低變質易自燃厚煤層工作面CO負壓引排技術研究

曹景軒 CAO Jing-xuan；張寶祿 ZHANG Bao-lu；路寧 LU Ning；師吉林 SHI Ji-lin；趙亞明 ZHAO Ya-ming

（①國網能源哈密煤電有限公司大南湖一礦，哈密 839000；②中煤科工集團沈陽研究院有限公司，撫順 113122；③煤礦安全技術國家重點實驗室，撫順1 13122）

0 引言

我國煤炭資源儲量大，煤層地質特征多樣，開采容易自燃、自燃煤層的礦區分布廣。據統計，晉陜蒙新地區，開采容易自燃、自燃煤層的井工煤礦占比為77.1%[1]，特別是新疆地區普遍存在開采煤層變質程度低，煤層自然發火期短的特點，開采過程中煤層伴有低溫氧化現象，在常溫下工作面及采空區的破碎遺煤即可氧化產生大量CO氣體，導致井下綜放工作面回風隅角等區域CO濃度超過24 ppm，嚴重干擾礦井自然發火預測預報工作和井下作業人員的職業健康[2-6]。

許濤等[7]研究了煤低溫氧化過程的分階段特性以及不同階段所表現出的動力學特征；姬俊燕等[8]開展了基于CO濃度的煤低溫氧化反應特性試驗研究；張平等[9]分別對基于CO濃度和耗氧量的煤低溫氧化反應機制進行了試驗研究；黃光利等[10]進行了老年褐煤綜放工作面CO來源分析及治理技術研究。前述研究揭示了煤的低溫氧化反應特性和反應機制，也提供了褐煤低溫氧化CO治理技術，但是針對低變質易自燃煤層工作面CO超限治理效果有限。筆者通過分析大南湖一礦1307工作面CO來源分布，提出了針對低變質易自燃煤層工作面CO超限治理的技術思路，建立了工作面CO負壓引排系統，經現場考察確定了治理技術的關鍵參數，并成功應用。

1 礦井概況

大南湖一礦位于新疆哈密市，地處大南湖煤田東部，設計生產能力為10Mt/a，主采的3煤層煤質為褐煤、長焰煤，屬于低變質煤種，煤層自燃傾向性為Ⅰ類，最短自然發火期為37天，煤層開采過程中存在低溫氧化現象。1307工作面走向長度3408m，傾向長度238m，機采高度3m，放煤高度6.98m，配風量約1800m3/min，正常回采時期工作面回風隅角CO濃度均達到120ppm以上。

2 CO來源分析及超限治理思路

2.1 CO來源分析

研究表明，回風隅角CO的來源分為煤層原始賦存、采煤過程中產生、采空區遺煤氧化以及井下爆破生成等4類[11-12]。通過現場觀測、實驗室分析，大南湖一礦1307工作面回風隅角CO氣體主要來源為煤層開采過程中及開采后的煤氧化產生；煤層原始賦存CO含量極少；井下爆破生成的CO持續時間有限，只在短時間內引起風流CO增大。

通過對大南湖一礦1307工作面進風巷至回風巷沿線多個觀測點的統計分析，得到了非生產時期和生產時期采煤工作面CO濃度場、溫度場及遺煤厚度分布規律，經計算得到了非生產時期和生產時期采煤工作面不同區域煤體對回風隅角CO濃度的分源占比，研究發現：回風隅角CO氣體來源于后溜條帶狀浮煤的占比在64.3%以上，來源于采空區的CO占比不高于35.7%，其中回風隅角CO超限防治的重點區域是133#架至回風隅角對應的后溜區域。

2.2 CO超限治理思路

根據我國多年的瓦斯治理經驗可知，通過瓦斯抽放可解決煤層瓦斯涌出導致的瓦斯災害問題[13-14]，因此基于瓦斯抽放技術，提出回風隅角CO負壓引排技術。因大南湖一礦3煤層開采過程中，回風隅角、回風流、總回風流內的CH4濃度長期為0，屬于乏風的范疇，因此CO負壓引排技術屬于乏風治理的范疇。同時，由于回風隅角CO引排屬于敞開式排風，故該引排方法屬于低負壓引排[15]。

具體治理思路是：針對回風隅角CO超限治理重點區域建立CO引排系統，采用負壓引排方式將回風隅角集聚的CO經管路引排至總回風，從而降低回采工作面和回風隅角的CO氣體濃度。

3 CO負壓引排技術

3.1 CO負壓引排系統

3.1.1 系統概況

大南湖一礦1307工作面CO負壓引排系統包含引排泵站、引排管路及附屬裝置。

引排泵站設置在3煤層輔助運輸大巷二反掘車場內，CO負壓引排泵是型號為2BEC72的水環式真空泵，泵站配套設施包含供電、通訊、給排水、泵站通風、CO排放、遠程控制等。

引排管路選用內徑為600mm的螺紋焊接鋼管。引排系統附屬裝置包含控制閥門、測壓嘴、孔板流量計、負壓放水器、泵站監測系統等。

大南湖一礦1307工作面CO負壓引排系統于2021年8月建立并試運行。

3.1.2 管路敷設路線

經現場查勘，確定管網系統敷設路線為：

1307工作面回風隅角→1307工作面輔運順槽→3煤回風大巷→CO引排泵站→3煤回風大巷。

3.2 CO引排工藝

負壓引排的主要原理是在工作面上隅角形成一個負壓區，使該區域內CO氣體由負壓引排管路排走，這可以避免工作面上隅角處局部位置因風流不暢或微風引起的CO超限，還可解決因漏風使采空區向上隅角涌出CO而造成的CO超限。

為操作方便，靠近采面上隅角的管路可采用鎧裝軟管與主負壓引排管路連接，將鎧裝軟管插入上隅角（管壁穿有小孔）。隨著工作面的推進，拆下前端一段主管路，移動負壓引排軟管，如此反復，負壓引排工藝如圖1所示。軟管可采用10〞管，負壓引排管伸入上隅角長度及位置應根據實際負壓引排效果，不斷調整，得到合理的參數。

圖1 回風隅角負壓引排方法示意圖

3.3 CO引排關鍵參數

采煤工作面CO負壓引排效果主要取決于引排風量和引排口位置。引排風量太小不足以將回風隅角高濃度的CO氣體引排走，無法有效解決CO超限問題；工作面CO引排口位置合理與否對CO的引排效果也起著至關重要的作用。

3.3.1 引排風量

對于U型通風系統工作面，其回風隅角是采空區漏風的主要漏風匯，架間漏風遠小于回風隅角區域的漏風，假設流經采空區的漏風均從回風隅角區域漏入工作面，則由采空區漏風所含的CH4總量與總回風流內的CH4總量相等，則可用下式計算回風隅角的過風量：

式中：

Qy、Qh—分別為回風隅角過風量和回風巷風量，m3/min；

Cy、Ch—分別為回風隅角區域和回風流中的CH4濃度，%。

根據1307工作面回風隅角區域CH4傳感器和回風巷中CH4傳感器的濃度在線監測數據，同時將工作面風量代入上式，計算得出回風隅角的過風量約為251m3/min。

為治理回風隅角區域的CO超限，回風隅角的引排風量必須超過回風隅角的過風量，因此回風隅角設計引排風量大于251m3/min。

3.3.2 吸風口位置

由于1307工作面CO氣體來源于后溜條帶狀浮煤的占比在64.3%以上，其中來源于133#支架至回風隅角后溜條帶狀浮煤占55%，因此CO負壓引排時需有效消除該區域的高濃度CO氣體。

CO負壓引排系統吸風口的具體設置為：主吸風口掛在回風端頭支架尾梁頂部，沿回風巷走向布置在工作面與采空區交界位置；同時，向136#支架機尾減速機上部設置一道吸風管路，端頭吸風口不封堵，利用此段管路將減速機上部富集的高濃度CO氣體引排出。吸風口布置如圖2所示。

圖2 CO負壓引排吸風口位置示意圖

3.4 引排效果

大南湖一礦1307工作面負壓引排系統試運行期間通過不斷優化負壓引排關鍵參數，取得了良好的引排效果。

①1307采煤工作面回風隅角CO濃度由引排前的120ppm左右，降至引排后的14ppm，同時回風巷中CO濃度由引排前的31ppm降至9ppm，兩者降幅分別達到89%和71%，有效解決了工作面CO超限問題。

②CO負壓引排系統吸風口的吸風量越大引排效果越好，但為避免因引排而誘發采空區自燃問題的發生，引排風量控制在500m3/min以下，引排系統運行期間本工作面采空區及臨近采空區均未發現異常。

4 結論

①針對低變質易自燃厚煤層工作面常規技術無法有效解決工作面CO超限問題，通過在工作面建立CO負壓引排系統，回風隅角、回風巷中的CO濃度分別由負壓引排前的120ppm、31ppm降至負壓引排后的14ppm和9ppm，有效解決了工作面CO超限問題。

②采煤工作面CO負壓引排技術的關鍵是確定合理的負壓引排風量和引排口位置。