韓咀煤業一氧化碳治理研究應用

文昌俊

摘要：針對韓咀煤業上分層受小窯開采破壞嚴重，周邊小窯內發生過外因火災，處理不當致使韓咀煤業井田內存在火區未熄滅等因素。導致1202首采工作面主運巷出現一氧化碳超限問題。針對性采取了施工隔離巷道、采用均壓通風、地面注黃泥漿隔絕降溫、井下注氮惰化等手段保證了礦井安全生產。

Abstract： The stratification of the coal mine in the Hanzui coal mine was seriously damaged by small kiln mining， and external fires occurred in the surrounding small kiln. The improper handling caused the non-extinguishment of the fire zone in the Hanzi coal industry， which led to the problem of carbon monoxide overrun in the main roadway of 1202 mining face. Some means are taken to ensure the safe production of the mine， such as， construction isolation roadway， using pressure equalization ventilation and ground injection yellow mud isolation for cooling， underground nitrogen injection inerting， and so on.

關鍵詞：韓咀;一氧化碳;分析;防治技術

Key words： Hanzui;carbon monoxide;analysis;control technology

中圖分類號：TD711 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）09-0115-04

1 ?礦井基本情況

山西華晉韓咀煤業有限責任公司井田由原山西鄉寧譚韓煤業有限公司、山西鄉寧菩薩灘煤業有限公司、山西鄉寧峰鑫煤業有限公司、山西鄉寧宇田煤業有限公司（十關閉礦井）四座煤礦與王家嶺井田F30斷層以南和以北小煤窯破壞區域的大礦不宜開采的資源整合而成。

井田周邊礦井及小窯較多，井田北部為本公司王家嶺井田，西部為山西鄉寧華晉吉寧煤業有限公司井田、山西鄉寧棗嶺萬通煤業有限公司為鄰，東北部為山西鄉寧華晉華寧煤業有限公司井田，東部為山西省鄉寧縣毛則渠煤炭有限公司井田，南部為山西鄉寧可澗煤業有限公司、鄉寧縣棗嶺鄉凡水渠煤礦、山西鄉寧長咀灣煤業有限公司、山西鄉寧通合煤業有限公司井田相鄰。

經鑒定，2015年韓咀煤業礦井瓦斯等級為低瓦斯礦井，2號煤層煤塵具有爆炸性，自燃傾向性等級為Ⅱ類，類別為自燃，煤塵自然發火期為154-230天。

2 ?項目開展背景

韓咀煤業井田范圍內存在一處火區，是原鄉寧峰鑫煤業在2006年8月因皮帶摩擦著火引起，火區位于我礦1202首采工作面東側約458m處。火區雖于2007年經過灌漿治理得到了控制，但未能使其徹底熄滅，1202主運巷掘進至270m處時揭露空巷，CO氣體通過揭露的空巷溢至1202主運巷，工作面CO濃度超標（達到50ppm），掘進工作面施工被迫停止。通過采用增壓調節、噴漿封堵、加強檢查等措施，工作面CO濃度降至安全范圍以內，確保1202工作面切眼安全貫通。1202工作面形成后，由于通風方式的改變，CO氣體再次出現，局部地點一度達500ppm，通過施工鉆孔、取樣分析化驗，老空內CO氣體濃度最高達到800ppm，嚴重威脅礦井的安全生產。為了確保1202首采工作面安全順利施工，具備聯合試運轉條件，韓咀煤業一氧化碳綜合治理工作迅速展開。

3 ?實施過程

3.1 火區位置查找

3.1.1 火區位置調查

通過對當地老職工的走訪調查、查找原始資料結合實地勘察情況，確定我礦1202工作面東側約458m處存在一處火區，該火區是原鄉寧峰鑫煤業于2006年8月因皮帶摩擦著火引起，雖然在2007年經過灌漿治理火區得到基本控制，但沒有徹底熄滅，導致1202主運巷掘進期間CO氣體通過揭露的空巷溢至工作面。

3.1.2 氡法探測火區范圍

3.1.2.1 基本原理

氡作為放射性同位素，其衰變的子體為固體粒子，因此在測量時既可測氡氣，又可測其子體而反映母體核素的形態及變化狀況。氡子體有很強的吸咐能力，它們能牢固地附著在器物表面。因此可用不同的方法將氡或其子體收集進行測量。

氡的析出受巖性、礦物粒度、空隙度、氣壓、地應力、地下水及介質溫度等因素影響。對煤樣不同粒度等級進行加溫氡測定，隨溫度的上升，煤樣中的氡析出強度有顯著的增加，且粒度越小，氡的析出量在相同溫度下越大，當達到一定溫度后趨勢逐漸變緩。

在同樣的地質地層條件下，當地下煤層發生氧化升溫或自燃時，其周圍及上覆巖層中天然放射性氡的析出率增大。由于氡衰變時的離子交換作用，使其反映到地表而形成放射性異常，該異常可作為反映溫度的信息而被檢測出來，這就是同位素測氡法探測煤層自燃的原理。檢測數據經過專用原計算機程序處理后，可得出火源位置。其探測深度可達500m，理論研究可達800-1200m。

3.1.2.2 探查結果

為準確確定火區的位置，聘請西安西科產業發展有限公司專業技術人員采用現場調查、踏勘、GPS控制測量和氡法探測等手段，勘查了老采空區地形，探明了隱蔽高溫區的范圍。勘測結果顯示，老采空區總面積4.7萬平方米，查明韓咀礦煤層明顯氡異常區8處，根據圈定的異常區邊界向外推 10～30m，估算其中：A處異常高溫區影響面積約900m2;B 處異常高溫區影響面積約400m2;C處異常高溫區影響面積約2000m2;D處異常高溫區影響面積約 800m2;氡異常疑似高溫區域范圍為：E、F、G處異常區影響面積約300m2，H處異常影響面積約40m2，總高溫及影響區面積約為4500m2。

通過對地面裂隙排查和氡法探測精準找到原鄉寧峰鑫煤業皮帶摩擦著火引發火災的影響范圍。（附《韓咀礦火區詳細勘探報告》）

3.2 鉆孔注漿（水）降溫、堵漏技術

在準確確定火區范圍后，通過向火區施工鉆孔，利用鉆孔注漿（水），進而達到降低火區溫度、封堵裂隙漏風的目的，使得火區徹底熄滅。

3.2.1 常規鉆孔注漿

在副斜井1070m處施工了6個常規注漿鉆孔，此處底板和老空區底板高差約56m。共施工鉆孔6個，注漿成孔5個，孔口套管Φ108mm，鉆孔直徑Φ75mm。7月7日，開始向老采空區注水、注黃泥漿（水土比4：1）。

3.2.2 定向鉆孔注漿

由于目標靶點區域為采空區，要求鉆孔軌跡要盡可能鉆至采空區，需要穿過裂隙帶進入冒落帶，常規鉆孔不可能達到這樣的要求，需要施工定向鉆孔。結合礦井實際情況，目標靶點確定為距CO富集區底板標高25m處，采用中煤科工集團西安研究院有限公司研制生產的ZDY6000LD鉆機及配套設備進行施工，自2015年8月9日開工，至2015年8月25日完工，實際完成鉆探工作量為587m。在1070m硐室施工定向鉆孔，向高溫異常區施工定向注漿鉆孔3個。定向鉆孔由高處向下鉆入裂隙帶，使黃泥漿充分自流，提高了注漿效率。

①A-1號鉆孔，開孔孔徑Φ153mm，方位279°，傾角0°，成孔孔徑Φ98mm，方位278.3°，傾角0.5°，孔深117m;

②A-2號鉆孔，開孔孔徑Φ153mm，方位281°，傾角10°，成孔孔徑Φ98mm，方位287.7°，傾角-21.8°，設計孔深375m。鉆孔施工到285m處時，達到火區預定位置上方，后經研究退后90米開分支施工A-2-1號鉆孔。

③A-2-1號鉆孔，方位285.19°，傾角-13.4°，孔深95m;8月14日開始通過定向鉆孔往一氧化碳異常集聚區注漿。

此次鉆探應用嚴格按照設計進行，充分顯示出定向鉆進的優勢，精確控制鉆孔軌跡，A-1孔終孔深度是117m，終孔時無返水，經下孔窺視儀器確定鉆遇較大裂隙，A-2終孔深度是375m，A-2-1分支孔鉆進至215m不返水，提鉆終孔，終孔分支進尺95m，終孔點鉆進時無返水、提鉆封孔。通過定向鉆孔向目標靶點區域灌注黃泥漿（灌注32518m3、注水30萬m3），起到了火區降溫、漏風通道封堵、隔絕滅火效果。

3.3 物理隔離及均壓通風技術應用

3.3.1 施工隔離巷

經邀請的專家和公司領導研究論證，決定施工一條平行于1202主運巷的隔離巷，徹底隔離1202工作面東部火區。隔離巷具體位于1202主運巷東側405m位置、中央變電所西側，與原火區位置大約80m距離，設計掘進距離580m，至F2斷層邊緣，以達到工作面和火區的徹底隔離。

3.3.2 隔離巷施工期間的有效措施

在此區域內小煤窯空巷及采空區都是上分層開采，所以隔離巷施工定為沿煤層頂板掘進，以便于對施工過程中揭露的上分層老空巷采取封閉、注漿、注氮等措施，對下分層揭露的老空巷填埋、壓實，達到滅火、隔離的作用。

在隔離巷施工至154m位置時，工作面出現了CO氣體，濃度達到50ppm，進一步明確了火區的位置，結合地面氡探測給出的高溫區域，礦井決定在副斜井1070m處打鉆注漿。當隔離巷施工到260m時，迎頭出現了注漿水，當時水溫41°，判斷為副斜井1070m處注漿水流經高溫火區;后經封堵、控制，繼續注漿，水溫逐步降至常溫;經公司和礦相關領導現場考察、研究，制定方案：隔離巷迎頭退后50m右拐彎施工，原工作面進行永久封閉，并進行注漿、注氮。經過半個月的努力，到11月3日1202工作面上隅角一氧化碳濃度降為0，標志著我礦一氧化碳治理工作取得階段性的勝利。

3.3.3 均壓通風技術應用

在火區治理過程中，礦井采用均壓通風技術抑制各地點的CO涌出。

①礦井負壓調整。

根據1202工作面主運巷CO溢出情況，決定調整礦井主要通風機負壓，通過調整主要通風機觀察窗，使得礦井負壓由1140Pa降低至960Pa，各地點漏風量和CO氣體溢出量顯著降低。

②1202工作面調壓。

在1202工作面回風通道設置永久調節，將工作面進回風巷壓差控制在5mm之內，工作面風量由1520m3/min降至740m3/min，有效控制了工作面CO的涌出量，降低了裂隙的漏風量。

③隔離巷施工期間的調壓。

在隔離巷口和回風巷口分別設置永久調節，通過斷面的調節實現對隔離巷CO涌出和裂隙漏風的控制，為火區治理各項工作的開展創造了積極的條件，如圖2所示。

3.4 注漿（氮）技術應用

3.4.1 注漿系統

在回風立井工業場地建有黃泥灌漿站，制漿機型號為LHZ-60，泥漿土水比為1：4;每小時制漿量為60m3/h。隔離巷施工至510m處對迎頭進行了封閉注漿，后退至460處拐彎施工至斷層邊界（已超過1202工作面和20100工作面切眼）。隔離巷按照設計施工到位后，又對隔離巷道兩幫及頂板進行補噴漿，對裂隙進行了注水泥漿封堵，防止漏風，使隔離巷起到了真正的隔離作用。

3.4.2 注氮系統

采用可移動式注氮系統，在1202輔運巷布置注氮硐室。選用DT-700/6制氮裝置，生產能力700m3/h，機組總功率286kW。隔離巷施工至510m處對迎頭進行了封閉注氮，減少火區氧氣含量，防止火區復燃;向1202首采工作面采空區進行注氮，防止通過裂隙向火區供氧。

3.5 綜合監測數據分析

2016年 1月29日對隔離巷進行了永久封閉，并在主要靠近火區的密閉內留設了監測束管，以便對火區治理效果進行嚴密的監測。

在隔離巷整個治理過程中累計向火區注黃泥漿49234m3，累計注水為15546m3，累計注氮215000m3。其中通過隔離巷累計注漿量為16716m3、注氮215000m3。通過外圍常規鉆孔和高位定向鉆孔累計向火區注黃泥漿32518m3，對隔離巷噴漿610m。于2016年元月29日進行永久封閉。在火區封閉期間，每天通過束管采樣，分析各氣體成分，經過近一個半個月的觀察與分析，CO濃度為0，烯烴和炔烴沒有檢測到，從隔離巷流出的注漿水溫度已經降到20℃，屬于正常水溫。1202工作面恢復正常通風（風量調整到1500m3/min），1202主運巷、1202工作面回風隅角均未出現一氧化碳氣體和其它煤層發火標志性氣體，近一個半月的各種氣體監測情況曲線圖如圖3-圖5。

3.6 效果驗證

通過氣體監測分析，留設束管內各種標志性氣體CO、烷烴、烯烴的濃度均為0，隔離巷的出水水溫為22℃，氣體溫度和正常巷道內空氣溫度相同，1202首采工作面回采期間回風隅角及主運巷均未出現CO氣體和其他自然發火標志性氣體。可初步判斷原峰鑫煤業膠帶燃燒引起的火災至此已得到有效控制，標志著CO治理項目的階段性勝利。

20100工作面設計前，由中煤華晉公司總工程師組織對20100工作面主要致災因素進行詳細分析，并出具安全評價報告，認為韓咀煤業火區治理效果顯著，對礦井安全生產的威脅已經解除，同意20100工作面的生產設計。在20100工作面掘進時期和回采時期，均未檢測發現CO或其他煤層自燃發火標志性氣體，標志著CO治理項目的全面勝利。

4 ?項目取得成果

4.1 安全效益

安全是企業永恒的主題。抓好安全不僅是最大的政治、最大的任務、最大的責任和干部員工最大的業績，而且也是最大的效益。韓咀煤業火區的成功治理，使得1202首采工作面可以安全順利完成回采任務，礦井也順利通過項目驗收，正式轉為安全生產礦井。

4.2 經濟效益

通過一氧化碳治理研究各項措施的應用，火區治理取得顯著成效，20100工作面得以安全完成回采任務，累計釋放20100原煤產量65.1萬噸，按照當時原煤價格300元/噸估算，直接營業收入19530萬元，有效緩解了礦井當時接續緊張的局面，也為公司取得了很大的經濟效益。

4.3 技術成果

通過此次火區治理各項措施的應用，我們初步掌握了火區治理技術的應用，利用氡法探測探明火區的大致范圍，利用SF6掌握了火區附近的漏風通道，通過施工隔離巷、采用常規鉆孔和定向鉆孔向目標區域注漿、注氮，在此期間利用束管監測系統強化數據檢測與分析，最終有效解決了火區對礦井的安全威脅。

5 ?結束語

顯然，韓咀煤業一氧化碳治理研究應用項目最終取得了成功，一系列有效措施的應用是項目成功的關鍵。

5.1 氡法探測火區范圍

在本項目中，利用氡法探測火區技術，累計探測面積為4.7萬m2，取得基礎數據171組，給出了測定區域的高溫點分布情況，推測異常區域總面積約為4500m2，探明了隱蔽高溫區的范圍，為接下來的治理研究指明了方向，為火區治理的成功奠定了基礎。

5.2 隔離巷的施工

為了有效阻隔1202工作面通向火區的漏風通道，同時控制火區的影響范圍，防治火區繼續向礦井其他區域蔓延，采用施工隔離巷的措施，在1202首采工作面與原火區中間，利用f37號老巷沿煤層頂板施工一條CO隔離巷。為了徹底隔絕CO擴散通道，在施工過程中對揭露的上分層老空巷進行永久密閉、下分層老空巷進行填埋、壓實，同時配合采用注漿、注氮、噴漿封堵裂隙、束管監測等措施，直至2015年11月3日，隔離巷效果初顯，1202工作面CO下降為0。

5.3 千米定向鉆孔施工

為了確保注漿效果，需要使注漿鉆孔軌跡形成一條拋物線，首先從打鉆位置提升，穿過穩定的煤層頂板巖層，通過角度調整，降低傾角最終到達火區上方裂隙帶，而常規鉆孔不能人為控制角度，在此次治理項目中，礦井采用定向鉆孔技術，精確控制鉆孔軌跡，達到了預期目的，為礦井注漿滅火工作順利進行鋪平了道路。

參考文獻：

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[3]勞動部教材辦公室組織編寫.通風與安全[M].中國勞動出版社，1997.