小煤柱綜放工作面有害氣體治理技術(shù)研究

吉華鋒

(山西焦煤 霍州煤電錦程煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000)

小煤柱掘進(jìn)技術(shù)已在煤礦得到普遍應(yīng)用，可節(jié)約大量煤炭資源。與此同時(shí)，煤柱寬度減小致使煤柱承載能力較弱，在工作面開采時(shí)，煤柱受臨空側(cè)懸板壓力影響，煤體已產(chǎn)生屈服應(yīng)變，形成了部分裂隙通道與相鄰采空區(qū)導(dǎo)通。采空區(qū)內(nèi)充滿大量的低氧氣體及有害氣體，主要有高濃度的N2和CO2及一定濃度的CO等有害氣體[1-2]，對(duì)于正在回采的采煤工作面，如果不能及時(shí)有效進(jìn)行治理，相鄰采空區(qū)的有毒有害氣體就會(huì)在生產(chǎn)工作面正常負(fù)壓通風(fēng)[3]的作用下，通過導(dǎo)通的裂隙進(jìn)入工作面致使工作面氣體傳感器報(bào)警，甚至?xí)l(fā)事故[4-5]。綜放工作面由于開采強(qiáng)度大、形成采場(chǎng)空間大、礦壓顯現(xiàn)更為強(qiáng)烈[6]，更容易與相鄰采空區(qū)導(dǎo)通，因此對(duì)相鄰采空區(qū)有害氣體防治難度更大[7]，因此，解決好小煤柱綜放工作面上隅角低氧和采空區(qū)CO超標(biāo)問題，迫在眉睫。

1 工作面概況

錦程煤業(yè)8211工作面，開采煤層為9+10號(hào)煤層，煤層平均厚6.93 m，煤層平均傾角為4.5°.經(jīng)測(cè)定，煤層自燃傾向性為自燃，等級(jí)為Ⅱ級(jí)，最短自然發(fā)火期為80 d，煤塵具有爆炸性。8211工作面走向長(zhǎng)1 245 m，傾向長(zhǎng)為241 m，開采工藝為綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝，共布置140個(gè)放頂煤支架,工作面為U型通風(fēng)方式，見圖1，2211巷為進(jìn)風(fēng)巷，矩形斷面凈斷面18.9 m2；5211巷為回風(fēng)巷，矩形斷面凈斷面18.2 m2.8211工作面機(jī)采高度2.8 m，平均放煤高度為4.13 m.8211工作面東側(cè)和北側(cè)為實(shí)體煤，西側(cè)為三條盤區(qū)大巷，南側(cè)為8210工作面采空區(qū)，煤柱留設(shè)寬度8 m，工作面上部無采空區(qū)。8211工作面布置以下通風(fēng)設(shè)施：在5211、2211巷回風(fēng)繞道處安設(shè)兩道調(diào)節(jié)；在5211巷口至5211回風(fēng)繞道之間設(shè)置兩道全自動(dòng)風(fēng)門，將5211回風(fēng)巷與盤區(qū)輔運(yùn)大巷風(fēng)流隔開。

圖1 8211工作面布置示意

2 回采初期有害氣體情況及采取措施

2.1 初采50 m范圍內(nèi)O2和CO情況及治理措施

8211工作面回采初期,沿用以往工作面上隅角低氧治理經(jīng)驗(yàn)：穩(wěn)裝工作面尾部支架時(shí)，減少1個(gè)支架穩(wěn)設(shè)以加寬回采時(shí)安全通道寬度，便于上隅角通風(fēng)；將工作面風(fēng)量調(diào)配至2 700 m3/min；配套端頭封堵，每推進(jìn)5 m使用風(fēng)障封堵頭尾端頭，噴灑阻化劑等措施，預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃；待工作面推進(jìn)15 m后開始放頂煤后，通過前期預(yù)埋在切眼處管路向采空區(qū)預(yù)防性注氮，流量600 m3/h，期間上隅角O2濃度基本保持在19.5%以上，CO濃度在30×10-6以下。

2.2 初采50～100 m范圍O2和CO情況及治理措施

當(dāng)工作面回采至采位80 m時(shí)，5211巷進(jìn)采空區(qū)80 m、60 m束管檢測(cè)CO濃度為60～63×10-6,根據(jù)變化曲線分析，CO有不斷上升趨勢(shì)，見圖2.鑒于采空區(qū)CO異常，重點(diǎn)開展采空區(qū)防火工作，并采取以下措施：調(diào)整注氮步距及注氮量，將注氮步距從初期的40 m逐步向30 m調(diào)整,并加大注氮量，注氮總量達(dá)到1 900 m3/h；下調(diào)工作面風(fēng)量，將工作面風(fēng)量從2 700 m3/min下調(diào)至2 300 m3/min，減少采空區(qū)漏風(fēng)；強(qiáng)化端頭封堵，每推進(jìn)5 m在頭尾端頭構(gòu)筑粉煤灰墻；強(qiáng)化氣霧阻化，在頭部端頭架后增設(shè)一個(gè)噴頭，與阻化泵連接，每天不間斷向后運(yùn)輸機(jī)區(qū)域噴灑阻化劑(20%氯化鎂溶液)；每班進(jìn)行人工取樣氣體并及時(shí)化驗(yàn)分析。采取上述措施后，采空區(qū)O2濃度有所下降，但CO濃度仍持續(xù)偏高。分析低氧主要由于降低工作面風(fēng)量、加大了采空區(qū)注氮，導(dǎo)致上隅角區(qū)域O2濃度下降，最低時(shí)達(dá)到15.2%.

圖2 8211工作面有害氣體濃度變化曲線

2.3 初采100～150 m范圍O2和CO情況及治理措施

在工作面125號(hào)、135號(hào)支架處設(shè)置架間導(dǎo)風(fēng)風(fēng)障,在138號(hào)、139號(hào)支架處安裝射流器向上隅角提供新鮮風(fēng)流。在采取上述綜合措施后，上隅角區(qū)域O2有所提升，但O2傳感器仍頻繁報(bào)警，最低14.8%.與此同時(shí)，采空區(qū)CO未得到有效控制，氣體濃度仍持續(xù)升高，于是開始新增治理措施：進(jìn)一步提升采空區(qū)注氮量，將采空區(qū)注氮量提升至3 000 m3/h以上；進(jìn)一步降低工作面風(fēng)量，將工作面風(fēng)量從2 300 m3/min下調(diào)至2 052 m3/min；回填地表裂隙，對(duì)8210采空區(qū)和8211工作面回采范圍對(duì)應(yīng)地表內(nèi)裂隙進(jìn)行回填；在5211巷增加鋪設(shè)兩趟注氮管路，注氮步距30 m，流量600 m3/h；向臨近采空區(qū)注氮，通過5211巷向臨近8210采空區(qū)施工注氮鉆孔，向采空區(qū)注氮，流量1 200 m3/h.期間上隅角治理措施未改變，在增強(qiáng)采空區(qū)防火措施后，上隅角區(qū)域O2下降，最低時(shí)14.7%.

3 工作面初采期間O2和CO異常原因分析

3.1 采空區(qū)CO升高原因分析

1) 工作面回采初期老頂未垮落，采空區(qū)懸頂面積較大，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)O2濃度偏高，為采空區(qū)內(nèi)遺煤持續(xù)氧化提供條件。

2) 小煤柱在回采動(dòng)壓影響下，內(nèi)部出現(xiàn)裂隙，在進(jìn)入采空區(qū)前已開始緩慢氧化。

3) 8211為小煤柱回采工作面，臨近8210采空區(qū)地表裂隙治理滯后，8211采空區(qū)通過8210采空區(qū)與地表連通，存在漏風(fēng)通道，在工作面負(fù)壓作用下，地表空氣進(jìn)入采空區(qū)，為遺煤持續(xù)氧化提供條件。同時(shí)隨早晚氣溫變化，采空區(qū)處于“呼吸”狀態(tài)，地面空氣通過地表漏風(fēng)通道持續(xù)向采空區(qū)供氧，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)氧含量很難下降至7%以下。

3.2 上隅角低氧原因分析

1) 經(jīng)測(cè)定，煤層自身吸氧量為0.7 cm3/min，由于工作面長(zhǎng)度較長(zhǎng)、機(jī)道寬度較大，底板浮煤、煤壁與空氣接觸面大，初步計(jì)算風(fēng)流流經(jīng)工作面后，風(fēng)流中O2濃度下降0.4%，即從20.7%下降至20.3%.

2) 工作面尾部支架后擺梁受壓力作用及古塘側(cè)垮落煤矸石擠壓，造成通風(fēng)通道斷面縮小，進(jìn)而影響通風(fēng)。

3) 工作面與臨近8210采空區(qū)預(yù)留煤柱8 m，采空區(qū)與臨近8210采空區(qū)連通，8210采空區(qū)又與地表存在漏風(fēng)通道，在工作面負(fù)壓作用下，采空區(qū)低氧氣體流向上隅角區(qū)域。

4) 工作面上隅角低氧隱患治理與采空區(qū)防火治理同步進(jìn)行，期間降低工作面風(fēng)量、上調(diào)了對(duì)采空區(qū)注氮量，不利于上隅角低氧隱患治理。

4 弱均壓通風(fēng)治理方法及實(shí)施

目前，國(guó)內(nèi)煤礦抑制CO氣體滲漏到本工作面的方法主要為均壓通風(fēng)。煤礦安全規(guī)程解釋指出：“采用不同的均壓方法，主要是采取降低或改變其端頭壓差來實(shí)現(xiàn)均壓防火目的”，采用均壓通風(fēng)時(shí)必須根據(jù)工作面的特點(diǎn)選取合理的均壓通風(fēng)方式[3]。根據(jù)本綜放工作面煤層易燃的特點(diǎn)，如果采用全均壓，管理復(fù)雜，成本高，容易將風(fēng)量壓入臨近8210采空區(qū)，故提出采用弱均壓通風(fēng)方法進(jìn)行治理。在輔運(yùn)大巷與5211巷口交叉口上風(fēng)側(cè)15 m處，安設(shè)2臺(tái)2×30 kW對(duì)旋局部通風(fēng)機(jī)(2×30解釋：?jiǎn)闻_(tái)風(fēng)機(jī)有2臺(tái)電機(jī)，每臺(tái)功率為30 kW，該型號(hào)風(fēng)機(jī)在煤礦使用比較普遍)，風(fēng)筒通過5211聯(lián)巷風(fēng)門、5211巷延接至上隅角區(qū)域，利用局扇壓力，為上隅角區(qū)域升壓，進(jìn)而提升工作面壓差，減少采空區(qū)漏風(fēng)，同時(shí)為上隅角區(qū)域提供新鮮風(fēng)流，提高上隅角區(qū)域O2濃度，見圖3.

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

8211工作面采用弱均壓通風(fēng)后，2211巷進(jìn)風(fēng)量1 689 m3/min、風(fēng)筒末端風(fēng)量300 m3/min、5211巷回風(fēng)量2 010 m3/min，減少了采空區(qū)漏風(fēng)；通過5211回風(fēng)繞道調(diào)節(jié)處壓差計(jì)觀測(cè)，工作面壓差從750 Pa升至950 Pa，工作面壓差升高200 Pa左右，有效降低了地表裂隙漏風(fēng)；8211工作面與臨近采空區(qū)壓差從-100 Pa升至0 Pa左右，壓差升高100 Pa左右，避免了采空區(qū)有害氣體涌入工作面；根據(jù)升壓后采空區(qū)束管取樣化驗(yàn)結(jié)果，采空區(qū)O2濃度及CO濃度呈下降趨勢(shì)，在配套工作面架間風(fēng)障及射流器使用的情況下，上隅角O2濃度從之前的14.8%～18.7%升高至18.5%～19.4%.

圖3 工作面弱均壓布置示意

6 結(jié) 語

1) 8211小煤柱綜放工作面采空區(qū)防火受臨近采空區(qū)地表漏風(fēng)通道及小煤柱內(nèi)部裂隙影響較大，傳統(tǒng)采取調(diào)整工作面風(fēng)量、封堵端頭、增加注氮、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)等綜合防治技術(shù)對(duì)上隅角低氧和采空區(qū)CO治理效果不明顯。

2) 8211小煤柱綜放工作面在實(shí)施弱均壓通風(fēng)系統(tǒng)后，在回風(fēng)量仍保持不變的情況下減少了工作面進(jìn)風(fēng)量，大大減少了采空區(qū)漏風(fēng)，較好地解決了工作面上隅角低氧和采空區(qū)CO超限問題，有效消除了采空區(qū)自然發(fā)火隱患和避免了低氧窒息事故，為今后的小煤柱綜放面采空區(qū)防滅火治理工作積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。