工作面兩巷松動圈高體積分數CO 來源分析

唐 輝

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧撫順 113122）

礦井火災是威脅煤礦安全生產五大災害之一，其機理極其復雜且難于防控[1]。礦井火災分為內因火災和外因火災2 種，其中，由煤炭自然發火引起的內因火災約占礦井火災總數的90%以上[2]。

采煤工作面運輸巷和回風巷是煤礦井下發生自然發火事故的主要集中地點，也是工作面防火工作的重中之重[3-4]。這是由于工作面巷道掘進前，各部分煤體均處于三向應力的平衡狀態[5]；巷道開挖后，巷道圍巖應力發生了改變，平衡狀態被打破，由三向應力變為兩向受力[6]，這就導致工作面巷道部分圍巖失穩，產生裂隙并逐漸發育，形成巷道松動圈[7]。由于巷道風流沿著裂隙流入位于松動圈范圍內的破碎煤體內部，與之發生氧化反應，會產生熱量[8-9]，又因為松動圈破碎煤體大部分不位于巷道圍巖暴露表面，使得熱量散發較慢，形成了良好的蓄熱環境[10]，所以極易引起自然發火事故。

大興礦南五902 工作面回采期間，運輸巷和回風巷松動圈內出現高體積分數CO，個別鉆孔內CO體積分數甚至超過0.05%。為消除此安全隱患，杜絕自然發火事故發生，對南五902 工作面兩巷道松動圈高體積分數CO 來源進行分析、辨別，確定其準確來源，為制定科學、合理的防治措施提供理論依據。

1 工作面概況

大興礦南五902 工作面位于南五采區東部。工作面東部為F35、F35-1井田邊界斷層；南部為南五九層準備道，處于煤層最低可采邊界線附近；西部為南五901 采空區；北部為煤層最低可采邊界線。工作面上鄰8 煤層，未采動，煤厚一般為0.89 m，局部可采。8 煤層與9 煤層間距南部較小，北部較大，在2.93～12.05 m，一般為8.09 m；下鄰10-1 煤層，煤厚一般為0.60 m，不可采，9 煤層與10-1 煤層間距一般為1.40 m。工作面頂板以粉砂巖、粗砂巖為主，底板主要以泥巖為主。

南五902 工作面大面面寬208 m，可采走向長760 m；小面寬160 m，可采走向長358 m。所采9 煤層厚度在1.12～2.08 m，一般為1.79 m。煤層自燃傾向性等級屬Ⅱ類，自燃煤層，最短自然發火期45 d。工作面回采期間運輸巷入風風量為850 m3/min，回風巷風量為800 m3/min。

2 巷道松動圈高體積分數CO 可能來源分析

2.1 上覆采空區

南五902 工作面上鄰8 煤層，未采動。8 煤層與9 煤層間距南部較小，北部較大，在2.93～12.05 m 之間，一般為8.09 m。7 煤層與8 煤層間距12.07～22.43 m，與9 煤層間距15～32.25 m。

南五902 工作面回風巷側上覆南五701 采空區，運輸巷側上覆南五704、705 采空區。

工作面頂板斷裂帶發育高度，采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中的經驗公式來計算[11]，斷裂帶高度計算公式見表1。

根據工作面所采9 煤層上覆巖層實際情況，巖性以中硬為主，工作面平均采高1.79 m。根據表1中巖性中硬對應的公式，分別采用式（1）、式（2）計算本工作面開采后頂板斷裂帶高度：

表1 斷裂帶高度計算公式Table 1 Calculation formula of fracture zone height巖性

取式（1）、式（2）計算結果的最大值作為本工作面頂板斷裂帶高度，即36.76 m，大于9 煤與7 煤最大間接32.25 m，說明本工作面開采后，頂板發育的裂隙很有可能與上覆7 煤采空區導通，導致上覆采空區有毒有害氣體侵入本工作面。

2.2 鄰近采空區

南五902 工作面運輸巷側與南五901 回風巷相鄰，中間留有約8 m 煤柱。受工作面采動影響，可能造成南五902 工作面與鄰近南五901 采空區導通，南五901 采空區中的有毒有害氣體有可能侵入南五902 工作面。

2.3 本工作面

南五902 工作面運輸巷和回風巷主要采取錨網支護方式，受地應力作用，礦山壓力顯現較為明顯，主要表現為回采期間巷道易發生變形、片幫等問題。此外，兩巷道均未采取全斷面噴漿處理，松動圈內裂隙煤體低溫氧化時間長，氧化程度較高，可能造成南五902 工作面松動圈出現高體積分數CO。

3 巷道松動圈高體積分數CO 來源判別

3.1 上覆采空區探測

在南五902 工作面兩巷鉆場施工上覆采空區導入孔，探測工作面上部氣體情況，以判別工作面運輸巷和回風巷兩巷道松動圈高體積分數CO 是否來自上覆采空區，導入孔施工參數見表2，各導入孔每日最高CO 體積分數隨時間變化情況如圖1。

表2 導入孔施工參數表Table 2 Construction parameters table of leading-in hole

由圖1 可見，南五902 工作面向上部采空區施工的各導入孔，孔內CO 最高體積分數僅為36×10-6，未發現高體積分數CO，由此得出工作面運輸巷和回風巷松動圈高體積分數CO 不是來自上覆采空區。

圖1 上覆采空區導入孔每日最高CO 體積分數隨時間變化情況Fig.1 Variation of daily maximum CO concentration with time in leading-in hole of overlying goaf

3.2 鄰近南五901 采空區探測

對南五901 采空區密閉進行取樣化驗，分析氣體成分，以判別南五902 工作面兩巷巷道松動圈高體積分數CO 是否來自鄰近南五901 采空區。南五901 回風巷密閉內氣體組分見表3。

表3 南五901 回風巷密閉氣體組分統計表Table 3 Statistical table of closed gas composition of 901 return air channel in south No.5 mining area

由表3 可知，南五901 采空區內沒有發現CO，因此可得出本工作面運輸巷和回風巷松動圈高體積分數CO 不是來自鄰近南五901 采空區。

3.3 本工作面探測

分別在南五902 工作面運輸巷和回風巷垂直硬幫施工6 個不同位置、不同深度的水平觀測鉆孔，對鉆孔內氣體進行取樣分析，以判斷南五902 工作面兩巷道松動圈高體積分數CO 是否來自本工作面。本層觀測鉆孔布置示意圖如圖2。運輸巷和回風巷觀測鉆孔氣體監測結果如圖3、圖4。

圖2 本層觀測鉆孔布置示意圖Fig.2 Layout of observation boreholes in this layer

圖3 運輸巷本層觀測鉆孔CO 體積分數隨時間變化情況Fig.3 The variation of CO concentration with time in this layer of transport channel

圖4 回風巷本層觀測鉆孔CO 體積分數隨時間變化情況Fig.4 The variation of CO concentration with time in this layer of return air channel

由圖3、圖4 可知，運輸巷3 個本層觀測鉆孔最大CO 體積分數為520×10-6，且各鉆孔CO 體積分數（平均超過300×10-6）一直維持在較高水平；回風巷3 個本層觀測鉆孔最大CO 體積分數為220×10-6，1#和2#觀測鉆孔CO 體積分數呈現明顯下降趨勢，3#觀測鉆孔CO 變化波動不大；將運輸巷和回風巷相同深度的觀測鉆孔CO 體積分數進行比較，運輸巷側觀測鉆孔CO 體積分數均高于回風巷側。

4 結 語

1）上覆采空區和鄰近采空區內均未發現高體積分數CO，只有在本層觀測鉆孔內發現了高體積分數CO，說明南五902 工作面運輸巷和回風巷松動圈高體積分數CO 來源于本工作面，分析原因是由于兩巷道巷幫松動圈內破碎煤體自然氧化所致。

2）對比運輸巷和回風巷本層觀測鉆孔CO 數據，進一步得出運輸巷在O2更為充足的條件下，其松動圈內破碎煤體較回風巷側更易發生自然氧化反應。