工作面两巷松动圈高体积分数CO 来源分析

唐 辉

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122）

矿井火灾是威胁煤矿安全生产五大灾害之一，其机理极其复杂且难于防控[1]。矿井火灾分为内因火灾和外因火灾2 种，其中，由煤炭自然发火引起的内因火灾约占矿井火灾总数的90%以上[2]。

采煤工作面运输巷和回风巷是煤矿井下发生自然发火事故的主要集中地点，也是工作面防火工作的重中之重[3-4]。这是由于工作面巷道掘进前，各部分煤体均处于三向应力的平衡状态[5]；巷道开挖后，巷道围岩应力发生了改变，平衡状态被打破，由三向应力变为两向受力[6]，这就导致工作面巷道部分围岩失稳，产生裂隙并逐渐发育，形成巷道松动圈[7]。由于巷道风流沿着裂隙流入位于松动圈范围内的破碎煤体内部，与之发生氧化反应，会产生热量[8-9]，又因为松动圈破碎煤体大部分不位于巷道围岩暴露表面，使得热量散发较慢，形成了良好的蓄热环境[10]，所以极易引起自然发火事故。

大兴矿南五902 工作面回采期间，运输巷和回风巷松动圈内出现高体积分数CO，个别钻孔内CO体积分数甚至超过0.05%。为消除此安全隐患，杜绝自然发火事故发生，对南五902 工作面两巷道松动圈高体积分数CO 来源进行分析、辨别，确定其准确来源，为制定科学、合理的防治措施提供理论依据。

1 工作面概况

大兴矿南五902 工作面位于南五采区东部。工作面东部为F35、F35-1井田边界断层；南部为南五九层准备道，处于煤层最低可采边界线附近；西部为南五901 采空区；北部为煤层最低可采边界线。工作面上邻8 煤层，未采动，煤厚一般为0.89 m，局部可采。8 煤层与9 煤层间距南部较小，北部较大，在2.93～12.05 m，一般为8.09 m；下邻10-1 煤层，煤厚一般为0.60 m，不可采，9 煤层与10-1 煤层间距一般为1.40 m。工作面顶板以粉砂岩、粗砂岩为主，底板主要以泥岩为主。

南五902 工作面大面面宽208 m，可采走向长760 m；小面宽160 m，可采走向长358 m。所采9 煤层厚度在1.12～2.08 m，一般为1.79 m。煤层自燃倾向性等级属Ⅱ类，自燃煤层，最短自然发火期45 d。工作面回采期间运输巷入风风量为850 m3/min，回风巷风量为800 m3/min。

2 巷道松动圈高体积分数CO 可能来源分析

2.1 上覆采空区

南五902 工作面上邻8 煤层，未采动。8 煤层与9 煤层间距南部较小，北部较大，在2.93～12.05 m 之间，一般为8.09 m。7 煤层与8 煤层间距12.07～22.43 m，与9 煤层间距15～32.25 m。

南五902 工作面回风巷侧上覆南五701 采空区，运输巷侧上覆南五704、705 采空区。

工作面顶板断裂带发育高度，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的经验公式来计算[11]，断裂带高度计算公式见表1。

根据工作面所采9 煤层上覆岩层实际情况，岩性以中硬为主，工作面平均采高1.79 m。根据表1中岩性中硬对应的公式，分别采用式（1）、式（2）计算本工作面开采后顶板断裂带高度：

表1 断裂带高度计算公式Table 1 Calculation formula of fracture zone height岩性

取式（1）、式（2）计算结果的最大值作为本工作面顶板断裂带高度，即36.76 m，大于9 煤与7 煤最大间接32.25 m，说明本工作面开采后，顶板发育的裂隙很有可能与上覆7 煤采空区导通，导致上覆采空区有毒有害气体侵入本工作面。

2.2 邻近采空区

南五902 工作面运输巷侧与南五901 回风巷相邻，中间留有约8 m 煤柱。受工作面采动影响，可能造成南五902 工作面与邻近南五901 采空区导通，南五901 采空区中的有毒有害气体有可能侵入南五902 工作面。

2.3 本工作面

南五902 工作面运输巷和回风巷主要采取锚网支护方式，受地应力作用，矿山压力显现较为明显，主要表现为回采期间巷道易发生变形、片帮等问题。此外，两巷道均未采取全断面喷浆处理，松动圈内裂隙煤体低温氧化时间长，氧化程度较高，可能造成南五902 工作面松动圈出现高体积分数CO。

3 巷道松动圈高体积分数CO 来源判别

3.1 上覆采空区探测

在南五902 工作面两巷钻场施工上覆采空区导入孔，探测工作面上部气体情况，以判别工作面运输巷和回风巷两巷道松动圈高体积分数CO 是否来自上覆采空区，导入孔施工参数见表2，各导入孔每日最高CO 体积分数随时间变化情况如图1。

表2 导入孔施工参数表Table 2 Construction parameters table of leading-in hole

由图1 可见，南五902 工作面向上部采空区施工的各导入孔，孔内CO 最高体积分数仅为36×10-6，未发现高体积分数CO，由此得出工作面运输巷和回风巷松动圈高体积分数CO 不是来自上覆采空区。

图1 上覆采空区导入孔每日最高CO 体积分数随时间变化情况Fig.1 Variation of daily maximum CO concentration with time in leading-in hole of overlying goaf

3.2 邻近南五901 采空区探测

对南五901 采空区密闭进行取样化验，分析气体成分，以判别南五902 工作面两巷巷道松动圈高体积分数CO 是否来自邻近南五901 采空区。南五901 回风巷密闭内气体组分见表3。

表3 南五901 回风巷密闭气体组分统计表Table 3 Statistical table of closed gas composition of 901 return air channel in south No.5 mining area

由表3 可知，南五901 采空区内没有发现CO，因此可得出本工作面运输巷和回风巷松动圈高体积分数CO 不是来自邻近南五901 采空区。

3.3 本工作面探测

分别在南五902 工作面运输巷和回风巷垂直硬帮施工6 个不同位置、不同深度的水平观测钻孔，对钻孔内气体进行取样分析，以判断南五902 工作面两巷道松动圈高体积分数CO 是否来自本工作面。本层观测钻孔布置示意图如图2。运输巷和回风巷观测钻孔气体监测结果如图3、图4。

图2 本层观测钻孔布置示意图Fig.2 Layout of observation boreholes in this layer

图3 运输巷本层观测钻孔CO 体积分数随时间变化情况Fig.3 The variation of CO concentration with time in this layer of transport channel

图4 回风巷本层观测钻孔CO 体积分数随时间变化情况Fig.4 The variation of CO concentration with time in this layer of return air channel

由图3、图4 可知，运输巷3 个本层观测钻孔最大CO 体积分数为520×10-6，且各钻孔CO 体积分数（平均超过300×10-6）一直维持在较高水平；回风巷3 个本层观测钻孔最大CO 体积分数为220×10-6，1#和2#观测钻孔CO 体积分数呈现明显下降趋势，3#观测钻孔CO 变化波动不大；将运输巷和回风巷相同深度的观测钻孔CO 体积分数进行比较，运输巷侧观测钻孔CO 体积分数均高于回风巷侧。

4 结 语

1）上覆采空区和邻近采空区内均未发现高体积分数CO，只有在本层观测钻孔内发现了高体积分数CO，说明南五902 工作面运输巷和回风巷松动圈高体积分数CO 来源于本工作面，分析原因是由于两巷道巷帮松动圈内破碎煤体自然氧化所致。

2）对比运输巷和回风巷本层观测钻孔CO 数据，进一步得出运输巷在O2更为充足的条件下，其松动圈内破碎煤体较回风巷侧更易发生自然氧化反应。