苏家壕煤矿1303工作面一氧化碳产生机理及治理措施

石银斌

(神华乌海能源有限责任公司， 内蒙古 乌海 016000)

应用研究·煤矿·

苏家壕煤矿1303工作面一氧化碳产生机理及治理措施

石银斌

(神华乌海能源有限责任公司， 内蒙古 乌海 016000)

针对苏家壕煤矿1303采煤工作面一氧化碳异常问题，依据实验室研究，结合现场观测及数据，分析了采煤工作面一氧化碳异常的机理，提出了相应的防治措施。通过防治措施的现场实施，有效控制了工作面一氧化碳异常问题，为相同条件下工作面一氧化碳防治提供了参考。

煤矿； 工作面； 一氧化碳； 产生机理； 治理措施

1 苏家壕煤矿1303工作面概况

苏家壕煤矿采用主斜井、副风立井综合开拓方式，煤层组分3个水平，现采+235水平3号煤层。矿井通风方式为主斜井、副立井进风，风立井回风的中央并列机械抽出式通风。现阶段矿井需配风量6 348m3/min，实际进风6 523m3/min，通风阻力440Pa，等积孔5.71m2，通风容易，满足矿井通风需要。

矿井主要含煤地层为侏罗系西山窑组，含煤29层(组)，各煤层煤岩组成中丝炭组分含量相对较高，现开采的3号煤层为低变质的褐煤，覆盖层较薄，易风化。在矿区周边分布3个火烧区、6个小煤矿(2002年均已关闭)，在生产期间两个小煤矿出现过煤炭自燃。

该矿1303工作面煤层厚度6.2～8.9m，平均厚度6.3m，为较稳定至稳定煤层，煤层倾角7°～16°，平均9°，工作面采用U型通风方式，下行通风。目前，工作面需风量为1 067m3/min，实际进风量为1 116m3/min，实际回风量为1 134m3/min。

2 CO产生机理分析

2.1 褐煤极易低温氧化产生一氧化碳

苏家壕煤矿各煤层煤岩组成中丝炭组分含量相对较高，煤类多属低变质的褐煤。煤炭科学研究总院重庆研究院对该矿3号煤层煤样鉴定，吸氧量为0.99cm3/g，自燃倾向性等级为Ⅰ类，属容易自燃煤层，最短自然发火期为37d。

西安科技大学对苏家壕煤矿3号煤层综采工作面进行了防火三带观测、小样自燃性程序升温试验和大样模拟试验，证实该矿褐煤低温氧化特性明显，矿井正常温度下便伴生一定量CO，且CO生成率随裸露煤量增加呈稳定上升趋势，经大样模拟试验测定：1t破碎煤体在26℃、供风0.1m3/h下产生CO浓度为553.8ppm，说明所采煤层极易低温氧化、产生高浓度CO。因此，苏家壕煤矿3号煤层极易低温氧化产生CO的特性，决定了采煤工作面在采空区未发生火灾的情况下即有CO生成。1303工作面生产过程中产生CO的原因主要有以下两种。

(1)1303采煤工作面为放顶煤开采，由于顶煤冒放不净，导致采空区遗留一定量的煤炭，遗煤在采空区后方低温氧化产生CO。

(2)根据西安科技大学程序升温试验鉴定，该矿6组煤样出现CO的平均温度为18.25℃，临界温度为60～85℃，干裂温度为100～110℃。因此，采煤机割煤过程中、割落煤炭在前部运输机运输过程中、后部放出的煤炭在后部运输机运输过程中都会产生一定量的CO。

2.2 开采煤层赋存一氧化碳

郭立稳、刘永新等[1～2]通过测定煤的工业分析、元素分析煤岩组分数据等，提出煤的变质程度对煤层吸附CO有很大影响，其中中—低变质程度的煤层对CO吸附量最大。刘长青、何启林[3]等在煤层钻孔，测得CO气体含量有增无减，煤层温度基本不变，封闭钻孔内CO气体释放量呈现缓慢递减的总趋势，认为钻孔内CO是煤层中赋存的。

苏家壕煤矿经工作面(1301、1302、1303)生产过程长期监测数据分析也验证了这些特性，生产速度快产量高时，回风隅角CO浓度升高，产量较低时回风隅角CO浓度降低，停采时回风隅角CO浓度趋于稳定值。1303采煤工作面产量及下隅角CO浓度关系见图1。可以看出CO浓度与煤炭产量呈相关性，煤炭产量高CO浓度即高，煤炭产量低CO浓度即低，可见工作面是赋存CO的，随着煤炭的开采赋存的CO转化为游离状态，导致工作面CO浓度升高。

图1 1303采煤工作面产量与下隅角CO浓度关系图

3 综合治理措施

3.1 预测预报

(1)监控系统实时监控。在回风隅角处安设CO、O2、CH4传感器，定期对传感器进行标校，确保传感器检测数据灵敏可靠，传输正常。生产指挥中心值班人员随时观察各类传感器数据变化，发现CO、O2浓度异常时，立即命令现场瓦斯检查员、跟班管理人员查明原因，及时汇报生产指挥中心，并按照要求进行处理。

(2)采空区埋管自动取样分析。正常回采期间，在1303工作面沿回风隅角预埋2条单芯束管进入采空区，两条束管间隔15m。每天检测采空区下部30m范围的CO等8种气体浓度，实现采空区深部的预测预报。

(3)人工取样分析。瓦斯检查工利用瓦斯检定杖(长3m)、取样气袋，人工抽取采空区下部气样进行分析，实现回风隅角以里3m范围的防灭火预测预报和自动取样分析数据的对比分析。特殊期间(停产等)，沿采空区(后部刮板运输机)预埋5条单芯束管、10个铂电阻(2个一组)，各测点间隔50m。定期检测采空区CO等8种气体浓度和温度变化情况，实现采空区深部的预测预报。

通过定时和实时监测分析，对采空区进行预测预报，指导工作面防灭火工作的合理有效开展。

3.2 防治措施

(1)采空区注氮。采取全封闭迈步连续式注氮工艺，一是沿工作面后部刮板运输机全部240m埋设注氮管，注氮管间隔1m钻φ10mm的氮气扩散孔；二是沿进风隅角埋设注氮管，前后注氮管均间隔10m，注氮管进入采空区5m开始注氮，进入采空区35m停止注氮。对采空区氧化散热带、升温带进行连续式注氮，充填采空区，减少遗煤与O2结合。埋管方式：沿后部运输机全部240m埋设PVC塑料管，每隔10m埋设一条，每条注氮管间隔1m预设扩散孔；注氮方式：预埋管进入采空区10m开始注氮，3条管路同时注氮，控制范围40m。

(2)采空区灌浆。苏家壕煤矿建有ZLJ- 60灌浆装置2套，依据工作面地质构造和回采性质，采用预防性和针对性两种灌浆防灭火措施，正常回采期间，工作面采取迈步式埋管(利用停止注氮的管路进行注水或注浆，控制采空区内35m至45m范围)，俯采时不灌浆，仰采时条带式灌浆。特殊时期，工作面采取针对性埋管灌浆。

(3)上下端头喷涂封堵。根据防火三带观测结果，正常回采期间，对工作面上下端头采取间隔式(每天生产完毕后，进行垒砌沙袋喷浆)全断面封闭喷涂措施，停采期间，沿工作面对采空区进行全面封闭喷涂措施，堵塞漏风通道，减少向采空区漏风。喷涂范围：上端头自上帮至137#过渡支架，下端头自下帮至3#过渡支架；上至顶板，下至底板；喷涂标准：全范围用砂浆覆盖，厚度不小于10mm，无缝隙，无煤岩体、沙袋裸露。

(4)合理调配风量，上下端头设置导风障，减少采空区漏风。针对煤炭低温氧化特性，在满足《煤矿安全规程》规定下，合理调配工作面风量，降低工作面上下端的风压差，减少向采空区漏风；并定期对工作面风量进行测定，确保工作面风量稳定。上下端头各搭设30m透明导风障，既有效保证了拉移支架过程中能看清顶底板及支架周围状况，又减小采空区漏风。

(5)塌陷区回填压实。工作面回采过程中，每2d对塌陷区裂隙进行回填压实一遍，杜绝地面的漏风通道。

(6)设备优化布置。下端头靠下帮侧端头支架控制阀组移至1#过渡支架上，既保证了移架工在拉移支架时能随时观察支架拉移情况，又避免了CO超限对支架工的伤害；把下端头前后部运输机控制器移设至3#支架前部运输机上，既保证了前后部运输机的安全，又确保了前后部运输机司机对设备的可控性；分别在转载机、前部机头处安设摄像头，在控台设置监控装置，进行远程监控前后部运输机堆煤及转载机人员安全状况。以上设备的优化布置，有效保证了下顺槽工作人员的安全。

(7)合理调控回采进度，优化放煤工艺。依据科技院校试验参数，确定工作面每月均衡回采进度不少于90m，确保采空区遗煤在发火期内进入窒息带；且不高于150m，采煤机割煤速度限定在4m/min以下，放煤工尽量将顶煤放净(标准：见矸石停止放煤)，最多允许两人同时放煤，并保持放煤速度均衡；下顺槽工作人员及现场盯班瓦斯检查员随时观测生产期间CO浓度，当CO浓度超过15ppm时立即通知现场跟班管理人员，由跟班管理人员合理调控采煤机割煤及放煤工序，超过18ppm时工作面必须立即停止生产。

优化放煤工艺，工作面由原来的单轮顺序放煤工艺改为双轮顺序放煤工艺，既提高了放煤质量减少了采空区遗煤，减小采空区内遗煤低温氧化生成CO造成积聚，又有效控制了放煤量，合理调控了放煤与割煤的关系。

3.3 应急机制

(1)苏家壕煤矿编制了综合应急预案和专项防灭火预案，配置了三相泡沫发生器1台、移动式防灭火装置1台、气动柱塞泵1台、手持式螺旋防突钻机2台，同时储备了防灭火材料罗克休3t、马丽散4t、水玻璃5t、氯化镁1t，井上下消防材料库、工作面按照设计进行了消防器材配置，作为防灭火应急措施。

(2)通风科、安全科每班安排专职瓦斯检查员(兼救护队员)、安监员现场盯靠，回风隅角悬挂便携式多参数测定器，随时检查回风隅角有毒有害气体情况，发现超限立即撤离所有受影响范围的人员，并报告矿生产指挥中心进行处理。

(3)回风顺槽工作人员配置便携式CO报警仪，并在下端头、破碎机及转载机处各配置一套压风自救装置，在自救装置上引出呼吸罩，确保CO异常时下顺槽工作人员可以随时呼吸到新鲜空气。

4 结语

苏家壕煤矿依据地质特性、试验参数、专家建议及实践经验投入大量的人力、物力和财力，进行采煤工作面防灭火及CO防治工作。通过以上措施的应用实施，矿井未发生过总回风CO超限、工作面火灾及工作面回风流CO浓度超限事故，以上措施对矿井防灭火及CO防治工作是有效的、可行的。

[1] 郭立稳，王月红，张九龄．煤的变质程度与煤层吸附CO影响的试验研究[J]．辽宁工程技术大学学报，2007，(2)：165-168．

[2] 刘永新，郭立稳，肖藏岩．煤的元素分析对煤层吸附CO的影响研究[J]．采矿与安全工程学报,2009，(2)：249-252．

[3] 刘长青，何启林．煤巷打眼过程中CO产生缘由探究[J]．能源技术与管理,2006，(3)：15-16．

[4] 王德明．矿井通风与安全[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2007．

[5] 王德明．矿井火灾学[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2008．

[6] 关德久．放顶煤综采面采空区注氮防灭火技术[J]．煤炭科学技术，1991，(8)：35-37．

Mechanism of producing carbon monoxide on No.1303 working face of Sujiahao Coal Mine and its control measures

In view of the abnormal problems of carbon monoxide on No.1303 working face in Sujiahao Coal Mine, and based on the laboratory research and combined with field observation and data analysis, the mechanism of producing abnormal carbon monoxide on coal working face was analyzed, and the corresponding prevention and control measures were put forward. Through the implementation of the prevention and control measures, the abnormal carbon monoxide on working face was effectively controlled, which provided reference basis for the carbon monoxide control on working face with similar conditions.

coal mine; working face; carbon monoxide; producing mechanism; control measures

1672-609X(2017)02-0053-03

TD711

A

2016-10-08

石银斌(1973-)，男，宁夏大武口人，工程师，长期从事一通三防管理工作。