氣壓的晝夜變化作用下，采空區內低氧氣體大量涌出，威脅礦井工作面安全生產，故防止采空區低氧高一氧化碳氣體大量涌出的措施手段勢在必行[1-3]。

1 礦井概況

三道溝煤礦屬低瓦斯礦井，井田內瓦斯含量較低，屬二氧化碳-氮氣帶，井田內各煤層埋藏淺，地層產狀近水平，無貯氣構造，煤的變質程度低，雖有少量瓦斯溢出，但大多沿巖石裂隙逸散于大氣。礦井開采5-2 和5-2 上煤層，煤層屬于容易自燃煤層，5-2 上煤最短自然發火期32 d，5-2 煤最短自然發火期35 d，煤塵均具有爆炸危險性。礦井采用分區抽出式通風，由主平硐、副平硐進風，樸牛圪塔回風斜井、大路墕風井回風。

1.1 工作面概況

85210 工作面位八盤區南翼集中輔運巷南側，西部依次為85208、85206、85202、85204 采空區；東部為5-2 煤煤層合層線，南部為小煤窯采空區。工作面可采長度1 383 m，傾斜長度274 m。地面標高1 182.9～1 298.6 m，底板標高1 070.1～1 085.4 m。工作面地表絕大部分為黃土和第三系黏土覆蓋，起伏較大，溝壑縱橫，地表松散層厚度23.95～120.46 m，上覆基巖厚度47.1～139.5 m，最薄處在白石巖溝。煤層總趨勢是東北高西南低，局部有起伏，傾角1°～3°。煤層厚度5.6～7.01 m，平均6.79 m，中下部含1層夾矸。

1.2 工作面通風系統

85210 工作面采用U 型全負壓抽出式通風。85210 工作面為八盤區南翼東部最后1 個工作面，85210 運輸巷西側為85208 采空區，工作面設備布置方式為機軌分離，為保證工作面移變列車在新鮮風流中，工作面通風路線為：副平硐→5-2 煤輔運大巷→八盤區南翼石門→八盤區南翼集中輔運巷→85210 輔運巷→85210 工作面→85210 運輸巷→聯巷→85208 運輸巷→85208 設備列車通道→85208 回風巷→5-2 煤回風大巷→樸牛圪塔回風斜井，185210 工作面通風系統示意圖如圖1。

圖1 85210 工作面通風系統示意圖Fig. 1 Ventilation system of 85210 working face

2 低氧高一氧化碳原因分析及問題提出

2.1 問題提出

85210 工作面至2017 年7 月開采以來，工作面上隅角長期出現高一氧化碳低氧現象，一氧化碳最高達87×10-6，氧氣最低達12.1%。通過查詢以往數據，2013 年至2017 年間85202～85208 工作面開采期間工作面上隅角氧氣體積分數均維持在17.8%～20.1%之間，一氧化碳體積分數在11×10-6～32×10-6之間。

2.2 原因分析

關于煤炭自燃的原因，有很多學說解釋普遍認可的是煤氧復合作用學說，其主要觀點是：煤在常溫下吸收空氣中的氧氣，產生低溫氧化，釋放熱量和初級氧化產物一氧化碳，由于散熱不良，熱量積聚，溫度上升，加速了低溫氧化作用進程，最終導致自然發火[4-5]。煤炭自燃必須同時具備以下條件：①煤炭具有自燃的傾向性，并呈破碎狀態堆積存在；②連續的通風供氧維持煤的氧化過程不斷地發展；③煤氧化生成的熱量能大量蓄積，難以及時散失；④以上3 個條件同時存在且時間大于煤炭的自然發火期[6]。

根據85210 工作面及周邊采空區基本情況，工作面回采過程中上隅角出現低氧高一氧化碳的原因主要有以下幾個方面：

1）三道溝煤礦八盤區南翼煤層埋藏較淺，地表溝壑縱橫，山梁和溝谷區域漏風采用人工無法回填，所以八盤區南翼采空區地表漏風通道無法完全消除。同時，礦井八盤區南翼存在小煤窯采空區，采空區相互串通存在漏風通道，使采空區遺煤得到氧化，形成初步氧化產物一氧化碳氣體。同時85210 工作面距離樸牛圪塔回風斜井較近，工作面回風巷負壓較大，加大了采空區漏風，使采空區內遺煤氧化產生的一氧化碳氣體從上隅角處大量涌出。

2）85210 運輸巷西側有回采結束的85208 采空區，兩工作面間煤柱寬20 m，聯巷間距60 m，每個聯巷內距口6 m 處施工一般防火密閉，防火密閉規格為0.75 m 磚墻+1 m 黃土填充+1 m 外磚墻，同時三道溝煤礦5-2 煤層中間距離底板1.2 m 高有1 層泥巖層，泥巖層寬度0.2 m 左右，在工作面回采后聯巷密閉及煤柱共計受到3 次壓力集中作用，將造成聯巷密閉破裂或保護煤柱出現網狀裂隙及壓裂破碎的煤體，與鄰近的八盤區南翼采空區形成連通的漏風通道，因南翼85208～85202 采空區內氧氣體積分數均在2.0%以下，一氧化碳均為0，煤層屬二氧化碳-氮氣帶氮氣含量十分高，采空區內低氧氣體在礦井通風負壓和大氣壓晝夜交替變化的作用下，通過漏風通道流經85210 工作面上隅角，導致上隅角出現低氧現象。

3）經過現場觀測發現，上隅角出現低氧高一氧化碳現象時間一般在15:00—20:00 之間，因這段時間地表大氣壓發生變化，大氣壓突然變小，井下采空區內常年溫度和氣壓變化不大，故采空區與工作面壓差突然增大，導致低氧氣體大量涌出。

4）八盤區綜采平均采高為6.5 m，工作面兩巷道掘進平均高度為4.4 m，導致“兩道”遺煤較多，隨著工作面的推進逐漸垮落進入采空區，煤體破碎，具備煤氧化自燃的蓄熱條件從而使采空區內低氧、高一氧化碳氣體較多。

5）85210 運輸巷作為工作面回風巷，工作面機頭端頭架、運輸機機頭、轉載機、破碎機、防塵濾網等設備增加了工作面回風巷風阻，導致工作面路線上通風阻力增加，負壓增加，作用于工作面上隅角導致采空區漏風增加。

6）85210 工作面回風通過85208 運輸巷、85208設備列車通道和85208 輔回撤通道回風，工作面路線上高負壓直接作用于85208 運輸巷與采空區聯通防火密閉上，使防火密閉內外壓差增大，增加采空區漏風和遺煤自然發火隱患。

3 工作面上隅角低氧高一氧化碳治理技術措施

3.1 自然發火預測預報系統

煤自然發火都有從緩慢氧化到加速氧化最終達到激烈氧化的過程，通過煤在不同的氧化階段產物不同，對煤炭自然發火進行預測預報[7]。

三道溝煤礦井下安裝1 套JSG4 紅外束管監測監控系統，地面裝有1 套SG-2003 礦井自燃火災束管監測系統，采用人工氣體采樣分析及束管實時監測相結合的方式對各綜采工作面及采空區內的氣體進行實時監測。工作面回采過程中，重點監測地點有本工作面上隅角及采空區、鄰近工作面采空區。85210 采空區束管測點布置圖如圖2。

圖2 85210 采空區束管測點布置圖Fig. 2 Layout of beam tube measuring points in 85210 goaf

在工作面上隅角布置氧氣、一氧化碳、瓦斯傳感器和溫度傳感器，用來實時監測上隅角的氣體及溫度變化情況，通過在工作面回風巷預埋束管對采空區氣體進行監測，每根束管連接1 個監測點，為使監測點能監測至窒息帶內的氣體，分析采空區內遺煤低溫氧化程度和自燃發展趨勢，共布置監測點4 個，各監測點相距50 m。隨著工作面的推進，各監測點依次進入采空區內，當1 監測點距工作面50 m 左右時，斷開4 監測點，重新布置監測點。鄰近采空區內的氣體通過聯巷密閉觀測孔進行人工取樣利用地面色譜儀進行分析。

3.2 調整85210 工作面通風系統

將85210 工作面通風系統調整為85210 運輸巷進風、85210 回風巷回風的通風系統，減小回風巷局部通風阻力，減小最大通風阻力路線上高負壓對工作面上隅角及鄰近采空區密閉的作用，調整后的工作面通風路線為：副平硐→5-2 煤輔運大巷→八盤區南翼石門→八盤區南翼集中輔運巷→85210 運輸巷→85210 工作面→85210 回風巷→5-2 煤回風大巷→樸牛圪塔回風斜井，調整后的85210 工作面通風系統示意圖如圖3。

圖3 調整后的85210 工作面通風系統示意圖Fig. 3 Ventilation system of 85210 working face after adjustment

3.3 降低礦井通風負壓

1）優化礦井各盤區通風系統，合理配風，封閉無效通風巷道，提高礦井風量利用率。將5-2 煤八盤區無效通風巷道進行封閉，封閉85206 輔回撤通道、35106輔回撤通道、85202 機頭硐室、85202 水倉及八盤區南翼集中輔運巷后半段，礦井風量結余1 130 m3/min。

2）通過采用降阻法調節井下通風系統，消除主要回風大巷局部風阻較大地點設施，降低礦井總阻力進而降低兩風井負壓。①改造盤區主要回風大巷交叉地點巷道轉死彎，將三盤區集中回風巷與5-2上煤總回交叉口處直角轉彎進行修復，改為3.0 m×3.0 m 抹角，減少巷道局部阻力；②消除巷道局部超高、超寬地點，降低巷道局部通風阻力；③消除總回風大巷內風橋，將35101 運輸巷風橋和85206 運輸巷風橋落下，降低巷道局部阻力；④消除最大通風阻力路線上通風設施，將35107 綜采工作面回風巷口調節風窗拆除，同時打開35109 回風巷繞道調節風門，通過采用降阻調節法，調整5-2 上煤三盤區通風系統，降低盤區通風阻力。

3）合理調節主要通風機葉片安裝角度，確保主要通風機工況點運行在合理的工業利用區內。通過采取降低樸牛圪塔回風斜井主要通風機葉片安裝角度的方式，調整主要通風機工況點，降低礦井主、輔平硐總進風量，降低兩風井主要通風機工作風壓。

3.4 加強井上下堵漏措施

1）三道溝煤礦煤層埋藏淺，地表裂隙嚴重，而且容易出現二次裂隙，應加強對地表裂隙進行詳細排查，要求地表回填不得滯后工作面150 m，回采工作面結束后必須在1 周內對地表裂隙處進行全部填堵，已回填區域出現二次裂隙要組織重新回填，在采面到達停采線后，必須在1 個月內對整個采面范圍內塌陷裂縫進行二次補填[8]，對溝壑地段機具無法施工的困難區域，建議與當地民爆部門聯系采取預裂爆破進行處理，減小地表向采空區漏風。

2）工作面上下端頭為減小采空區向外漏風，在綜采面上、下隅角分別設置擋風簾來增加上下隅角與采空區之間阻力，擋風簾必須嚴工作面切頂線吊掛，側面緊貼幫部。工作面兩端頭加強退錨制度，要求兩巷道超前工作面20 m 進行退錨，減小采空區懸頂距離，減少采空區漏風。工作面停機后，煤機嚴禁停在工作面兩端頭50 m 范圍內，防止因煤機停留在兩端頭時，增加工作面局部通風阻力，增加工作面負壓，增加采空區漏風量。

3.5 減少采空區遺煤并加快工作面推進度

1）在綜采工作面推進的過程中，采用沿頂沿底割煤方法提高煤炭回采率，減少采空區丟煤[8]，工作面每刀煤過后應及時清理支架大腳前浮煤，防止煤炭甩入采空區內。同時加強“兩巷兩線”及上下隅角浮煤惰化處理效果，對“兩巷兩線”及上、下隅角噴灑阻化劑，并隨著工作面的推進，對兩巷道煤幫及上下隅角噴灑厚度不低于10 mm 的阻化劑，加強對“兩巷兩線”及上下隅角浮煤的惰化[6]。

2）保證工作面推進度。按照月最低推進度Vmin=L/d（L 為綜采工作面采空區氧化帶距工作面最大寬度[8]，根據三道溝煤礦采空區“三帶”劃分結果顯示，L 取220 m；d 為該煤層的最短自然發火期，取35 d），因此，在工作面推進過程中，必須保證綜采工作面月推進度至少應為189 m。

3.6 加強對相鄰采空區密閉管理

三道溝煤礦綜采工作面回采期間相鄰采空區聯巷一般防火密閉進入采空區后受本工作面基本頂來壓影響，容易造成密閉坍塌，密閉坍塌后與鄰近的采空區形成連通的漏風通道，因礦井采用負壓通風，相鄰采空區內低氧氣體進入本采空區后，通過工作面上隅角流入本工作面，威脅作業人員安全。

三道溝煤礦安排瓦檢員應對所有連接采空區的密閉及巷道進行巡查，發現密閉不完好，立即匯報并采取措施進行處理。同時三道溝煤礦采用加強支護的手段，在距離聯巷口3 m 處打1 排錨索間距1 m進行補強支護，防止密閉進入采空區后因基本頂來壓造成密閉坍塌。

3.7 采空區注氮

氮氣作為一種惰性氣體，能較好地用于礦井防滅火工作[9-10]。高濃度的氮氣注入采空區后，一方面降低了氧氣體積分數，在一定程度上抑制了遺煤氧化速度；另一方面增大采空區氣體靜壓，降低兩巷采空區的漏風壓差，減少采空區漏風量，縮短散熱帶與氧化帶寬度。

生產期間利用提前布置在采空區內的紅外束管監測手段，做好采空區自然發火預測預報工作，若監測到本采空區、鄰近采空區氧氣體積分數大于7%或出現自然發火跡象，通過預埋注氮管路、防火密閉墻上措施管進行注氮，確保氧氣體積分數低于7%。

4 應用效果

1）現場通過將85210 工作面通風系統調整為85210 運輸巷進風，85210 回風巷回風的系統后，工作面上隅角低氧高一氧化碳現象得到部分解決，上隅角氧氣體積分數恢復至17%以上，一氧化碳體積分數將至50×10-6以下。同時相鄰采空區密閉內外壓差降低，壓差由原來的245 Pa 降至39 Pa 以下。

2）通過采取降低礦井負壓、降低礦井通風阻力、加強井上下堵漏、減少采空區遺煤、加快工作面推進速度以及加強采空區密閉管理等措施，85210 上隅角低氧高一氧化碳現象得到有效解決，保證了工作面的安全回采。

5 結 論

1）85210 工作面回采結束后，在密閉黃土填充層內加注高分子材料，最后在密閉外側進行噴漿，最大限度地減少密閉漏風。解決了采空區地表部分裂隙封堵困難，在巷道較大負壓作用下，采空區封閉后聯巷密閉內外壓差較大，漏風嚴重的問題，提高采空區封閉質量。

2）85210 采空區永久封閉后，相鄰采空區與南翼相鄰采空區串通，漏風隱患增強。通過對原密閉外進行重新加固密閉，密閉加固完畢后統一進行噴漿，最后實施注氮惰化南翼整個采空區的防滅火措施，防止相鄰采空區永久防火密閉漏風，消除了采空區自然發火隱患現象的發生。

3）通過改進85212 工作面設計，減少聯巷或不留聯巷，減少了生產期間采空區遺煤，同時相鄰工作面留設足夠距離的隔離煤柱。保證了工作面生產期間上隅角不出現低氧高一氧化碳。