綜放工作面回風上隅角CO 超限分析及防治技術研究

李君志

（山西汾西瑞泰正中煤業有限公司， 山西 靈石 031300）

自燃發火傾向性煤層開采時，如何避免煤層自燃是煤炭開采時需重點解決的問題，同時隨著礦井采深增加，煤層自燃發火影響更趨明顯[1-2]。綜放開采方式具有經濟效益好、煤炭產量高等優點，但是受開采工藝制約，采空區內有大量遺煤，當開采煤層有自燃發火傾向性時采空區遺煤自燃發火概率較高[3-7]。山西某礦20503 綜放開采工作面回采期間回風上隅角監測到有CO 涌出，為此文中就對回風上隅角涌出原因進行分析并針對性提出治理措施，現場取得效果。

1 工程概況

山西某礦設計生產能力500 萬t/年，井田內有5層可采煤層，其中現階段主要回采上部5 號煤層。5號煤層厚度平均7.5 m，煤種為褐煤，頂底板為泥巖、粉砂巖。5 號煤層賦存穩定，全區可采，原始瓦斯含量為1.8 m3/t，煤層具有自燃發火傾向性，自燃發火周期介于55～439 d。

20503 綜放工作面回采5 號煤層，設計推進長度2 785 m、傾向長度235 m，開采范圍內煤層傾角平均5°，采面推進速度為2.4 m/d。

2 采面回風上隅角CO 涌出分析

2.1 回風上隅角CO 涌出現狀分析

20503 綜放工作面回采的5 號煤層自燃發火傾向性為I 類，煤層具有較強的吸氧能力，自燃發火周期最短為55 d。采面回采期間采用U 型通風方式，配風量為1 030 m3/min，回風巷以及回風上隅角瓦斯濃度（體積分數）分別穩定在0.06%、0.12%。在采面回采過程中受地質構造影響，采面推進速度較慢，回風流以及回風上隅角位置監測到CO，起初CO 濃度（體積分數）在5×10-6～13×10-6，隨著煤炭回采推進，回風流以及回風上隅角CO 濃度呈增加趨勢，最高可達到120×10-6，后期雖然通過調整通風、采空區注氮以及噴灑阻化劑等方式進行防滅火，但是由于未能掌握CO 涌出來源，從而導致回風流以及回風上隅角CO仍在50×10-6以上。

2.2 CO 涌出來源

已有研究成果表明，回采工作面內CO 來源包括井下爆破、采空區遺煤自燃、煤層原始賦存以及采煤回采過程等情況。通過現場測定以及實驗室分析，開采的5 號煤層中CO 原始含量較低，不會導致回風上隅角CO 超限；爆破產生的CO 量較小同時持續時間較短；因此判斷20503 綜放工作面回風巷以及回風上隅角CO 來源于煤炭回采以及采空區遺煤氧化自燃。

現場統計發現，20503 綜放工作面割煤及放煤前后回風上隅角CO（體積分數）在5×10-6～12×10-6，同時采面在運煤過程中煤體氧化也會產生新的CO，從而導致采面內有一定濃度CO，但是CO 濃度整體較小。考慮到采面采用綜放開采，采空區內遺煤量較大，同時采空區有一定漏風，導致遺煤在氧氣作用下出現氧化，在氧化過程中釋放大量CO；但是采面回風巷以及回風上隅角未監測到溫度增加，同時未監測到乙烯等遺煤自燃標志性氣體，因此判定采空區內遺煤僅出現氧化，未出現自燃。

綜合上述分析，判定20503 綜放工作面回采期間回風巷以及回風上隅角位置CO 主要來源于采面開采以及采空區遺煤氧化，同時采空區內遺煤僅處于氧化階段無自燃發火危險性。

3 CO 涌出綜合治理技術

為有效治理20503 綜放工作面回風上隅角CO超限問題，提出采用以回風上隅抽采為主，以噴灑阻化劑、均壓通風以及帷幕注氮為輔的綜合治理措施。

3.1 上隅角埋管

根據采面采空區“三帶”分布情況，提出采用邁步式抽采方式進行抽采。在采面回風巷內鋪設一趟管徑150 mm 低負壓抽采管路，并間隔30 m 布置三通、閥門，通過埋設抽采管進行接抽。采空區埋管接抽范圍內進入采空區后方15～30 m，從而確保抽采進氣口始終在采空區漏風帶內。具體回風上隅角采空區埋管抽采布置見圖1 所示。

圖1 回風上隅角采空區埋管抽采示意圖

3.2 采空區帷幕注氮

通過向采空區內注入惰性氣體，可達到抑制遺煤氧化進程并降低CO 生產量。具體采面內注氮管路布置見圖2 所示，在采面走向方向間隔30 m 布置一個長度200 m 雙抗管，在接近雙抗管出口4～20 m 范圍內為花管。當監測到回風上隅角以及回風巷內CO 濃度（體積分數）較高時即開始進行注氮（氮氣純度在97%以上），注氮后對采空內氧氣濃度（體積分數）進行測定，當濃度在8%以內即可停止注氮。

圖2 采空區帷幕注氮示意圖（m）

3.3 局部均壓通風

在采面采區局部均壓通風（見圖3）來降低采空區CO 涌出，具體措施為：取消采面回風側原有調節風門，在回風巷靠近采面位置布置2 到均壓風障，風障有效控風斷面約為1.36 m2，將采面回風巷風量控制在1 350 m3/min。通過適當提高靠近采面回風巷側風壓來達到減少采空區CO 涌出目的。

圖3 采面局部均壓通風示意圖

4 采面CO 涌出治理效果分析

在采面采用采空區埋管、噴灑阻化劑、均壓通風以及氣幕稀釋等措施后，對回風上隅角位置CO 濃度（體積分數）測定，具體測定結果見圖4 所示。

圖4 回風上隅角CO 及瓦斯濃度測定結果

從圖4 中看出，通過在采面采取綜合治理措施后，回風上隅角位置CO 濃度（體積分數）穩定在8×10-6，瓦斯濃度（體積分數）穩定在0.12%。回風流中CO 濃度（體積分數）穩定在5×10-6以內、瓦斯濃度（體積分數）在0.06%以內，現場取得較好的CO 涌出防治效果。

5 結論

20503 綜放工作面開采的5 號煤層為褐煤，受到開采工藝以及回采范圍內地質構造發育等因素影響，采空區內有大量遺煤；遺煤在采空區氧氣作用下出現氧化，釋放CO 并向回風上隅角以及回風巷涌出，從而導致回風上隅角CO 超限。采空區內溫度正常且未監測到乙烯等自燃發火標志性其他，表明遺煤僅處于氧化階段未自燃。

提出以采空區埋管為主，噴灑阻化劑、均壓通風以及氣幕稀釋等為輔的CO 涌出治理措施，并依據采面實際情況對措施實施方案進行設計。現場應用后，采取的措施可以抑制并延緩采空區遺煤氧化進度，在降低CO 產生量的同時減少采空區CO 向開采空間內涌出量；回風上隅角以及回風巷內CO 濃度（體積分數）分別降低至8×10-6、5×10-6以內，取得較好的CO 涌出防治效果。