低变质煤层工作面CO 负压引排可行性研究

路 宁 师吉林 王永敬

（1.国网能源哈密煤电有限公司大南湖一矿，新疆 哈密 839000；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

西部地区煤炭资源储量丰富，2022 年该地区原煤产量占全国原煤产量的60.7%，为地区经济可持续发展做出了重要贡献。但西部地区低变质易氧化煤炭资源储量占比较大，采掘过程中伴有低温氧化现象[1-4]，在常温下工作面及采空区的煤体即可氧化产生大量CO 气体，导致井下采煤工作面回风隅角区域CO 浓度超过2.4×10-5[5-6]。为预防采煤工作面回风隅角及采空区的CO 气体溢出对作业人员造成人身伤害，同时避免工作面开采过程中自燃误报现象发生，拟采用负压引排方式将采煤工作面回风隅角漏风汇处集聚的CO 气体排出，从而解决采煤工作面回风隅角CO 气体超限问题[7]。

1 矿井概况

大南湖一矿地处新疆哈密市大南湖矿区，矿井设计生产能力10.0 Mt/a，采用单一走向长壁后退式采煤法，综采放顶煤采煤工艺，全部垮落法管理顶板。现开采的3 煤层煤质为褐煤，煤层平均厚度6.78 m，煤层倾角3°～ 13°，煤层自燃倾向性为Ⅰ类，最短自然发火期为37 d，矿井瓦斯等级为低瓦斯矿井，正常回采时期工作面回风隅角CO 浓度达到1.2×10-3以上。

2 回风隅角CO 负压引排可行性验证

2.1 初次验证

1）试验方案

① 试验过程

2019 年8 月13 日至9 月4 日，在大南湖一矿3 煤层1306 工作面回风巷中安设2×11 kW 专用引排风机，接120 m 专用引排风筒，将风筒吸风口设置在工作面回风端头前溜机尾与采空区之间，利用引排风机负压将工作面回风侧部分风流引排至1306工作面回风顺槽，以降低回风隅角CO 浓度，引排风机布置如图1。在试验过程中，将风筒吸风口从前溜机尾逐步向后溜机尾移动，记录吸风口在移动过程中、风机在开/关状态下各CO 监测点的CO浓度，模拟引排风量在81～396 m3/min 条件下，回风隅角CO 气体浓度变化规律。

图1 回风隅角CO 引排可行性试验现场设施布置图

② 监测点布置

在引排试验开始前分别在前溜机尾、138#架前、后溜机尾、137#架前、引排风筒吸风口、引排风筒吸风口后1 m、引排风机前50 m、引排风机出风口、引排风机后50 m 处设置9 个CO 浓度监测点，全程观测引排试验过程中各监测点的CO浓度变化情况。

2）试验效果

现场试验期间，随着引排风量的增加，回风隅角CO 浓度呈下降趋势。当引排风筒吸风口靠近后溜机尾区域时，CO 引排效果最好。在该区域回风隅角引排风量达到396 m3/min 后，前溜机尾CO 浓度基本达到2.4×10-5界限。现场试验表明，如将引排风筒吸风口放置在后溜机尾与采空区交界面区域，将达到最佳引排效果，此时回风隅角区域的CO 浓度降至2.4×10-5以下。

2.2 二次验证

1）试验方案

① 试验过程

为进一步验证效果，2020 年12 月在大南湖一矿1307 工作面再次进行现场CO 负压引排试验。具体过程为：在1307 工作面回风巷设置2×11 kW 局扇，利用600 mm 玻璃钢风筒作为负压引排管，引排管吸风口位置设在回风隅角后溜机尾后与采空区交界区域。引排设计风量控制在300 m3/min 左右，引排风机布置参照图1。

当然，读书多思，还只是一端，多思还必须求证。你的思考是否正确，还必须得到证明，这证明一是靠前辈学者研究的成果，包括古人的笺疏；二是靠你再查各种资料，包括《辞海》之类的工具书和其他可以确证的资料，决不能自以为是，只凭自己的理解，不求确证是不科学的。

② 观测点布置

在引排试验开始前分别在前溜机尾、138#架前、后溜机尾、137#架前、引排风筒吸风口、引排风筒吸风口后1 m、引排风机前50 m、引排风机出风口、引排风机后50 m 处设置9 个CO 浓度监测点，全程观测引排试验过程中各监测点的CO浓度变化情况。

2）试验效果

1307 工作面未进行CO 负压引排试验前回风隅角CO 浓度基本在1.70×10-4左右；负压引排试验开始后，引排管路吸风口所在区域及回风隅角CO浓度降至2.4×10-5以下。

根据两次现场试验结果可知，回风隅角CO 负压引排方案可以将回风隅角CO 浓度降至2.4×10-5以下，从而解决回风隅角CO 超限问题，表明采取回风隅角CO 管路负压引排的方法是可行的。

3 回风隅角CO 负压引排系统设计[8-10]

3.1 回风隅角CO 引排风量

3.2 回风隅角CO 引排管路

1）CO 引排管路直径

回风隅角CO 引排属于低负压引排，为此矿井建立低负压引排系统。CO 引排管路的管径：

式中：D为引排管内径，m；Q混为引排管中的混合CO 气体流量，m3/min，应有1.2～1.8 的富余系数，本次设计取富余系数为1.5；v为经济流速，m/s，一般取5～12 m/s。经计算选择内径为600 mm 的管路，材质为螺旋焊接钢管。

2）CO 引排管路阻力

根据一矿采掘平面图，从井下CO 引排泵站到达1307 工作面采空区的管路最长，所以按该引排管路系统计算直管阻力损失，经计算引排管路负压阻力为16 403 Pa，矿井总阻力损失为19 373 Pa。

3.3 CO 引排泵选型

根据引排泵的选型原则和CO 引排系统的各引排参数，并考虑到引排设备的工作特性以及引排期间设备的安全运转，为适应以后的CO 引排工作且尽量降低重复投资可能性的角度出发选型。本设计中引排泵的选型考虑到了一定的富余系数。根据前面的计算结果，CO 引排泵站选用2 台引排量大于515.63 m3/min 的水环真空泵。

3.4 回风隅角CO 负压引排方法

通过采煤工作面CO 来源分析及现场观测，工作面生成及采空区涌入的CO主要聚集在回风隅角，该区域的CO 治理拟采用上隅角插管负压引排。根据回风隅角负压引排区域是否有分支管路，引排方法分为无分支插管引排和多分支插管引排两种，其原理是在引排负压的作用下在工作面上隅角形成一个负压区，使该区域内CO 由负压引排管路引流走。

1）无分支插管引排

针对距离工作面回风隅角较近的引排管路，可通过铠装软管与主负压引排管路相连，将铠装软管插入上隅角，随工作面回采，拆下前端一段主管路，移动负压引排软管，如此反复。工艺如图2。

图2 无分支插管负压引排方法示意图

2）多分支插管引排

为确保治理效果，可在引排管路负压端吸风口处接一个设有4～8 个分支的管路，分支延伸出几个支管，支管出口接铠装胶管，胶管插入上隅角后呈发散排列，可提高负压引排效果。如图3。

图3 多分支插管负压引排方法示意图

由于3 煤层为容易自燃煤层，因此建议负压引排回风隅角CO 时建立必要的防、灭火措施。

3.5 现场应用效果

大南湖一矿1307 工作面CO 负压引排系统运行后工作面回风隅角CO 浓度降至2.4×10-5以下，回风流CO 浓度降至1.4×10-5以下，有效解决了工作面CO 超限问题。

4 结论

1）针对常温下低变质煤层工作面回风隅角CO易超限问题，通过在工作面回风巷安设专用引排风机对回风隅角区域CO 进行负压引排现场试验。该方法能将回风隅角CO 浓度降至2.4×10-5以下，表明回风隅角CO 负压引排工艺是可行的。

2）通过参考矿井瓦斯抽采工艺，在大南湖一矿1307 工作面建立了CO 负压引排系统。引排管路为内径600 mm 的螺旋焊接钢管，引排泵为流量大于515.63 m3/min 的水环真空泵，系统运行期间大幅度降低回风隅角CO 浓度。

3）针对工作面回风隅角CO 超限问题设计了回风隅角CO 无分支插管负压引排和多分支插管负压引排两种方法，便于现场灵活运用。