㊀第４９卷第２期
煤炭科学技术
Ｖｏｌ ４９㊀Ｎｏ ２㊀㊀
２０２１年
２月中国教师行动网
ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
㊀Ｆｅｂ．２０２１㊀
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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
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
３１
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
廖满嫦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
９３１
２０２１年第２期
煤炭科学技术
第４９卷
２㊀井下ＣＯ浓度超限特征
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
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
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
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
０
４１
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
煤炭开采氧化自燃ＣＯ
采空区漏风氧化自燃气
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
林麝基于煤中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
１４１
２０２１年第２期
煤炭科学技术
回春呼吸法
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
战地进行曲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
微透析
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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