低變質(zhì)煤層工作面CO 負(fù)壓引排可行性研究

路 寧 師吉林 王永敬

（1.國網(wǎng)能源哈密煤電有限公司大南湖一礦，新疆 哈密 839000；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

西部地區(qū)煤炭資源儲量豐富，2022 年該地區(qū)原煤產(chǎn)量占全國原煤產(chǎn)量的60.7%，為地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。但西部地區(qū)低變質(zhì)易氧化煤炭資源儲量占比較大，采掘過程中伴有低溫氧化現(xiàn)象[1-4]，在常溫下工作面及采空區(qū)的煤體即可氧化產(chǎn)生大量CO 氣體，導(dǎo)致井下采煤工作面回風(fēng)隅角區(qū)域CO 濃度超過2.4×10-5[5-6]。為預(yù)防采煤工作面回風(fēng)隅角及采空區(qū)的CO 氣體溢出對作業(yè)人員造成人身傷害，同時避免工作面開采過程中自燃誤報(bào)現(xiàn)象發(fā)生，擬采用負(fù)壓引排方式將采煤工作面回風(fēng)隅角漏風(fēng)匯處集聚的CO 氣體排出，從而解決采煤工作面回風(fēng)隅角CO 氣體超限問題[7]。

1 礦井概況

大南湖一礦地處新疆哈密市大南湖礦區(qū)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10.0 Mt/a，采用單一走向長壁后退式采煤法，綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。現(xiàn)開采的3 煤層煤質(zhì)為褐煤，煤層平均厚度6.78 m，煤層傾角3°～ 13°，煤層自燃傾向性為Ⅰ類，最短自然發(fā)火期為37 d，礦井瓦斯等級為低瓦斯礦井，正常回采時期工作面回風(fēng)隅角CO 濃度達(dá)到1.2×10-3以上。

2 回風(fēng)隅角CO 負(fù)壓引排可行性驗(yàn)證

2.1 初次驗(yàn)證

1）試驗(yàn)方案

① 試驗(yàn)過程

2019 年8 月13 日至9 月4 日，在大南湖一礦3 煤層1306 工作面回風(fēng)巷中安設(shè)2×11 kW 專用引排風(fēng)機(jī)，接120 m 專用引排風(fēng)筒，將風(fēng)筒吸風(fēng)口設(shè)置在工作面回風(fēng)端頭前溜機(jī)尾與采空區(qū)之間，利用引排風(fēng)機(jī)負(fù)壓將工作面回風(fēng)側(cè)部分風(fēng)流引排至1306工作面回風(fēng)順槽，以降低回風(fēng)隅角CO 濃度，引排風(fēng)機(jī)布置如圖1。在試驗(yàn)過程中，將風(fēng)筒吸風(fēng)口從前溜機(jī)尾逐步向后溜機(jī)尾移動，記錄吸風(fēng)口在移動過程中、風(fēng)機(jī)在開/關(guān)狀態(tài)下各CO 監(jiān)測點(diǎn)的CO濃度，模擬引排風(fēng)量在81～396 m3/min 條件下，回風(fēng)隅角CO 氣體濃度變化規(guī)律。

圖1 回風(fēng)隅角CO 引排可行性試驗(yàn)現(xiàn)場設(shè)施布置圖

② 監(jiān)測點(diǎn)布置

在引排試驗(yàn)開始前分別在前溜機(jī)尾、138#架前、后溜機(jī)尾、137#架前、引排風(fēng)筒吸風(fēng)口、引排風(fēng)筒吸風(fēng)口后1 m、引排風(fēng)機(jī)前50 m、引排風(fēng)機(jī)出風(fēng)口、引排風(fēng)機(jī)后50 m 處設(shè)置9 個CO 濃度監(jiān)測點(diǎn)，全程觀測引排試驗(yàn)過程中各監(jiān)測點(diǎn)的CO濃度變化情況。

2）試驗(yàn)效果

現(xiàn)場試驗(yàn)期間，隨著引排風(fēng)量的增加，回風(fēng)隅角CO 濃度呈下降趨勢。當(dāng)引排風(fēng)筒吸風(fēng)口靠近后溜機(jī)尾區(qū)域時，CO 引排效果最好。在該區(qū)域回風(fēng)隅角引排風(fēng)量達(dá)到396 m3/min 后，前溜機(jī)尾CO 濃度基本達(dá)到2.4×10-5界限。現(xiàn)場試驗(yàn)表明，如將引排風(fēng)筒吸風(fēng)口放置在后溜機(jī)尾與采空區(qū)交界面區(qū)域，將達(dá)到最佳引排效果，此時回風(fēng)隅角區(qū)域的CO 濃度降至2.4×10-5以下。

2.2 二次驗(yàn)證

1）試驗(yàn)方案

① 試驗(yàn)過程

為進(jìn)一步驗(yàn)證效果，2020 年12 月在大南湖一礦1307 工作面再次進(jìn)行現(xiàn)場CO 負(fù)壓引排試驗(yàn)。具體過程為：在1307 工作面回風(fēng)巷設(shè)置2×11 kW 局扇，利用600 mm 玻璃鋼風(fēng)筒作為負(fù)壓引排管，引排管吸風(fēng)口位置設(shè)在回風(fēng)隅角后溜機(jī)尾后與采空區(qū)交界區(qū)域。引排設(shè)計(jì)風(fēng)量控制在300 m3/min 左右，引排風(fēng)機(jī)布置參照圖1。

當(dāng)然，讀書多思，還只是一端，多思還必須求證。你的思考是否正確，還必須得到證明，這證明一是靠前輩學(xué)者研究的成果，包括古人的箋疏；二是靠你再查各種資料，包括《辭海》之類的工具書和其他可以確證的資料，決不能自以為是，只憑自己的理解，不求確證是不科學(xué)的。

② 觀測點(diǎn)布置

在引排試驗(yàn)開始前分別在前溜機(jī)尾、138#架前、后溜機(jī)尾、137#架前、引排風(fēng)筒吸風(fēng)口、引排風(fēng)筒吸風(fēng)口后1 m、引排風(fēng)機(jī)前50 m、引排風(fēng)機(jī)出風(fēng)口、引排風(fēng)機(jī)后50 m 處設(shè)置9 個CO 濃度監(jiān)測點(diǎn)，全程觀測引排試驗(yàn)過程中各監(jiān)測點(diǎn)的CO濃度變化情況。

2）試驗(yàn)效果

1307 工作面未進(jìn)行CO 負(fù)壓引排試驗(yàn)前回風(fēng)隅角CO 濃度基本在1.70×10-4左右；負(fù)壓引排試驗(yàn)開始后，引排管路吸風(fēng)口所在區(qū)域及回風(fēng)隅角CO濃度降至2.4×10-5以下。

根據(jù)兩次現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果可知，回風(fēng)隅角CO 負(fù)壓引排方案可以將回風(fēng)隅角CO 濃度降至2.4×10-5以下，從而解決回風(fēng)隅角CO 超限問題，表明采取回風(fēng)隅角CO 管路負(fù)壓引排的方法是可行的。

3 回風(fēng)隅角CO 負(fù)壓引排系統(tǒng)設(shè)計(jì)[8-10]

3.1 回風(fēng)隅角CO 引排風(fēng)量

3.2 回風(fēng)隅角CO 引排管路

1）CO 引排管路直徑

回風(fēng)隅角CO 引排屬于低負(fù)壓引排，為此礦井建立低負(fù)壓引排系統(tǒng)。CO 引排管路的管徑：

式中：D為引排管內(nèi)徑，m；Q混為引排管中的混合CO 氣體流量，m3/min，應(yīng)有1.2～1.8 的富余系數(shù)，本次設(shè)計(jì)取富余系數(shù)為1.5；v為經(jīng)濟(jì)流速，m/s，一般取5～12 m/s。經(jīng)計(jì)算選擇內(nèi)徑為600 mm 的管路，材質(zhì)為螺旋焊接鋼管。

2）CO 引排管路阻力

根據(jù)一礦采掘平面圖，從井下CO 引排泵站到達(dá)1307 工作面采空區(qū)的管路最長，所以按該引排管路系統(tǒng)計(jì)算直管阻力損失，經(jīng)計(jì)算引排管路負(fù)壓阻力為16 403 Pa，礦井總阻力損失為19 373 Pa。

3.3 CO 引排泵選型

根據(jù)引排泵的選型原則和CO 引排系統(tǒng)的各引排參數(shù)，并考慮到引排設(shè)備的工作特性以及引排期間設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，為適應(yīng)以后的CO 引排工作且盡量降低重復(fù)投資可能性的角度出發(fā)選型。本設(shè)計(jì)中引排泵的選型考慮到了一定的富余系數(shù)。根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果，CO 引排泵站選用2 臺引排量大于515.63 m3/min 的水環(huán)真空泵。

3.4 回風(fēng)隅角CO 負(fù)壓引排方法

通過采煤工作面CO 來源分析及現(xiàn)場觀測，工作面生成及采空區(qū)涌入的CO主要聚集在回風(fēng)隅角，該區(qū)域的CO 治理擬采用上隅角插管負(fù)壓引排。根據(jù)回風(fēng)隅角負(fù)壓引排區(qū)域是否有分支管路，引排方法分為無分支插管引排和多分支插管引排兩種，其原理是在引排負(fù)壓的作用下在工作面上隅角形成一個負(fù)壓區(qū)，使該區(qū)域內(nèi)CO 由負(fù)壓引排管路引流走。

1）無分支插管引排

針對距離工作面回風(fēng)隅角較近的引排管路，可通過鎧裝軟管與主負(fù)壓引排管路相連，將鎧裝軟管插入上隅角，隨工作面回采，拆下前端一段主管路，移動負(fù)壓引排軟管，如此反復(fù)。工藝如圖2。

圖2 無分支插管負(fù)壓引排方法示意圖

2）多分支插管引排

為確保治理效果，可在引排管路負(fù)壓端吸風(fēng)口處接一個設(shè)有4～8 個分支的管路，分支延伸出幾個支管，支管出口接鎧裝膠管，膠管插入上隅角后呈發(fā)散排列，可提高負(fù)壓引排效果。如圖3。

圖3 多分支插管負(fù)壓引排方法示意圖

由于3 煤層為容易自燃煤層，因此建議負(fù)壓引排回風(fēng)隅角CO 時建立必要的防、滅火措施。

3.5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

大南湖一礦1307 工作面CO 負(fù)壓引排系統(tǒng)運(yùn)行后工作面回風(fēng)隅角CO 濃度降至2.4×10-5以下，回風(fēng)流CO 濃度降至1.4×10-5以下，有效解決了工作面CO 超限問題。

4 結(jié)論

1）針對常溫下低變質(zhì)煤層工作面回風(fēng)隅角CO易超限問題，通過在工作面回風(fēng)巷安設(shè)專用引排風(fēng)機(jī)對回風(fēng)隅角區(qū)域CO 進(jìn)行負(fù)壓引排現(xiàn)場試驗(yàn)。該方法能將回風(fēng)隅角CO 濃度降至2.4×10-5以下，表明回風(fēng)隅角CO 負(fù)壓引排工藝是可行的。

2）通過參考礦井瓦斯抽采工藝，在大南湖一礦1307 工作面建立了CO 負(fù)壓引排系統(tǒng)。引排管路為內(nèi)徑600 mm 的螺旋焊接鋼管，引排泵為流量大于515.63 m3/min 的水環(huán)真空泵，系統(tǒng)運(yùn)行期間大幅度降低回風(fēng)隅角CO 濃度。

3）針對工作面回風(fēng)隅角CO 超限問題設(shè)計(jì)了回風(fēng)隅角CO 無分支插管負(fù)壓引排和多分支插管負(fù)壓引排兩種方法，便于現(xiàn)場靈活運(yùn)用。