㊀第49卷第2期
煤炭科学技术
Vol 49㊀No 2㊀㊀
2021年
2月
CoalScienceandTechnology
㊀Feb.2021㊀
玉米窝窝头
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周效志,桑树勋,谷德忠,等.煤矿井下CO来源辨识与浓度超限原因研究 以内蒙古串草圪旦煤矿为例[J].煤炭科学技术,2021,49(2):138-144 doi:10 13199/j cnki cst 2021 02 017ZHOUXiaozhi,SANGShuxun,GUDezhong,etal.StudyonidentifysourcesofCOandreasonsofconcentrationover⁃
runinundergroundcoalmine:acasestudyofChuancaogedanCoalMineinInnerMongolia[J].CoalScienceand
Technology,2021,49(2):138-144 doi:10 13199/j cnki cst 2021 02 017
煤矿井下CO来源辨识与浓度超限原因研究
以内蒙古串草圪旦煤矿为例㊀㊀
周效志1,桑树勋1,2,3,谷德忠4,于海秋5,张泽文6
(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州㊀221116;2.中国矿业大学低碳能源研究院,江苏徐州㊀221008;3.中国矿业大学江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室,江苏徐州㊀221008;4.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州㊀221116;5.开滦(集团)
有限责任公司,河北唐山㊀060018;6.中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙㊀410083)
摘㊀要:为准确辨识井下CO来源,查明CO异常涌出与浓度超限原因,更好指导煤矿安全生产工作㊂以内蒙古串草圪旦煤矿为研究实例,统计了该矿井下6103㊁6104和6106工作面1059个气样组分测试数据,分析了采煤工作面㊁密闭采空区CO浓度变化特征,确定了井下CO主㊁次要来源,探讨了地质因素㊁工程因素对CO浓度超限的影响㊂研究结果表明:所有统计气样中,CO与O2浓度具有较好的负相关性,CO浓度超限主要在工作面上隅角㊁支架㊁密闭采空区等通风条件较差的位置;CO主要来源于煤炭开采氧化自燃,局部存在煤天然氧化次生CO;开采煤层埋藏浅㊁小型逆断层发育及煤变质程度低是CO浓度超限的地质原因;工作面长度过大,通风方式不合理是CO浓度超限的工程原因;地质与工程因素共同作用下,煤炭开采氧化自燃CO与天然次生CO叠加涌出,导致在风流速度低的位置CO积聚而引起井下CO浓度超限㊂
关键词:一氧化碳;来源辨识;浓度超限;低温氧化
不二兔子中图分类号:TD711.4㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0253-2336(2021)02-0138-07
StudyonidentifysourcesofCOandreasonsofconcentrationoverruninunderground
coalmine:acasestudyofChuancaogedanCoalMineinInnerMongolia
ZHOUXiaozhi1,SANGShuxun1,2,3,GUDezhong4,YUHaiqiu5,ZHANGZewen6
(1.SchoolofResourcesandGeosciences,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou㊀221116,China;2.InstituteofLowCarbonEnergy,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou㊀221008,China;3.JiangsuKeyLaboratoryofCoal-basedGreenhouseGasControlandUtlization,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou㊀221008,China;4.Sch
oolofMines,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou㊀221116,China;
5.Kailuan(Group)Co.,Ltd.,Tangshan㊀060018,China;6.SchoolofEarthScienceandInformationPhysics,CentralSouthUniversity,Changsha㊀410083,China)
收稿日期:2020-12-06;责任编辑:曾康生
基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(42030810);开滦(集团)有限责任公司技术开发资助项目(技术2018-1)作者简介:周效志(1982 ),男,山东青州人,副教授,博士㊂E-mail:cumtzxz@cumt.edu.cn
通讯简介:桑树勋(1967 ),男,河北唐山人,博士,教授,博士生导师㊂E-mail:shuxunsang@163.com
Abstract:IdentifyingthesourceofCOandfindingoutthereasonsofabnormalCOemissionandconcentra
tionoverruncanguidecoalminesafetyproduction.Taking6103,6104and6106coalminingfacesofChuancaogedanMineinInnerMongoliaastheresearchobject,thispaperanalyzesthevariationcharacteristicsofCOconcentrationinworkingfaceandclosedgoaf,determinesthemainandsecondarysourcesofundergroundCO,anddiscussestheinfluenceofgeologicalandengineeringfactorsonCOconcentrationoverrun.TheresultsshowthatthereisagoodnegativecorrelationbetweenCOandO2concentrationinstatisticalgassamples.COconcentrationoverrunmainlyoccursintheuppercornerofminingface,supports,closedgoafandotherplaceswithpoorventilationconditions.COmainlycomesfromcoalminingoxidationspontaneouscombustionandthereissecondaryCOincoalseamnaturallyoxidizedlocally.ThegeologicalreasonsofCOconcentrationoverrunareshal
lowburiedcoalseam,developmentofreversefaultandlowcoalmetamorphismdegree;theengineering
reasonsofCOconcentrationoverrunaretoolongworkingfacelengthandunreasonableventilationmode.Underthesynergeticactionofge⁃
8
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周效志等:煤矿井下CO来源辨识与浓度超限原因研究 以内蒙古串草圪旦煤矿为例2021年第2期ologicalandengineeringfactors,theminingoxidizedCOandnaturaloxidizedCOemissionsuperimposed,andaccumulatedinthepositionoflowairflowvelocity,resultinginundergroundCOconcentrationexceedingthelimit.
Keywords:carbonmonoxide;sourceindentificatio
n;concentrationoverrun;lowtemperatureoxidation
0㊀引㊀㊀言
CO浓度异常在工作面回采中日益受到高度重视,特别是开采煤层具有自然发火倾向的煤矿[1]㊂CO为有害气体,可造成人体缺氧窒息甚至死亡,因此‘煤矿安全规程“规定:除架间㊁上隅角㊁封闭采空区等通风条件较差的位置外,井下空气中CO的最高允许的体积分数为24ˑ10-6㊂对于井下CO的来源,多数学者认为主要在煤层自然发火过程中产生[2]㊂随着煤体温度升高,煤氧化并产生CO速率也相应增加[3-4]㊂近年来,部分学者发现井下尽管存在CO异常涌出,但并未发生煤层自燃,并通过井下气样组分分析㊁钻孔采样解吸㊁氧同位素测定等方法证实了部分煤层开采前就有CO赋存[5-8]㊂煤层原始赋存CO与煤化作用㊁构造运动㊁围岩封闭条件关系密切[9]㊂开采过程中,原始赋存的CO快速释放到采掘空间中,引起CO浓度超限㊂然而,上述情形下,煤层原始赋存CO并引起浓度超限的观点尚未达成广泛共识㊂
内蒙古串草圪旦煤矿6103㊁6104㊁6106工作面CO浓度超限严重,科学辨识井下CO来源,查明CO浓度超限原因,可指导煤矿安全生产与矿井通风工作,并为火灾预测㊁预报提供参考㊂笔者以6103㊁6104㊁6106工作面为研究对象,统计了井下1059个气样组分测试数据,
分析了采煤工作面㊁密闭采空区CO浓度变化特征,提出了新的煤矿井下CO成因划分方案,并结合煤低温氧化试验㊁采空区监测及煤层 三史 模拟,确定了CO的主㊁次要来源,探讨了地质与工程因素对CO浓度超限的协同控制作用,对相似地质㊁工程条件区煤矿CO防治工作具有借鉴意义㊂
1㊀地质与工程背景
1.1㊀矿区地质条件
串草圪旦煤矿位于准格尔煤田南部,构造位置为鄂尔多斯盆地东北缘,华北地台晚古生代聚煤盆地北缘㊂区内发育地层由老至新为:奥陶系中下统(O1+2)㊁石炭系上统-二叠系下统太原组(C2-P1t),二叠系下统山西组(P1s)㊁二叠系中统下石盒子组(P2x)㊁新近系(N)㊁第四系(Q)㊂矿区构造形态与准格尔煤田南部区域构造形态基本一致(图1),煤岩层产状主要受近东西向老赵山梁背斜和与之相伴生的双枣沟向斜影响,为一宽缓向斜构造,地层走向近东西,向斜两翼倾角1ʎ
5ʎ㊂
图1㊀准格尔煤田南部构造纲要
Fig.1㊀StructuraloutlineofsouthernJunggarCoalfield
矿区内共含煤6层,自上而下分别为4㊁5㊁6㊁9上㊁9㊁9下㊂其中,4㊁5煤层赋存于山西组,6㊁9上㊁9㊁9下赋存于太原组上段㊂当前开采的6煤层位于太原组上部第2岩段,地表见煤层露头㊂6煤层厚度1.1 15.2m,平均煤厚10.0m㊂6煤层为低水分㊁低灰分㊁高挥发分的不黏煤㊁长焰煤,煤层结构简单至复杂,含夹矸0 6层㊂煤层顶底板岩性以泥岩㊁砂质泥岩㊁粉砂岩为主㊂区内勘探钻孔揭露的6煤深度为71.9 235.1m,平均深度136.2m,处于CO2-N2带㊂
1.2㊀煤矿建设与生产
串草圪旦煤矿采用斜井开拓方式,已形成主㊁副㊁风3条斜井,均在6煤层落平㊂矿井通风系统采用中央并列式,通风方式为机械抽出式㊂6103㊁6104㊁6106工作面均位于一水平一盘区6煤层,自东向西依次排列,煤层平均埋深分别为125㊁115㊁100m㊂工作面采用 一进一回 的 U 型全负压通风,工作面主运巷进风,辅运巷回风㊂
6103工作面煤层倾角3ʎ 12ʎ,平均倾角5ʎ;煤层厚度8.7 14.2m,平均煤厚12.7m;煤层结构复杂,含1 3层夹矸,夹矸沉积不稳定,岩性变化较大㊂6104工作面为左工作面,设计采高3.8m,放煤高度9.0m,推进速度4m/d㊂6106工作面煤厚12.7m,煤层倾角约5ʎ㊂
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2021年第2期
煤炭科学技术
第49卷
2㊀井下CO浓度超限特征
三百字读后感
2.1㊀井下采样测试结果
在串草圪旦煤矿6103㊁6104㊁6106工作面的支架间㊁采空区㊁上隅角㊁主辅运巷气体观测孔㊁开切眼㊁煤层底板等位置采集气样,测定CO浓度,统计结果如图2所示㊂由图可见,CO体积分数为0 1373ˑ10-6,其值高于24ˑ10-6的气样数量占1059
超薄笔记本推荐个,占统计样的51.3%,表明CO体积分数超限较严重㊂6103工作面483个气体样品CO体积分数平均为56ˑ10-6,6104工作面319个气体样品CO体积分数平均为39ˑ10-6,6106工作面257个气体样品CO体积分数平均为72ˑ10-6,且CO体积分数偏高的气样主要采集于工作面上隅角㊁工作面支架㊁密闭采空区㊁主运巷与辅运巷气体观测孔
㊂
3月7号
图2㊀工作面采集气样中CO体积分数变化
Fig.2㊀VariationofCOconcentrationingassamples
2.2㊀采煤工作面CO浓度变化
6103工作面回采过程中发生CO涌出异常,上隅角CO体积分数最高值108ˑ10-6,工作面及回风流CO最高值107ˑ10-6㊂6104工作面初次放顶及回采期间多次出现CO涌出异常,且靠近回风巷支架㊁
上隅角处及回风流中CO浓度明显偏高(图3)㊂通过增压通风㊁地面填埋裂隙及采空区埋管注氮等措施,工作面㊁上隅角㊁回风流CO浓度得到控制㊂当恢复正常全负压通风后,6104工作面底板CO浓度有升高趋势,其体积分数最高达68ˑ10-6㊂6106工作面因煤炭滞销而停产时,30 50号支架间CO体积分数达(50 80)ˑ10-6;当工作面恢复生产后,采取加快推进不放煤㊁加大进风量㊁地表人工填埋塌陷裂缝等措施,CO浓度仍难以有效控制,工作面中部CO体积分数高达(300 400)ˑ10-6,束管监测气体组分分析发现烯烃,出现煤层自燃迹象㊂
2.3㊀密闭采空区CO浓度变化
6104工作面密闭采空区CO浓度监测过程中总
体呈增加趋势㊂由于先期埋设的束管较深,
重新铺图3㊀6104工作面不同位置CO体积分数监测结果Fig.3㊀COconcentrationindifferentpositionsof
No.6104coalminingface
设机尾监测束管后6104密闭采空区采样㊁监测位置改变,导致所测气样CO浓度存在突然下降㊂铺设机尾监测束管后,新监测位置气体中CO浓度与监测时间呈一元线性正相关关系㊂6106工作面CO体积分数>96ˑ10-6的气样全部来自采空区㊂与6104工作面密闭采空区相比,6106工作面密闭采空区CO浓度明显偏高,体积分数在(200 1200)ˑ10-6范围㊂连续监测过程中,主运密闭与辅运密闭处CO浓度均快速升高,并在连续监测40d后达到峰值㊂CO浓度对比发现,辅运密闭处CO体积分数均高于主运密闭,两者差值约为300ˑ10-6㊂
3㊀CO成因类型与来源辨识
量脚长
3.1㊀CO成因类型
结合煤层形成过程与井下CO涌出来源差异,将煤矿井下CO划分为原生㊁次生及煤炭开采氧化自燃3种成因类型㊂原生CO主要依靠微生物对成煤有机物分解作用及温度㊁压力影响下的煤化作用产生
[9];次生CO生成受成煤期后构造抬升氧化㊁地下水或微生物活动的共同影响;煤炭开采氧化自燃CO生成于矿井通风㊁煤岩切割过程,包括采空区漏风氧化自燃气㊁地表采动裂隙漏风氧化自燃气㊁采空区残煤漏风氧化自燃气等(表1)㊂
当煤矿井下CO浓度超限时,应基于原生㊁次生㊁煤炭开采氧化自燃CO赋存及涌出特征,结合井下煤岩体㊁工作面及采空区监测,尽快查明CO来源及异常涌出原因,进而评估煤层自燃的风险,避免因非自燃因素产生CO的叠加影响导致煤层自燃误报㊂此外,查明井下CO的成因类型,区分CO浓度超限为自燃迹象或非自燃迹象,也可为采取针对性的CO防治措施提供依据㊂
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周效志等:煤矿井下CO来源辨识与浓度超限原因研究 以内蒙古串草圪旦煤矿为例2021年第2期
表1㊀煤矿井下CO成因类型划分
Table1㊀ClassificationofCOtypesincoalmine
CO成因类型CO典型特征
生成方式赋存方式涌出方式监测方式
原生CO原生生物成因气
煤化作用成因气
构造变质成因气
煤岩组分吸附[10]
顶底板吸附㊁游离态赋存
解吸㊁渗流涌出至采掘空间
煤岩体监测
工作面监测
次生CO天然氧化自燃气
次生生物气
吸附㊁游离态赋存于煤层及
围岩中,特别是断层附近
解吸㊁渗流涌出至采掘空间
煤岩体监测
工作面监测
炒长豆煤炭开采氧化自燃CO
采空区漏风氧化自燃气人口资源
地表采动裂隙漏风氧化自燃气
采空区残煤漏风氧化自燃气
工作面煤壁通风氧化自燃气
割煤破岩氧化脱羰分解气
游离态为主,多数
扩散至采掘空间
扩散至采掘空间,或积聚于
工作面通风不畅位置
工作面监测
采空区监测
3.2㊀井下CO来源辨识
3.2.1㊀CO主要来源
基于煤中CO成因类型划分,结合井下气体组分测试㊁煤低温氧化试验与密闭采空区CO浓度监测结果分析,认为串草圪旦煤矿井下CO主要来源于煤炭开采所引起的煤层氧化自燃,且主要为工作面煤壁通风氧化自燃气和地表采动裂隙漏风氧化自燃气㊂理由如下:
1)井下气体中CO浓度与O2㊁N2㊁CH4浓度存在较好的相关性㊂以O2为例,O2浓度与C
O浓度总体呈线性负相关关系,其包络线呈三角形(图4)㊂当O2体积分数>14%或<2%时,CO浓度相对较低㊂分析认为,O2体积分数<2%,不能支撑煤与氧发生反应,煤低温氧化产生CO减少[11];O2体积分数>14%,表明工作面通风条件好,煤氧化产生的CO被风流稀释;当O2体积分数为2% 14%时,煤被氧化产生大量CO,且在风流速度慢或漏风条件下形成CO积聚,导致CO浓度超限㊂
图4㊀井下工作面采集气样中O2与CO浓度相关性
Fig.4㊀CorrelationbetweenO2andCOconcentration
inundergroundminingface
2)煤低温氧化试验与密闭采空区监测CO浓度变化具有高度相似性(图5)㊂6104工作面煤样低温氧化试验密闭容器中CO浓度与氧化时间,6104
工作面密闭采空区CO浓度与监测时间均呈显著的
一元线性正相关关系,相关系数R2>0.94㊂低温氧化模拟试验数据和井下监测数据高度吻合,表明采
空区CO产生与积聚过程与密闭环境下煤低温氧化
关系密切
㊂
图5㊀煤低温氧化试验与密闭采空区监测CO浓度变化Fig.5㊀COconcentrationchangesbylowtemperature
oxidationandclosedgoafmonitoring3.2.2㊀井下CO次要来源
6104工作面未受采动影响区钻孔法气体采样测试发现:气样中CO体积分数为(5 15)ˑ10-6,平均9ˑ10-6,表明煤层中原始赋存一定的CO,且主要以游离态赋存于煤层底板砂岩及裂隙中㊂结合该矿区地质勘探及多位学者的研究成果,确定模拟所需剥蚀时限及厚度[12]㊁大地热流值变化[13-14]㊁古水深[15-17]等参数,利用PetroMod1D对6煤沉积埋藏史㊁受热史㊁有机质成熟史进行模拟,结果表明:区域沉积演化过程可划分C2-T3㊁J1-J2-3㊁K1㊁K3-Q四个阶段㊂早白垩世快速埋藏条件下,上古生界最大埋
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2021年第2期
煤炭科学技术
第49卷
深达1700m,煤层所经历的最高地温达80 90ħ,烃源岩镜质体反射率Ro大于0.5%,进入生烃门限;晚白垩世至今,矿区处于持续隆升状态,导致部分二叠系及上覆地层被大幅度剥蚀,煤层埋藏变浅或于地表露头(图
6)㊂
图6㊀煤层沉积埋藏与热演化史
Fig.6㊀Coalseamdepositionandthermalevolutionhistory
综合上述模拟结果:白垩纪之前,煤层埋藏浅且
热演化程度低,尽管可能产生原生CO,但在长期浅埋藏条件下难以保存㊂次生CO主要生成于晚白垩世构造抬升后煤中有机质的氧化,成因类型上属于 天然氧化自燃气 ㊂特别是在压性逆断层带附近,更有利于 天然氧化自燃气 的生成与保存[9];次生CO在采动影响下快速扩散至工作面,对CO浓度超限具有一定影响㊂在通风条件良好时,次生CO被快速稀释[18];但当局部通风条件变差时,次生CO与煤炭开采氧化自燃CO叠加,可引起CO浓度
超限㊂
4㊀CO浓度超限原因与防治措施
4.1㊀CO浓度超限的地质原因4.1.1㊀开采煤层埋藏浅
矿区6煤顶板主要为砂岩㊁泥页岩㊁粉砂质泥页
岩,顶部为厚度10 58m的第四系黄土层,基岩岩性以中硬岩石类型为主㊂根据经验公式计算中硬覆岩裂缝带发育高度,结果见表2㊂
表2㊀不同采高下中硬类型覆岩裂缝带发育高度
Table2㊀Heightoffracturezoneinmediumhardoverburdenunderdifferentminingheights
采高/m
不同计算公式得覆岩裂缝带发育高度Hli/m(ðM为累计采高)
式(1)Hli=
100ðM
1.6ðM+3.6
ʃ5.6
式(2)Hli=20
ðM+10
经验倍数10 22倍
1045.4 56.673.24100 2201146.3 57.576.33110 2421247.0 58.279.28120 26413
47.7 58.9
82.11
130 286
㊀㊀6103㊁6104㊁6106工作面采高10 13m,6煤埋深仅60 150m,计算覆岩裂缝带发育高度接近或超过上覆基岩厚度㊂此外,由于地表受雨水冲刷表土层流失,岩壁陡峭,采煤过程中可在工作面上方地表观察到较多的采动裂缝㊂裂缝产生时,先是张开一条细细的弧状缝隙,长为5 8m,间距8 15m;而后,裂缝张口宽度逐渐增大,长度也逐渐延伸㊂地表采动裂缝发育,一方面会使大气沿采动裂缝进入采空区,导致煤低温氧化产生大量CO;另一方面,裂缝和工作面导通也会加剧工作面漏风,引起煤炭开采氧化自燃CO与次生CO积聚㊁超限㊂4.1.2㊀逆断层封存作用
矿区内虽未发现较大规模断层,但煤矿生产中揭露了39条小断层,其中18条为逆断层㊂由于逆断层对煤层及井底板中赋存的气体具有良好的封存作用,使逆断层附近具备次生CO生成与保存条件㊂煤矿生产中,逆断层附近监测表明:气体中CO体积分数显著高于常规构造位置,最高可达261ˑ10-6,表明逆断层封闭作用是局部CO浓度超限的重要原因㊂
4.1.3㊀煤变质程度较低
煤变质程度高低直接决定其氧化能力的强弱㊂低变质程度煤与氧结合的能力最强,更易于发生低温氧化反应,产生更多的CO[2]㊂串草圪旦煤矿6煤为较低变质程度的不黏煤㊁长焰煤,鉴定为具有自燃倾向,属于Ⅰ级容易自燃煤层,因此为常温条件下煤炭开采氧化自燃CO的形成创造了条件㊂4.2㊀CO浓度超限的工程原因4.2.1㊀工作面长度过大
6103㊁6104㊁6106工作面长度分别为148㊁148㊁
127m,连续推进长度分别为1809㊁2019㊁767m㊂结合实际采煤推进速度与通风效果来看,工作面长度与连续推进长度过大,是导致CO浓度超限的重要原因:①工作面长度过大,降低了回采推进速度,
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