低变质易自燃厚煤层工作面CO负压引排技术研究

曹景轩 CAO Jing-xuan；张宝禄 ZHANG Bao-lu；路宁 LU Ning；师吉林 SHI Ji-lin；赵亚明 ZHAO Ya-ming

（①国网能源哈密煤电有限公司大南湖一矿，哈密 839000；②中煤科工集团沈阳研究院有限公司，抚顺 113122；③煤矿安全技术国家重点实验室，抚顺1 13122）

0 引言

我国煤炭资源储量大，煤层地质特征多样，开采容易自燃、自燃煤层的矿区分布广。据统计，晋陕蒙新地区，开采容易自燃、自燃煤层的井工煤矿占比为77.1%[1]，特别是新疆地区普遍存在开采煤层变质程度低，煤层自然发火期短的特点，开采过程中煤层伴有低温氧化现象，在常温下工作面及采空区的破碎遗煤即可氧化产生大量CO气体，导致井下综放工作面回风隅角等区域CO浓度超过24 ppm，严重干扰矿井自然发火预测预报工作和井下作业人员的职业健康[2-6]。

许涛等[7]研究了煤低温氧化过程的分阶段特性以及不同阶段所表现出的动力学特征；姬俊燕等[8]开展了基于CO浓度的煤低温氧化反应特性试验研究；张平等[9]分别对基于CO浓度和耗氧量的煤低温氧化反应机制进行了试验研究；黄光利等[10]进行了老年褐煤综放工作面CO来源分析及治理技术研究。前述研究揭示了煤的低温氧化反应特性和反应机制，也提供了褐煤低温氧化CO治理技术，但是针对低变质易自燃煤层工作面CO超限治理效果有限。笔者通过分析大南湖一矿1307工作面CO来源分布，提出了针对低变质易自燃煤层工作面CO超限治理的技术思路，建立了工作面CO负压引排系统，经现场考察确定了治理技术的关键参数，并成功应用。

1 矿井概况

大南湖一矿位于新疆哈密市，地处大南湖煤田东部，设计生产能力为10Mt/a，主采的3煤层煤质为褐煤、长焰煤，属于低变质煤种，煤层自燃倾向性为Ⅰ类，最短自然发火期为37天，煤层开采过程中存在低温氧化现象。1307工作面走向长度3408m，倾向长度238m，机采高度3m，放煤高度6.98m，配风量约1800m3/min，正常回采时期工作面回风隅角CO浓度均达到120ppm以上。

2 CO来源分析及超限治理思路

2.1 CO来源分析

研究表明，回风隅角CO的来源分为煤层原始赋存、采煤过程中产生、采空区遗煤氧化以及井下爆破生成等4类[11-12]。通过现场观测、实验室分析，大南湖一矿1307工作面回风隅角CO气体主要来源为煤层开采过程中及开采后的煤氧化产生；煤层原始赋存CO含量极少；井下爆破生成的CO持续时间有限，只在短时间内引起风流CO增大。

通过对大南湖一矿1307工作面进风巷至回风巷沿线多个观测点的统计分析，得到了非生产时期和生产时期采煤工作面CO浓度场、温度场及遗煤厚度分布规律，经计算得到了非生产时期和生产时期采煤工作面不同区域煤体对回风隅角CO浓度的分源占比，研究发现：回风隅角CO气体来源于后溜条带状浮煤的占比在64.3%以上，来源于采空区的CO占比不高于35.7%，其中回风隅角CO超限防治的重点区域是133#架至回风隅角对应的后溜区域。

2.2 CO超限治理思路

根据我国多年的瓦斯治理经验可知，通过瓦斯抽放可解决煤层瓦斯涌出导致的瓦斯灾害问题[13-14]，因此基于瓦斯抽放技术，提出回风隅角CO负压引排技术。因大南湖一矿3煤层开采过程中，回风隅角、回风流、总回风流内的CH4浓度长期为0，属于乏风的范畴，因此CO负压引排技术属于乏风治理的范畴。同时，由于回风隅角CO引排属于敞开式排风，故该引排方法属于低负压引排[15]。

具体治理思路是：针对回风隅角CO超限治理重点区域建立CO引排系统，采用负压引排方式将回风隅角集聚的CO经管路引排至总回风，从而降低回采工作面和回风隅角的CO气体浓度。

3 CO负压引排技术

3.1 CO负压引排系统

3.1.1 系统概况

大南湖一矿1307工作面CO负压引排系统包含引排泵站、引排管路及附属装置。

引排泵站设置在3煤层辅助运输大巷二反掘车场内，CO负压引排泵是型号为2BEC72的水环式真空泵，泵站配套设施包含供电、通讯、给排水、泵站通风、CO排放、远程控制等。

引排管路选用内径为600mm的螺纹焊接钢管。引排系统附属装置包含控制阀门、测压嘴、孔板流量计、负压放水器、泵站监测系统等。

大南湖一矿1307工作面CO负压引排系统于2021年8月建立并试运行。

3.1.2 管路敷设路线

经现场查勘，确定管网系统敷设路线为：

1307工作面回风隅角→1307工作面辅运顺槽→3煤回风大巷→CO引排泵站→3煤回风大巷。

3.2 CO引排工艺

负压引排的主要原理是在工作面上隅角形成一个负压区，使该区域内CO气体由负压引排管路排走，这可以避免工作面上隅角处局部位置因风流不畅或微风引起的CO超限，还可解决因漏风使采空区向上隅角涌出CO而造成的CO超限。

为操作方便，靠近采面上隅角的管路可采用铠装软管与主负压引排管路连接，将铠装软管插入上隅角（管壁穿有小孔）。随着工作面的推进，拆下前端一段主管路，移动负压引排软管，如此反复，负压引排工艺如图1所示。软管可采用10〞管，负压引排管伸入上隅角长度及位置应根据实际负压引排效果，不断调整，得到合理的参数。

图1 回风隅角负压引排方法示意图

3.3 CO引排关键参数

采煤工作面CO负压引排效果主要取决于引排风量和引排口位置。引排风量太小不足以将回风隅角高浓度的CO气体引排走，无法有效解决CO超限问题；工作面CO引排口位置合理与否对CO的引排效果也起着至关重要的作用。

3.3.1 引排风量

对于U型通风系统工作面，其回风隅角是采空区漏风的主要漏风汇，架间漏风远小于回风隅角区域的漏风，假设流经采空区的漏风均从回风隅角区域漏入工作面，则由采空区漏风所含的CH4总量与总回风流内的CH4总量相等，则可用下式计算回风隅角的过风量：

式中：

Qy、Qh—分别为回风隅角过风量和回风巷风量，m3/min；

Cy、Ch—分别为回风隅角区域和回风流中的CH4浓度，%。

根据1307工作面回风隅角区域CH4传感器和回风巷中CH4传感器的浓度在线监测数据，同时将工作面风量代入上式，计算得出回风隅角的过风量约为251m3/min。

为治理回风隅角区域的CO超限，回风隅角的引排风量必须超过回风隅角的过风量，因此回风隅角设计引排风量大于251m3/min。

3.3.2 吸风口位置

由于1307工作面CO气体来源于后溜条带状浮煤的占比在64.3%以上，其中来源于133#支架至回风隅角后溜条带状浮煤占55%，因此CO负压引排时需有效消除该区域的高浓度CO气体。

CO负压引排系统吸风口的具体设置为：主吸风口挂在回风端头支架尾梁顶部，沿回风巷走向布置在工作面与采空区交界位置；同时，向136#支架机尾减速机上部设置一道吸风管路，端头吸风口不封堵，利用此段管路将减速机上部富集的高浓度CO气体引排出。吸风口布置如图2所示。

图2 CO负压引排吸风口位置示意图

3.4 引排效果

大南湖一矿1307工作面负压引排系统试运行期间通过不断优化负压引排关键参数，取得了良好的引排效果。

①1307采煤工作面回风隅角CO浓度由引排前的120ppm左右，降至引排后的14ppm，同时回风巷中CO浓度由引排前的31ppm降至9ppm，两者降幅分别达到89%和71%，有效解决了工作面CO超限问题。

②CO负压引排系统吸风口的吸风量越大引排效果越好，但为避免因引排而诱发采空区自燃问题的发生，引排风量控制在500m3/min以下，引排系统运行期间本工作面采空区及临近采空区均未发现异常。

4 结论

①针对低变质易自燃厚煤层工作面常规技术无法有效解决工作面CO超限问题，通过在工作面建立CO负压引排系统，回风隅角、回风巷中的CO浓度分别由负压引排前的120ppm、31ppm降至负压引排后的14ppm和9ppm，有效解决了工作面CO超限问题。

②采煤工作面CO负压引排技术的关键是确定合理的负压引排风量和引排口位置。