综采工作面上隅角CO积聚致因分析及治理措施

王有发

(陕西省何家塔煤矿，陕西 榆林 719000)

CO气体具有敏感性和易检测性的特点，是预测预报煤层自然发火的主要指标气体[1]。国内很多煤矿在生产期间，综采工作面上隅角都出现过CO不同程度的超限现象，由于开采技术、开采装备及地质条件的不同，CO超限往往是多种原因综合产生的结果[2-6]。

本文以陕西省何家塔煤矿5-2煤层50105综采工作面上隅角CO超限及治理为工程背景，深入分析了CO的来源，研究了综采工作面上隅角CO积聚的原因，并提出了综合治理措施，对矿井安全生产具有重要意义。

1 工程概况

何家塔煤矿5-2煤层为I类易自燃煤层，自然发火期为46d。煤层瓦斯成分主要以N2为主，含少量的CO2，该矿井为低瓦斯矿井。

矿井开拓方式为斜井单水平开拓，采用中央并列式通风，布置4条井筒，并形成“三进一回”抽出式通风方法。

矿井回采的50105工作面位于501盘区东部，走向长度为3800m，倾斜长度为245m，煤层平均厚度3.1m。主要巷道采用“两巷式”布置，胶带运输大巷进风，回风大巷回风，工作面为上行通风，工作面的通风方式为“U”型通风。

50105综采工作面为综合机械化一次采全高工作面，在正常推采条件下，采空区自燃“三带”中，只出现了“散热带”，采空区自燃的危险性不存在，采空区遗煤自燃对于工作面上隅角CO浓度超限的影响不显著，工作面上隅角CO频繁超限情况与上隅角周围的采矿环境、通风条件等有关。

2 综采工作面上隅角CO来源分析

2.1 工作面上、下隅角CO涌出测试分析

在50105工作面的上隅角和下隅角分别布置了探测采空区气体成分的探头装置，当工作面推采后，即开始抽采采空区气体，由气相色谱仪分析成分。检测数据统计处理结果如图1和图2所示。

图1 50105工作面上隅角探头测试数据

图2 50105工作面下隅角探头测试数据

采空区测定数据特征如表1所示。

测试结果表明，50105上隅角CO浓度在5月3日至5月7日出现增长趋势，浓度变化出现最大值，5月7日后浓度降低并呈波动趋势，期间CO最高浓度为0.0049%，最低浓度为0.0009%，平均值为0.0025%。O2浓度较为平稳，最高浓度为20.78%，最低浓度为18.25%，平均值为20.04%。

表1 50105工作面采空区测定数据特征

50105下隅角测试CO浓度在5月3日至5月6日呈增长趋势，5月6日至5月21日期间呈波动趋势，在5月3日出现最低浓度，5月21日出现最高浓度，21日之后呈下降趋势，CO最高浓度为0.0036%，最低浓度为0.0004%,平均值为0.0023%。O2浓度较为平稳，最高浓度为20.86%，最低浓度为19.94%，平均值为20.35%。

50105工作面上、下隅角CO浓度均有较大波动，上隅角变化波幅较下隅角大，回风端采空区的CO浓度高于进风端采空区的CO，采空区O2浓度较为平稳。

2.2 隔离煤柱CO涌出测试分析

对50105回风巷隔离煤柱煤自燃氧化生成CO进行现场观测，在隔离煤柱上钻孔收集气体，用气相色谱仪进行分析测试。

在50105工作面隔离煤柱内布置2个钻孔，钻孔直径为42mm，钻孔的深度为10m，钻孔间距为25m。隔离煤柱宽14.5m，在煤柱中打钻孔，封孔深度5m，在钻孔中间插入管并接入1根束管(30m)，钻孔布置如图3所示。

图3 工作面隔离煤柱钻孔布置

假定工作面推进到1号钻孔时，支架切眼处为坐标0点，在工作面未推进到钻孔的距离为负值，工作面推进过钻孔为正值(钻孔进入采空区内)，作图分析见图4，同理假定工作面推进到2号钻孔时，支架切眼坐标为0，作图分析见图5所示。

图4 1号孔测试数据

图5 2号钻孔测试数据

通过图4、图5可知：在工作面推进靠近1号钻孔和2号钻孔时，隔离煤柱在工作面支承压力前后，产生的CO浓度出现明显的变化。在(-50～-20m)之间隔离煤柱中的煤体处于围岩应力带，其产生CO的浓度较为稳定。在(-20～0m)之间隔离煤柱中的煤体处于支承压力带，其CO浓度出现变化并逐渐升高。在(0～20m)的范围内隔离煤柱的煤体处于卸压带中，其直接顶出现冒落现象，随后隔离煤柱中的钻孔进入采空区内。并由此可得出：隔离煤柱处在支承压力带的范围内，在支承压力的作用下产生的CO浓度出现明显的升高。

对1号钻孔和2号钻孔中CO浓度与工作面切眼位置进行函数拟合，所得拟合函数分别为f1(x)和f2(x)，如图4和图5中Poly曲线所示。

CO浓度与支架切眼位置拟合函数如下：

式中，x为工作面推进与支架切眼的位置关系，x<0表示工作面未推进到钻孔的距离，x≥0表示工作面推进过钻孔，即钻孔进入采空区内。

2.3 综采工作面CO来源

通过总结不同位置测定结果，可以归纳50105综采工作面上隅角CO来源如下：

(1)采空区遗煤因内部漏风原因，发生低温氧化释放CO，随漏风风流运动到工作面上隅角区域。

(2)工作面回风巷隔离煤柱在矿压作用下，煤柱煤体产生裂隙，与空气中氧气发生反应释放CO。

(3)回采工作面煤壁，在割煤工艺中，采煤机截齿与煤壁作用，新鲜暴露煤壁发生氧复合作用，释放CO。

3 综采工作面上隅角CO积聚特征及原因分析

3.1 综采工作面上隅角CO浓度分布特征

在何家塔煤矿50105工作面上隅角区域进行CO浓度测试，所用仪器为现场检查用CO便携仪，检测时间为下午2点到4点检修班期间。将上隅角区域等距分为若干点，在各基点上检测CO浓度，如图6所示。

图6 50105工作面上隅角区域测点分布

监测工作每隔1d测试1组数据，共测2个平面的数据，分别为上隅角距离底板1.8m水平面和回风巷外壁侧竖直平面，根据CO便携仪所测读数绘制浓度等值线(图中数值单位为百万分率)，测试结果如图7所示。

图7 50105工作面上隅角CO浓度等值线

距离底板1.8m水平面检测数据显示，检测当天上隅角靠近煤壁和采空区位置最高CO浓度为0.003%。总体规律为由上隅角靠近采空区和煤壁侧向工作面方向和回风巷方向递减，最低处为0。

靠近回风巷外侧煤壁竖直平面数据显示，检测当天上隅角最高CO浓度为0.0045%，位置为靠近采空区1m离底板0.6m处位置。总体规律为由采空区侧向回风巷方向递减，靠近底板处比顶板处浓度高。距离采空区5m处的底板位置CO浓度仍然高达0.0028%，并向上极速递减，到顶板位置又有所回升达到0.0009%。

通过对50105工作面上隅角CO浓度检测分析，得到50105综采工作面上隅角CO浓度分布总体规律如下：

(1)在回采工作面上隅角的水平面上，从上隅角立柱往工作面煤壁方向，呈扇形发展，CO浓度由高往低变化。

(2)在回风巷的隔离煤柱附近，沿着垂直剖面，从上隅角往回风巷入口方向，CO浓度呈现由高往低变化；在同一垂直线上，由上往下，CO浓度呈现由低往高变化。

3.2 综采工作面上隅角空气压力及其分布规律

为了分析在工作面上隅角位置CO气体积聚的机理，在工作面上隅角位置距离底板1.5m平面上，进行大气静压差测定。

测试仪器及方法：采用精密压差计和胶皮管，在工作面回风入口附近煤壁布置1个压力测点，然后将上隅角区域1.5m高水平面等距分为若干点，分别用压差计在该点进行测定，以P0为基点测各点与基点的压差，压力测点布置如图8所示，气压差数值分布如图9所示。

图8 50105工作面上隅角区域气压测点分布

图9 50105工作面上隅角区域气压差数值分布

50105工作面上隅角区域因为空间位置狭小，忽略掉空气流动摩擦阻力，则空气流动主要由两个方面能量起作用：大气静压能和空气动能。

(1)大气静压能 大气静压能表现在空间平面上，为两点之间大气静压差。50105工作面上隅角测定结果表明，在隔离煤柱表面，大气压力最大，然后呈三角形，分别向采空区以及向工作面液压支架方向顺次降低。

(2)空气动能 沿着工作面切眼方向，在工作面出口位置，风流速度最大，然后通过往回风巷入口拐弯，出现局部阻力，风速降低。

3.3 工作面上隅角CO聚集原因分析

根据现场测试的CO浓度分布及工作面上隅角空气压力分布规律可知：

(1)50105工作面上隅角区域CO浓度高出0.0024%情况时有发生，特别靠近煤壁和采空区侧的CO浓度最高，可达0.0045%，由此往工作面以及回风巷入口方向，CO浓度依次降低。

(2)现场上隅角区域大气压差测定结果表明，工作面隔离煤柱部位大气压力最高，压差呈三角形形状，依次向采空区和工作面液压支架方位，压差值增大。

(3)上隅角区域在正常通风条件下，产生涡流，来自采空区以及煤壁的CO较多，由于涡流作用，在上隅角采煤机机尾设备和液压支架等区域，CO不易有效、快速排出，形成了高浓度区域。

4 治理措施

根据50105综采工作面CO来源及积聚原因，再结合现场生产实际，提出了防治CO超限的综合治理措施：

(1)在回采工作面上下隅角周围喷洒阻化剂 采用氯化镁(MgCl2)作为阻化剂，配比浓度为15%～20%，在50105综采工作面上、下隅角，上隅角隔离煤柱煤壁，液压支架后方的采空区喷洒阻化剂。阻化剂可阻止煤炭低温氧化，隔绝了空气中的O2与煤分子发生氧化反应，延迟煤炭低温氧化反应进程，降低CO产生强度。

(2)减少回采工作面上下隅角漏风措施 在综采工作面上下隅角前端的支架与煤柱之间挂好挡风帘；当综采停产24h以上时，在上隅角用珍珠岩袋子进行封堵，减少上下隅角漏风量。

(3)回采工作面上隅角通风排放积聚CO 在工作面机尾位置支架前面倾斜吊挂引导风帘，将部分主风流引导到涡流区域，稀释并散放超限的CO。

在工作面回风巷安装1台湿式除尘风机，连接一段刚性风筒到工作面上隅角位置，采用负压抽排方式，将工作面上隅角区域CO抽排到回风巷。

(4)回采工作面采空区注氮 在采空区铺设注氮管路，注氮机输出氮气浓度达到97%以上，每天注氮7h，通过氮气置换采空区中的氧气，降低采空区遗煤氧化。

(5)黄泥灌浆控制CO的措施 黄泥灌浆浆液水灰比(水∶粉煤灰)为4∶1，泥浆将采空区碎煤包裹或覆盖，抑制采空区遗煤氧化产生CO。

5 结 论

(1)通过系统的工业测试及分析，查明综采工作面CO主要由采空区遗煤氧化释放CO，随漏风风流运动到工作面上隅角；隔离煤柱在矿压作用下产生裂隙，氧化释放CO；在割煤工艺中，采煤机截齿与煤壁作用，新鲜暴露煤壁发生氧复合作用，释放CO。

(2)通过现场测试的CO浓度分布、工作面上隅角大气压差分布，可知上隅角区域在正常通风条件下产生涡流，来自采空区以及煤壁的CO较多。由于涡流作用、上隅角采煤机机尾设备和液压支架等区域，CO不易有效、快速排出，形成了高浓度区域。

(3)根据综采工作面CO来源及积聚原因，制定了抑制采空区遗煤氧化、加大CO稀释风量、通风排放积聚CO的综合治理措施，取得了显著的效果，保证了矿井的安全生产。