基于涌现性特点的采空区氧化升温带高浓度CO治理技术

田 臣1,2,周海丰2

(1.黑龙江科技大学,黑龙江 哈尔滨 150022 ;2.国能神东煤炭集团,内蒙古 鄂尔多斯 017209)

摘 要:煤矿在生产过程中,采空区遗煤自燃会给矿井的生命与财产安全带来巨大威胁。将矿井采空区氧化升温带看作一个系统,系统呈现的高浓度CO由氧化升温带的遗煤、空气、蓄热条件等各类因素共同影响产生。通过对复杂系统表现出的涌现性规模效应、结构效应、高层次有而低层次没有的三方面特性进行分析,得出采空区氧化升温带高浓度CO产生规律及下属关联因素。在此基础上根据涌现性理论指导,针对神东补连塔煤矿22410采空区氧化升温带高浓度CO治理问题,结合工作面生产现场地质构造、上覆煤柱、采煤工艺、机电故障等实际条件,从煤体易自燃特性、采空区超量遗煤、发达的供氧通道、综采工作面迟缓的推进速度4个方面深层次分析了采空区氧化升温带高浓度CO产生原因,针对性地实施了控制遗煤、封堵漏风通道、上隅角向采空区灌浆、上隅角堆建岩粉墙、工作面风量控制、上隅角及采空区气体“三位一体”实时监测等多项综合治理措施后,采空区氧化升温带高浓度CO问题很快得到了有效控制,从而避免了综采工作面在回采过程中采空区发生自然发火的危险,避免了巨大的经济损失,同时确保了人员的生命安全。由此得出结论:系统涌现性特点可以指导解决煤矿在生产过程中遇到的潜在灾害问题。

关键词:涌现性;采空区;氧化升温带;煤炭自燃;CO治理

中图分类号:TD75

文献标志码:A

文章编号:0253-2336(2022)07-0163-08

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田 臣,周海丰.基于涌现性特点的采空区氧化升温带高浓度CO治理技术[J].煤炭科学技术,2022,50(7):163-170.

TIAN Chen,ZHOU Haifeng.High-concentration CO treatment technology based on the characteristics of emergence in the goaf oxidation temperature rise zone[J].Coal Science and Technology,2022,50(7):163-170.

收稿日期:2021-10-02

责任编辑:常 琛

DOI:10.13199/j.cnki.cst.2021-0954

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2016YFC0501104-4);陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2019JQ-009)

作者简介:田 臣(1979—),男,内蒙古乌兰察布人,高级工程师,博士研究生。E-mail:648943 270@qq.com

High-concentration CO treatment technology based on the characteristics of emergence in the goaf oxidation temperature rise zone

TIAN Chen1,2,ZHOU Haifeng2

(1.Heilongjiang University of Science and TechnologyHarbin 150022,China;2.National energy group shendong coal group BuLianta Coal Mine,Erdos 017209,China)

Abstract:In the production process of coal mines, the spontaneous combustion of residual coal in gob will bring great threat to the safety of mine life and property. In this paper, the oxidative heating zone of mine gob was regarded as a system. The high concentration of CO presented by the system was affected by various factors such as residual coal, air and heat storage conditions in the oxidative heating zone. By analyzing the emergent scale effect, structural effect, and low-level characteristics of the complex system, the production law of high-concentration CO in the oxidation heating zone of gob and the subordinate correlation factors were obtained. On this basis, according to the theoretical guidance of emergence, in view of the problem of high concentration CO control in the oxidative heating zone of 22410 gob in Bulianta Coal Mine of Shendong, combined with the actual conditions of the geological structure of the working face, the overlying coal pillars, the coal mining technology and the mechanical and electrical failures, the causes of high concentration CO in the oxidation heating zone of the gob were deeply analyzed from four aspects:the spontaneous combustion characteristics of the coal body, the excess residual coal in the gob, the developed oxygen supply channel and the slow advance speed of the fully mechanized mining face. After the comprehensive control measures such as controlling the residual coal, blocking the air leakage channel, grouting from the upper corner to the gob, piling the rock powder wall in the upper corner, controlling of the air volume of the working face, and real-time monitoring of the upper corner and the gob gas, the high concentration CO problem in the oxidation heating zone of the goab was quickly and effectively controlled, thereby avoiding the risk of spontaneous combustion in the gob of the fully mechanized mining face in the mining process, and avoiding the huge economic losses. At the same time, the safety of personnel is ensured. From this, it is concluded that the emergent characteristics of the system can guide and solve the potential disaster problems encountered in the production process of coal mines and have great application value.

Key words:system; emergence; goof;oxidation heating zone; spontaneous combustion of coal; treatment technology

0 引 言

涌现性是在微观主体进化的基础上,宏观系统在性能和机构上的突变,系统的这种涌现性是系统的适应性主体之间非线性相互作用的结果,国内外很多著名学者对系统的涌现性进行了探索研究。加拿大学者邦格研究得出:所有的自然系统至少存在一种涌现性质。南非保罗·西利亚斯曾说“复杂性是作为要素之间的相互作用模式的结果而涌现出来的”。我国许国志认为:高层次拥有低层次所没有的特性,新层次根源于出现了新的涌现性,每经过一次涌现形成一个新的层次,从元素层次开始,由低层次到高层次逐步整合、发展,最终形成系统的整体层次[1-3]。美籍奥地利生物学家贝塔朗菲借用亚里士多德命题“整体大于部分之和”直观地表达涌现性,即1+1>2,即贝塔朗菲定律[4-5]。随着研究的深入,系统涌现性特点开始指导应用于经济、教育、产业技术、网络雷达等各个领域[6-9]。基于安全问题中蕴含的系统涌现思想,系统涌现性特点开始指导应用于安全领域,如利用系统涌现性特点从涌现性角度解释应用于新冠疫情社会安全系统[10]

煤矿采空区遗煤自燃是矿井灾害防治的关键问题,特别是在超大采高、超长走向综合机械化采煤工作面,若采空区遗煤长期停留于氧化升温带并发生自燃,轻者造成工作面的封闭,重者造成整个矿井的封闭,严重威胁矿井生命财产安全。如果将矿井采空区氧化升温带看作一个系统,则系统呈现的高浓度CO摘要有由氧化升温带的遗煤、空气、蓄热条件等各类因素共同影响产生,同时这些影响因素之间具有交互作用,不同的作用影响了遗煤氧化的速度、程度、范围等,从而造成系统的复杂性,具备复杂系统的一般特性,即涌现性[11]。对基于涌现性特点的煤矿安全生产过程中进行应用探究,可以为矿井安全生产增加基础理论指导依据,具有重大研究意义与价值。

1 采空区氧化升温带系统涌现性

涌现性是指多个要素组成系统后,出现了系统组成前单个要素所不具有的性质,这个性质并不存在于任何单个要素当中,而是系统在低层次构成高层次时才表现出来,反映了质的变化[12]。系统科学认为,系统结构和系统环境以及它们之间关联关系,决定了系统整体性和功能。也就是系统整体性与功能是内部系统结构与外部系统环境综合集成的结果,即复杂性研究中所述的涌现性[13-14]

煤矿综采工作面采空区遗煤与空气中的氧气发生低温氧化,释放出热量和CO等氧化产物。神东补连塔煤矿2-2煤层氧化升温试验结果为:当煤温T=45.5 ℃时,出现最早的氧化产物CO,并贯穿于整个氧化过程;当煤温T=70~90 ℃时出现C2H6;当煤温T=80~100 ℃时出现C2H4,当煤温T=180 ℃时出现C2H2;当煤温T≥200 ℃时出现H2,因此可以将煤矿综采工作面采空区氧化升温带视为一个系统,矿井综采工作面的采空区氧化升温带高浓度CO为该系统一个低层次的涌现性,如果该系统在低层次不能及时得到控制,则系统的涌现性会进一步发展,最终呈现最高层次的涌现性,即遗煤自然发火。

2 采空区氧化升温带系统涌现性特点

2.1 规模效应

涌现性系统的整体特性与系统的规模即组分有关。只有达到一定的系统规模,涌现现象才会产生,从小系统到大系统,规模的增大导致系统性质的显著差别,描述和处理的方法有明显不同。采空区氧化升温带呈现出高浓度CO,首先指向的是采空区氧化升温带的遗煤堆积情况,下属关联因素有遗煤堆积量、压实程度、采煤方法(顶底板及煤柱遗煤)等;其次是采空区氧化升温带的供氧情况,下属关联因素微观上为遗煤的含氧官能团、粒度、孔隙度等,宏观上为供氧时间(工作面推进速度)、蓄热条件、漏风强度、矿井通风方法等。

当采空区氧化升温带呈现出高浓度CO,证明该系统已经初步形成一定规模。为进一步控制涌现性的层次升级,则应从上述方法关联因素中分析确定管控措施。

2.2 结构效应

不同的结构方式构成的系统,会产生不同的整体涌现性[15-16]。即使每个要素属性较好,但结构不合理,也会组成不好的系统。

矿井综采工作面的采空区氧化升温带呈现出高浓度CO的现象,从直接因素分析是遗煤与氧气在良好的蓄热环境中持续缓慢氧化的结果。因此,根据系统涌现性结构效应特点,结合煤矿井下实际环境条件以及矿井现有的物资储备和技术水平,控制采空区氧化升温带呈现出高浓度CO,一方面可以从管控供氧条件入手,封堵漏风通道,如地表裂缝、钻孔、密闭、上下隅角的封堵等;另一方面从控制遗煤量入手,比如沿顶沿底割煤、上下隅角遗煤清理、加固保护煤柱等,从结构上干扰该系统向不良系统的发展。

2.3 高层次有而低层次没有的特性

系统的新层次根源于出现了新的涌现性,有不同层次必有不同水平的涌现性。涌现性的层次划分等于提供了一个参照系,不同层次之间存在内在的差异、联系、衔接和过渡,讨论系统问题首先需明确该问题在系统发展的具体层次,从而根据其特性提出针对性的目的措施。

矿井综采工作面的采空区氧化升温带的遗煤在氧化过程中,不同的温度呈现出不同的指标气体,不同指标气体即可为该系统的不同层次特性,反映出遗煤的自燃程度。例如,当补连塔煤矿2-2煤层采空区出现C2H6,证明采空区遗煤温度为70 ℃以上。

3 采空区氧化升温带系统涌现性特点应用

3.1 工作面概况

神东补连塔煤矿22410综采工作面为2-2煤四盘区第2个综采工作面,工作面地面标高+1 212~+1 291 m,煤层底板标高+1 047.2~+1 059.4 m。上覆基岩厚度为138~213 m,松散层厚度为0~42 m,煤层倾角为1~3°,煤层厚度5.9~7.8 m,平均厚度6.6 m,工作面倾向长度301 m,可采长度3 728 m。

工作面采用倾斜长壁后退式开采一次采全高全部垮落法处理采空区的综合机械化采煤法。设计月推进速度387.52 m,工作面可采期为9.6个月。

3.2 采空区氧化升温带高浓度CO现象

3.2.1 综采工作面“三带”划分

通过之前对补连塔煤矿22411采空区自燃“三带”范围测定得出结论:进风侧散热带长度0~144 m,氧化升温带长度144~473 m,窒息带长度>473 m;回风侧散热带长度0~31 m,氧化升温带长度31~231 m,窒息带>231 m。

3.2.2 采空区氧化升温带CO异常现象

2020-08-17,22410综采工作面隅角挡风帘内外及采空区氧化升温带CO浓度开始持续上升,8月份对2410综采工作面隅角挡风帘内外及采空区氧化升温带CO浓度进行连续观测,具体观测数据见表1、图1。

表1 22410综采工作面上隅角挡风帘内外及氧化升温带CO统计

Table 1 CO statistics of the inside and outside of the upper corner windshield curtain and the oxidation temperature rise zone of 22410 fully-mechanized mining face

地点CO体积分数/10-608-1108-1208-1308-1408-1508-1608-1708-1808-1908-2008-2108-2208-23挡风帘外16181419131526192833445869挡风帘内23182223192126243467147216221采空区50 m333845504326555088104228302325采空区100 m454145513333695997127356548567

图1 采取治理技术前22410综采上隅角挡风帘内外及氧化升温带CO体积分数变化趋势
Fig.1 CO change trend inside and outside the upper corner windshield curtain of 22410 fully-mechanized mining and the oxidation temperature rise zone before the treatment technology is adopted

将22410采空区氧化升温带视为一个独立系统,根据图表呈现出的CO异常现象可以看出:该系统的涌现性反应了采空区处于氧化升温带的遗煤已经发生一定程度氧化,并且已经呈现出新层次的特性,即高浓度CO。

3.3 涌现性特点衍射出的高浓度CO产生原因

3.3.1 煤体易自燃特性

22410综采工作面煤层属不黏煤,煤质特征详情见表2。

表2 22410综采工作面煤质特征

Table 2 22410 coal quality characteristics

水分Mad/%灰分Ad/%硫分St,d/%挥发分Vdaf/%发热量Qnet,d/(MJ·kg-1)6.848.850.5230.28~36.4928.81

经相关资质单位鉴定,22410煤体临界值温度为96.7 ℃,吸氧量为0.82 cm3/g,最短自然发火期为33 d,水浸煤自然发火期10 d,属于Ⅰ级容易自燃。

3.3.2 采空区超量遗煤

1)本煤层工作面巷道保护煤柱遗煤。22410综采工作面进、回风巷保护煤柱平均高度4.5 m,平均宽度10 m,平均每隔150 m留设一个宽度10 m的联络巷。随着工作面推进,两巷保护煤柱进入采空区,顶板大面积垮落后保护煤柱一定程度破碎并垮落,成为采空区遗煤。

2)两巷顶煤变遗煤。22410综采工作面煤层平均厚度6.6 m,22410主运输巷和22410回风巷平均设计高度4.5 m、宽度5.4 m,则两巷顶煤厚度2.1 m、宽度5.4 m。该工作面两巷顶煤未实现回收,随着工作面推进,两巷顶煤垮落成为采空区遗煤。

3)本煤层机尾三角区遗煤。22410综采工作面推进至距离主回撤通道560 m时,工作面顶板淋水骤然增大,后方采空区大量涌水同时进入工作面,涌水量达到300 m3/h以上。生产期间,刮板输送机底链将水与水煤渣一起从机尾链轮观察窗中甩出。随着涌水的持续,为不让水煤上运输系统影响煤质,工作人员将工作面机尾链轮盖板拆除,故大量的水浸煤畅通无阻的积聚在机尾巷道,水浸煤积聚长约260 m,宽约2 m,厚约3.5 m。随着工作面的推进,该部分水浸煤随之进入采空区参与氧化。

4)上覆保护煤柱垮落遗煤。22410综采工作面自开切眼至560 m处,综采工作面机尾段对应上部采空区遗留有一条长度560 m,宽20 m的走向煤柱。综采工作面推进至80 m处,机尾向综采工作面有一条长度100 m,宽度15 m倾向煤柱;综采工作面推进至85~228 m,上部采空区遗留一条长度146 m,宽度25 m的走向煤柱;综采工作面推进至555 m处,上部采空区遗留一条长度为301 m,宽度20 m平行于综采工作面的倾向煤柱;综采工作面推进至885 m处,上部采空区遗留一条长度为301 m,宽度20 m平行于综采工作面的倾向煤柱,一条长度301 m,宽度28 m的平行于综采工作面的倾向煤柱;综采工作面推进至953 m处,机尾上部采空区遗留一条长度为2 766 m,宽20 m平行于22410回风巷的走向煤柱。由于上下两层煤距离较近,22410综采工作面推过后,上覆煤柱自然垮落和下覆采空区融为一体,增加了采空区遗煤数量[17-19]

3.3.3 发达的供氧通道

1)本煤层漏风供氧通道。22410综采工作面采高设计采高6.6 m,属于大采高工作面。工作面推过后本工作面“两道”煤柱在地压作用下破碎程度大,产生的大量裂隙提供了漏风供氧通道[20]。另外,综采工作面密闭也存在不同程度的漏风。新鲜风流连续不断地从漏风通道进入采空区与遗煤发生物理吸附、化学吸附及化学反应,产生的大量CO并积聚[21]

2)上覆采空区沟通地表漏风供氧通道。22410工作面上覆有12410,12411,12418,12419,12420采空区,煤层平均间距40 m。受采动影响,上覆岩体冒落且形成四通八达的裂隙,下方采空区与上覆采空区导通,形成漏风供氧通道;另外,受工作面采动影响,上覆岩体二次塌陷,使得地表裂隙二次发育。如此,形成了地表直通上下复合采空区的复杂漏风供氧通道,在井下负压通风作用下,地表源源不断的向采空区供氧,将采空区遗煤充分氧化,进而产生高浓度CO。

3.3.4 综采工作面迟缓的推进速度

22410综采工作面直接顶为平均厚度为6.64 m的粉砂岩,容易垮落、冒落性好,底板也为粉砂岩,液压支架向前推移时受到一定程度阻陷。该工作面正常情况下月推进度为430 m,工作面推进至560 m时顶板淋水骤然增大,综合采煤机尾水浸煤大量堆积,更加阻滞了支架的前移,加之采煤机及刮板输送机机械故障,在处理问题期间,22410综采工作面的推进度只能达到7 m/d。

根据试验结果,22410综采工作面煤体最短自然发火期为33 d,回风侧氧化升温带的最大宽度为329 m,则工作面最小安全推进速度v=L/T=9.97 m/d。

从以上计算分析,工作面推进速度略低于安全推进速度,加之遗煤中夹杂着大量的水浸煤会缩短遗煤平均自然发火期[22]。采空区氧化升温带的遗煤得到充分的氧化,故而产生高浓度CO。

根据分析,涌现性特点不仅反映出采空区氧化升温带高浓度CO出现的机理,同时根据系统涌现性发展特性,此时如果不及时采取管控措施,后期治理经济成本更高、技术难度更大。

3.4 涌现性特点折射出的高浓度CO治理技术

3.4.1 控制综采机尾段浮煤进入采空区

1)回采技术控制浮煤进入采空区。综采工作面在回采过程中沿顶沿底推进,尤其工作面机尾50 m范围内严格控制不留顶、底煤,最大限度减少进入采空区的遗煤量。不仅如此,工作面在推进过程中根据底板起伏最大限度调整机头、机尾采高,尽量使得工作面后部采空区涌水不进入工作面而自流至机头或机尾,工作人员集中在工作面机头、机尾排水,从而杜绝刮板输送机尾链轮返水浸煤现象。

2)补强支护技术控制煤柱破碎参与氧化。根据现场勘查发现,22410综采工作面推过后顶板垮落完全可以将煤帮与底板交角的“立体三角”区充分填实。为控制遗煤总量,对22410回风巷沿线煤柱进行补强支护,待工作面推过煤柱进入采空区后不会立即大面积垮塌和破碎,从而有效防控其参与氧化。

3)不可控遗煤专人现场管控。综采工作面在推进过程中,如两巷顶煤等无法回收,必定会产生不可控遗煤。故无论生产班还是检修班,安排专人对22410综采工作面隅角处三角区域进行管控,发现遗煤立即清理完毕。与此同时,液压支架每向前移架一次,则在靠近工作面机尾100 m范围内向支架缝及上隅角处撒布厚度不少于10 cm的岩粉。

3.4.2 供氧通道封堵

1)井下供氧通道封堵。加强22410综采工作面进风侧密闭供氧通道的封堵。具体措施为:加强22409回风巷联巷一般防火密闭现场施工监督,确保密闭施工进度及质量;及时对22409回风巷联巷一般防火密闭填注高分子材料,强化密闭气密性;对22409回风巷联巷一般防火密闭及其煤柱进行全覆盖喷浆,喷浆厚度不低于2 cm。

加强本采空区及邻近采空区钻孔供氧通道封堵。具体措施为:矿通风管理部门组织专人对22409回风巷、22410运输巷、22410回风巷、22410回撤通道等22410综采工作面涉及各巷道所有贯通上覆12煤采空区、邻近22411采空区的钻孔进行逐一排查。对不出水的钻孔及时封堵;对出水的钻孔安排人员3班巡查,如果发现钻孔停止疏水,则第一时间关闭钻孔闸阀;对未上弯头的钻孔安设专用弯头,同时进行水封;对靠近综采工作面机尾的弯头,在距离机尾50 m时将钻孔进行封堵,并向钻孔灌注高分子材料进行密封。

2)地表供氧通道封堵。22410综采工作面采空区地表裂隙整体呈现:深度0.2~2.5 m,宽度0.1~1.6 m,长度0.2~11.0 m。对于深度1.5 m以内、宽度1 m以内、长3 m以内裂隙安排专人进行人工回填封堵;对于深度>1.5 m、宽度>1 m、长度>3 m的裂缝,采用机械进行回填封堵;对于地表起伏较大、沟壑地带等特殊区域,采用人工+机械联合作业的方式进行回填封堵。

为最大限度对地表供氧通道进行封堵,矿通风管理部门分管领导及相关业务人员每天轮流对地表进行一次人工全覆盖巡查,对巡查过程中发现的新塌陷的供氧通道,当班即安排人员进行回填封堵,保证回填封堵进度和质量,现场如图2、图3所示。

图2 综采工作面地表供氧通道
Fig.2 Surface oxygen supply channel in fully-mechanized mining face

图3 地表供氧通道机械封堵
Fig.3 Mechanical blockage of surface oxygen supply channels

3.4.3 综采上隅角向采空区灌浆

结合22410综采工作面的煤层赋存条件、巷道布置特点以及采煤工艺等综合情况,通过22410综采上隅角布管向采空区灌浆作为治理氧化升温带高浓度CO的重要措施。

灌浆管路布置路线:地面永久注浆站→注浆钻孔→22412辅巷→22411运输巷→22410回风巷→22410综采上隅角,灌浆管路布置现场如图4所示,灌浆采取随采随注技术,为保护灌浆管路,管路沿顶板与煤帮交角的“安全三角”敷设,为保证采空区充足的灌浆量,最大限度确保进入采空区的灌浆管路不被顶板垮落损坏,通防部门对22410回风巷灌浆管路进行维护加固,使灌浆管路进入采空区后不掉落,满足灌浆要求,累计注浆量为36018 m3,使用黄土7 180 m3

图4 22410上隅角向采空区灌浆现场
Fig.4 Grouting in the upper corner of 22410 in goaf

3.4.4 综采上隅角堆建岩粉墙

根据涌现性的规模效应特点,为遏制系统由小到大的蔓延,需对采空区遗煤最易氧化地点进行“网格化”管理。即工作面在向前推进过程中,每隔30 m在22410综采隅角堆建宽度50 cm的岩粉墙,岩粉墙连接顶板至底板,将隅角的三角区全部封堵,如图5所示。

图5 综采工作面推过三角区采空区岩粉墙示意
Fig.5 Schematic of fully-mechanized mining face
pushing through the goaf in triangle area

综采上隅角堆建岩粉墙主要具有以下技术原理:首先,在综采工作面设备检修时可以长时间有效封堵最大的回风漏风供氧通道,减少采空区浮煤接触的供氧量,为设备检修赢取时间;其次,岩粉自身覆盖煤体可以减少遗煤与氧气的接触面积防止煤体氧化;再者,间断堆建的岩粉墙可以将采空区三角区域的遗煤带等长度隔断,从而防止形成遗煤相连成片,形成大面积氧化区;最后,岩粉颗粒体积微小,在顶板与煤帮的三角区可以充分充填采空区垮落空间,防止跑浆、溃浆问题出现,极大地提升采空区灌浆容量,灌浆黄泥将采空区遗煤段各个覆盖,阻断其与氧气接触氧化,有效预防煤自然发火问题出现。

3.4.5 综采工作面配风量控制

根据《22411综采工作面采空区自燃“三带”测定报告》的数值模拟结果,如图6—8可以看出,采空区“三带”的范围与综采工作面风量密切相关:当综采工作面配风量增加,采空区散热带、氧化升温带以及窒息带整体向采空区深部移动,且氧化升温带的范围扩大;当综采工作面配风量减小,采空区散热带、氧化升温带以及窒息带整体向工作面附近移动,且氧化升温带的范围逐渐缩小。

图6 风量为2 986 m3/min、风速为2.04 m/s时采空区氧浓度分布
Fig.6 Distribution of oxygen concentration in goaf when the air volume is 2 986 m3/min,wind speed is 2.04 m/s

图7 风量为1 522 m3/min、风速1.04 m/s时采空区氧浓度分布
Fig.7 Distribution of oxygen concentration in goaf when air volume is 1 522 m3/min,wind speed is 1.04 m/s

图8 风量为790 m3/min,风速0.54 m/s时采空区氧浓度分布
Fig.8 Distribution of oxygen concentration in goaf when air volume is 790 m3/min,wind speed is 0.54 m/s

22410综采工作面采用“U”型负压通风,计算需配风量为2 067 m3/min,在采空区氧化升温带出现高浓度CO前,工作面实际配风量2 274 m3/min。为缩小采空区氧化升温带的范围,将工作面实际配风量调整为2 070 m3/min。

3.4.6 上隅角及采空区气体“三位一体”监测

为及时掌握系统发展情况,根据系统涌现性呈现的层次发展速度、程度随时调整技术措施,需对系统进行实施监测。所谓的气体“三位一体”监测指的是地面自动监测、地面人工监测与井下现场监测,3种气体观测方法同时展开。具体技术实施如下:

地面自动监测,即在综采工作面上隅角、采空区50 m、采空区100 m分别敷设10芯束管,JSG-4红外束管系统24 h实时对3个监测点气体井下分析,并将分析结果传输至地面,人员在地面实时掌握监测数据。地面人工监测,即在22410工作面靠近机尾联巷安设采空区气体观测站,每天安排专人将观测站采集的气样送至地面,利用GC-4085气相色谱仪分析出采空区气体中各主要指标气体浓度。井下现场监测,即现场工作人员利用随身携带的便携式气体检测仪在上隅角、红外束管出气端口、气体观测站等地点直接测量出采空区内气体组分与浓度。

地面自动监测、地面人工监测与井下现场监测3种气体监测方法相互独立,监测结果相互参照,帮助技术人员更准确地掌握采空区遗煤的氧化状态以及采取措施后的治理效果,为下一步的治理措施提供决策依据。

3.5 治理技术实施效果

根据系统涌现性的特点衍射出的采空区氧化升温带高浓度CO出现规律,结合22410综采工作面现场实际实施了前述系列指导技术措施后,对工作面上隅角挡风帘内外及氧化升温带CO进行了24 h实时监测并对每日CO最大监测数据进行提取,具体情况见表3、图9所示。

图9 采取治理技术后关键区域CO浓度变化趋势
Fig.9 Trend of CO change in key areas after adopting treatment technology

表3 22410综采上隅角挡风帘内外及氧化升温带CO浓度统计

Table 3 CO statistics of the inside and outside of the upper corner windshield curtain and the oxidation temperature rise zone of 22410 fully-mechanized mining

地点最高CO浓度/10-68月24日25日26日27日28日29日30日31日9月1日2日3日4日5日6日7日8日9日10日11日12日13日14日15日挡风帘外355958344145455556474037393137302122191919117挡风帘内16816212218016817713215016614815716018118917310374482534302815采空区50 m22822820421028628925525025823023022323220614111492576248324340采空区100 m3564363273873813823413383313293102763322261851801691076540625447

根据上图表可以直观看出,22410采空区氧化升温带的CO得到了有效控制,涌现性特点反射出的高浓度CO治理技术在现场实际生产过程中获得了良好的应用效果。

4 结 论

1)在煤矿综采工作面采空区氧化升温带系统中,高浓度CO为采空区氧化升温带系统涌现性呈现的层次特点。

2)基于采空区氧化升温带系统涌现性特点理论指导,可分析挖掘出采空区氧化升温带呈现高浓度CO的产生原因,分析显示系统在低层次阶段时采取治理措施相对投入较少,并对系统发展趋势做出警示预测,为矿井决策者做出治理决策提供参考依据。

3)根据涌现性特点反射出的高浓度CO具体治理技术需因地制宜、因时制宜结合矿井现场生产实际针对性地提出,提出的技术措施一般经济成本较低、技术难度较低。

4)系统涌现性特点为研究解决煤矿生产过程中遇到的各类潜在灾害防治提供了独特的新视角。

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