采空区高温点判断原理及治理一氧化碳超限技术

牛永寿 李小波 关景顺 常小军

摘 要：青岗坪煤矿42106工作面末采挂网时出现CO气体严重超限，正确分析CO气体的来源和采空区高温点的位置，对迅速治理CO超限，保障矿井的安全至关重要。本文介绍了高温点位置的原理，分析了科学注氮治理CO气体超限的方法和效果。

关键词：CO超限;采空区高温点;液氮;增加注氮量

中图分类号：TD752.2文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）01-0054-03

Abstract： It is very important to analyze the source of CO gas and the position of high temperature point in goaf for the rapid control of CO overrun and the safety of the mine. This paper introduced the principle of analyzing the position of high temperature point， the method and effect of scientific nitrogen injection to control CO gas over limit.

Keywords： carbon monoxide overrun;goaf high temperature point;liquid nitrogen;increase nitrogen injection

煤矿工作面一氧化碳（CO）气体超限后，分析CO气体超限的原因，正确判断采空区高温火点位置，对采取对症措施治理CO气体超限非常重要。但目前，判断采空区高温点的位置比较困难，导致国内外很多矿井治理CO超限时，一一实施了所有能实施的防灭火技术，既加大了治理成本，又不能采取针对性的关键技术，导致治理失败。青岗坪煤矿正确判断了工作面采空区高温点的位置，采取针对性的治理措施，快速治理了CO气体超限，其方法值得其他煤矿参考。

1 工作面CO气体情况

青岗坪煤矿42106工作面倾斜长度为150 m，走向长度为1 700 m，工作面即将撤架。工作面回采4-2煤层，煤层厚度在8.5 m左右，采用综采放顶煤开采，采高3 m，放顶厚5.5 m左右。工作面采用U型通风，配风量为1 500 m3/min，工作面绝对瓦斯涌出量为10～20 m3/min，采用煤层预抽、高位钻孔、采空区埋管、上隅角气室抽放等技术防治瓦斯。煤层具有自然发火倾向，一般自然发火期为3～6个月，最短自然发火期为48 d。

工作面在末采挂网过程中出现CO气体超限，工作面进风隅角附近支架的CO浓度达到52×10-5 mg/m3，10号支架上部CO浓度达到40×10-5 mg/m3，表明采空区已经存在高温点。

2 高温点位置判断原理

2.1 判断CO气体是否来自工作面外部

当工作面CO气体超限后，首先应判断CO气体是否来自外部的采空区。经分析，认为青岗坪煤矿42106工作面CO气体为本工作面采空区浮煤剧烈氧化生成的，理由如下。

第一，42106工作面沿推进方向的左侧为42104老采空区，右侧为原始煤层，上部没有老采空区，因此唯一可能进入本工作面的地点为42104老采空区。但是，老采空区经连续监测，没有CO气体，工作面四周也没有小窑采空区，因此CO气体来自外部的可能性很小。

第二，工作面10号支架的CO气体浓度逐渐上升，不是时高时低，有固定的增量，符合煤层氧化生成CO气体的规律，因此10号支架尾梁的CO气体是由本工作面采空区浮煤氧化生成的[1]。

2.2 根据CO气体出来的位置判断

工作面10号支架架缝出现的CO气体的浓度为40×10-5 mg/m3，表明高温点就在工作面进风隅角至10号支架之间，位置离支架较近，在10 m左右，理由如下：①根据采空区的漏风弧线可知，只有这一带的浮煤剧烈氧化，才能导致10号支架出现CO气体，而其他地点出现的CO气体，均从此地点运移过去;②工作面进风隅角出现CO气体，只有离进风隅角近的地点，其高温浮煤生成的CO气体才可能扩散到进风隅角;③根据处理50多次高温火点的经验，一个工作面同时出现两个以上高温点的可能性几乎没有，因为只要第一个高温点出现，工作面的CO气体就会超限，矿井就会采取严格的防火措施，以杜绝第二个高温点的出现[2]。

2.3 根据煤层最短自然发火期判断

42106工作面所采煤層的最短发火期为48 d，煤层自热（发生剧烈氧化）的时间为20 d左右。工作面挂网以来，25 d仅推进10 m，支架后部采空区12 m以里的浮煤已经达到其自热时间[3]。

2.4 根据采空区自然发火立体三带判断

根据工作面CO出现的位置，判断高温点位于支架后方12 m以内，但支架后方12 m属于采空区自然发火三带冷却带的范围，浮煤一般不会剧烈氧化，因此判断采空区还存在一个垂直自然发火三带。42106工作面垂直自然发火三带的考察结果为：采空区垂直冷却带位于工作面底板上方4 m以下高度，垂直氧化带位于工作面支架上方4～16 m的高度，支架上方16 m以上高度为垂直三带的窒息带，又根据煤层厚度为8.5 m，锁定采空区高温点的高度位置在底板以上4～8.5 m的垂直氧化带内。

2.5 根据防火措施判断

42106工作面综采放顶煤开采易燃特厚煤层，其最有效的防火方法为采空区科学注氮防火，矿井前期虽然对工作面实施了采空区注氮，但还存在如下问题：①工作面注氮流量为1 200 m3/h，这个注氮流量对于正常推进的工作面能有效防火，工作面推进1 500 m，以此注氮流量注入采空区，采空区的CO气体浓度均低于10×10-5 mg/m3，保障了工作面的防火安全，但在工作面挂网期间，月推进度不足20 m时，显然这个注氮流量偏小;②采空区埋管注氮的地点位于工作面下隅角以里30 m和60 m，这个注氮地点对于正常推进的工作面注氮有效，但对于月推进度不足20 m的工作面，进风隅角以里30 m以内的浮煤注不到氮气[4]。

3 治理措施

3.1 采空区科学注氮

所谓科学注氮，就是必须根据采空区的漏风状况、氮气的用途和工作面的推进度随时调整注氮流量、注氮地点和输氮管径。42106工作面采空区目前的氮气防灭火发生了如下变化：①用途从防火转为抑制采空区已经剧烈氧化浮煤进一步氧化自燃;②工作面推进度从每月80 m变为每月20 m;③进风隅角以里出现了高温点，此地点漏风增大。为了达到科学注氮防灭火的目的，工作面的注氮流量、注氮地点和输氮气管径均要改变[5-6]。

3.1.1 增加采空区注氮地点。前面已经分析，現有注氮地点不能到达工作面进风隅角至进风隅角以里12 m的高温浮煤范围，为此，除了继续保持原有的下隅角以里30 m和60 m处的埋管注氮地点外，还必须增加一个进风隅角以里10 m的注氮地点。由于临时埋管已经来不及，因此，采用打钻孔注氮，其方法为：在工作面撤架的绞车洞室向进风隅角以里打钻，钻孔位于工作面下隅角以里10 m，钻孔下Φ50 mm套管，封孔，通过钻孔向采空区连续注氮，注氮流量为800 m3/h，达到降低工作面下隅角以里高温浮煤氧浓度的目的[7]。

3.1.2 支架上方目标注氮。目前，10号支架架缝出现的CO气体的浓度为40×10-5 mg/m3，所以不能排除10号支架上部浮煤出现剧烈氧化，为此向9号到10号支架之间上部打钻孔1个，钻孔位于支架尾梁上部1 m，钻孔下2.54 cm套管，通过钻孔向支架上部注氮，注氮流量为400 m3/h，达到降低支架上方浮煤氧浓度的目的[8]。

3.1.3 注液氮增加氮气流量。青岗坪矿的制氮机按照工作面防火能力设置，为地面两台流量为800 m3/h的制氮机。现在，两台制氮机的实际总制氮流量只有1 200 m3/h。按照抑制采空区已经剧烈氧化浮煤的注氮流量计算，需要再加大1倍注氮流量。但是，矿井要增加两台制氮机最少2个月的时间，根本难以满足治理工作面CO气体超限的需要。为此，矿井采取了注液氮增加注氮流量的方法，注液氮的流量为1.5 m3/h，可汽化成氮气1 200 m3/h，工作面的总注氮流量由原有的1 200 m3/h增加到2 400 m3/h。

3.2 注水降温

向高温可疑区打3个钻孔以注水降温，钻孔分别位于进风隅角、5号支架上部和10号支架上部，终孔位置位于支架后上部5～7 m。钻孔下直径为50 mm的套管，封孔，通过钻孔向采空区注水，使这一带的浮煤始终保持湿润状态[9-10]。

3.3 注瑞克堵漏材料

瑞克堵漏材料由树脂和固化剂两种组分组成，可广泛应用于煤矿井下密闭墙充填、冒顶区充填，以及采煤工作面进回风隅角封堵等防灭火工程。使用时，树脂和固化剂按一定比例经专用气动注浆泵混合均匀后可迅速发生反应，快速膨胀并固化，形成稳定的高倍数隔气性泡沫，同时具有良好的柔韧性和突出的阻燃抗静电性能。与传统罗克休等高分子材料相比，该材料具有反应温度更低、阻燃性更强等优势。其堵漏特性为：膨胀系数高，阻燃性能优越，具有良好抗静电性能;反应温度低，不易积聚热量;附着力强，黏结强度高;泡体性能稳定、耐候性持久;发泡速度快，快速密闭堵漏;新型树脂材料，对人体及环境友好无污染，可大面积使用。

瑞克堵漏材料的堵漏方法为：两种材料经压风送到混合器后，再经喷枪压入上、下隅角内的采空区，在采空区内迅速反应膨胀30倍，形成堵漏的固体，固体一方面充填采空区内的空隙，另一方面与上、下隅角煤壁和支架尾梁凝结在一起，严密地将上、下隅角堵严[11-12]（见图1），工作面经过注瑞克堵漏材料后，大大减少了采空区的漏风情况。

4 防火效果

42106工作面CO气体超限治理取得了很好的效果，图2为治理措施实施后O2浓度变化图。从图中可以看出：下隅角以里2 m处O2浓度仅2 d时间就降到了5%以下，浮煤没有氧化条件，再也不会自然发火。治理措施使采空区CO气体消失，保障了42106工作面未因采空区CO气体超限而被迫封闭，安全完成了工作面的挂网和撤架[13]。

5 结论

①42106工作面采空区CO气体超限的原因是工作面末采挂网推进度太慢，架后浮煤长期氧化产生高浓度CO气体。

②42106工作面采空区高温点的位置位于1～10号支架后方、距离支架尾梁0～12 m范围的采空区，高温点的高度为底板以上4～8.5 m。

③采用增加注氮地点、增加液氮汽化的注氮流量、加强采空区堵漏和高位钻孔注水等综合治理措施，有效抑制了采空区高温浮煤的继续氧化，保障了工作面的安全挂网和撤架。

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