淺埋深易自燃煤層超大面積采空區綜采工作面低氧防治技術

張立輝

（神華神東煤炭集團補連塔煤礦，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017209）

煤礦的生產工作面內分布有O2、CO2、CO、NO2、SO2、H2S、NH3、H2、CH4、N2等多種氣體，其中對綜采工作面 “一通三防”安全管理方面有著較大影響的氣體主要有CH4、O2和N2。CH4濃度高，在管理不善的條件下可能引起瓦斯爆炸；O2濃度高、N2濃度低，在漏風的條件下易引起采空區內煤炭自燃。關于CH4防治方面，國內學者做了很多研究，如程濤等進行了采場瓦斯運移規律模擬實驗，提出了不同瓦斯條件、不同自然發火特性條件下應采取的通風系統；常宸銘等研究了綜放工作面推進速度、配風量和上隅角抽放量對采空區瓦斯濃度分布的影響；鄧軍等對多元可燃氣體爆炸壓力峰值進行了數值模擬，相應的在瓦斯治理上形成了一系列適合于不同條件下的瓦斯治理手段，如抽放、均壓、稀釋、引排等，均取得了良好的效果。關于采空區內O2防治方面，國內研究的重點主要是采空區內高濃度O2對防火的影響，如劉星魁、朱紅清等對煤巷破碎煤體周圍氧氣和溫度的關系進行了模擬與計算；鞠逸對采空區的自燃 “三帶”分布情況及規律進行了分析與研究。以上對CH4和O2兩個方面的研究較多，但對于采場內O2濃度低、N2濃度高的問題研究很少。神東補連塔煤礦22＃煤層三盤區多數綜采工作面被工作面低氧問題所困擾，基于多年低氧防治所取得的成功經驗，筆者開展了以22306綜采工作面為對象的低氧治理研究工作。

1 工作面概況

補連塔煤礦22306工作面是22＃煤層三盤區的第六個綜采工作面，工作面寬度311.8m，推進長度4684m，地面標高為1175.2～1305.1m，煤層底板標高為1025.4～1066.1m，松散層厚度為8～23m，上覆基巖厚度為110～230m，埋深由回撤通道方向向切眼方向逐步變深，煤層平均厚度7.2 m。其上覆為12＃煤層采空區，層間距30～62m，平均47 m，12＃煤層采空區面積已達1200mm2，22＃煤層采空區面積已達740mm2，回采期間12＃煤層、22＃煤層均出現裂縫，最寬處達1.3m。工作面絕對CH4涌出量為4.42m3／min，相對CH4涌出 量 為 0.09 m3／t， 絕 對 CO2涌 出 量 為7.92m3／min，相對CO2涌出量為0.16 m3／t，屬瓦斯礦井，煤塵爆炸指數為37%，煤層自燃傾向性為Ⅰ級，容易自燃，發火期1個月。采用綜合機械化開采，共布置156臺7m 液壓支架，一次采全高，全部垮落法管理頂板，采用U 型通風方式。

2 低氧現象及原因分析

2.1 低氧現象

在22306工作面回采期間，發生了低氧現象，根據低氧范圍的大小可將低氧表現形式分為3種。

（1）回風隅角處低氧。低氧的表現為從頂板到底板O2濃度均較低。在僅回風隅角處低氧的情況下，22306回風隅角處O2濃度在3%～16%，通常低于12%，巷道內低氧范圍通常從回風隅角處到巷道向前5～6 m 范圍內，寬度為安全出口的寬度，通常0.6～1.0m。

（2）機尾處低氧。由于22306工作面刮板輸送機機尾布置在回風巷道內，回風隅角處低氧范圍進一步擴大的情況下，則機尾處于低氧區域。此區域的范圍常為回風隅角處向機頭側延伸4～8 m，寬度為支架尾梁與掩護梁鉸接處向回風巷道方向延伸2～4m，回風隅角及其前方的低氧規律符合上述回風隅角處低氧的規律，其他區域的O2濃度在16%～18%且較均勻。

（3）工作面低氧。按照低氧范圍，工作面低氧又分為工作面270 m 至回風隅角處低氧、工作面200m 至回風隅角處低氧、工作面40m 至回風隅角處低氧。此3類低氧現象的共同特點是回風隅角和機尾處低氧現象符合上文中所述規律，其他區域的O2濃度在12%～18%，O2濃度從機頭側向機尾側漸低。

2.2 低氧原因分析

（1）瓦斯賦存處于CO2～N2帶。根據井田地質報告中瓦斯成分分析結果，N2含量為83.72%～99.14%，平均97.71%，CH4含量為1.67% ～15.29%，CO2含量為0.85%～5.33%，故可劃分為CO2～N2帶。根據22306采空區內氣體成分分析，N2含量為91%～96%，CO2含量為2.1%～9.5%，CH4含 量 為0.1% ～0.5%，O2含 量 為2.2%～5.4%，證明瓦斯賦存處于CO2～N2帶，瓦斯涌出的主要形式是N2涌出。

（2）淺埋深開采的影響。補連塔礦幾個盤區的綜采工作面雖然埋深不一，但回采過程中均有裂縫溝通地表，經過SF6漏風測試，地表裂縫均溝通采空區，證明為淺埋深開采。補連塔礦目前開采12＃煤層四盤區、五盤區和22＃煤層三盤區，四盤區埋深190～230m，五盤區埋深270～300m，上覆基巖、松散層狀況與22＃煤層三盤區基本一致，12＃煤層工作面回采期間發生回風隅角低氧現象，22306工作面在回采埋深150～270m 范圍時發生回風隅角低氧現象，回采埋深120～150m 時發生機尾處低氧及工作面低氧現象，證明低氧現象受埋深條件影響較大。

（3）礦井負壓通風的影響。礦井采用負壓通風，由于淺埋深開采，采空區壓力與大氣壓力相差不大，綜采工作面壓力比采空區壓力低，當地表大氣壓力降低時，采空區氣體向工作面涌出，造成低氧現象的產生。

（4）超大面積采空區的影響。補連塔礦目前12＃煤層四盤區的采空區面積已達860mm2，五盤區的采空區面積已達90mm2，三盤區兩層煤總的采空區面積已達1940mm2，而低氧現象嚴重程度為22＃煤層三盤區＞12＃煤層四盤區＞12＃煤層五盤區，證明低氧現象受采空區面積影響較大。

表1 22306工作面低氧現象與大氣壓變化關系

（5）受地表大氣壓變化的影響。通過觀察發現補連塔礦一天之內大氣壓的最高值一般在2∶00～5∶00，最低值一般在14∶00～18∶00，這種大氣壓由高到低的變化易誘發低氧現象發生，當一天之內大氣壓呈下降趨勢 （即14∶00～18∶00為當日大氣壓最低值）且下降壓差超過400Pa時，開始出現低氧現象，隨著大氣壓差下降幅度的增加，低氧范圍逐漸擴大。表1為2014年3-5月份22306工作面低氧現象與大氣壓變化的關系，據表1可知，低氧現象均發生在一天內大氣壓差下降超過400Pa的天氣，如下降達到600Pa左右發生機尾低氧現象，下降達到800Pa左右發生工作面低氧現象，下降達到900Pa發生工作面40m 至回風隅角處低氧現象。

3 低氧防治技術

3.1 堵漏技術

由于淺埋深開采，地表大氣壓力的變化通過地表裂隙直接影響到采空區，進而影響綜采工作面氣體情況，因此堵漏對低氧防治意義較大。堵漏包括地表堵漏和井下堵漏，地表堵漏指對地表產生的采動裂隙及時封堵，補連塔煤礦地表裂縫產生的特點之一是采動后不穩定時間較長，因此需要多次地表堵漏；井下堵漏一般采用封堵進、回風隅角的手段，由于綜采工作面推進速度較快，平均達到10 m／d，進、回風隅角堵漏工作較為困難，為此采用木點柱+風筒布+高分子材料的方式進行封堵。

3.2 擋風簾引風技術

擋風簾引風技術被廣泛應用于回風隅角瓦斯治理，其實質是將綜采工作面的風流引向回風隅角，加大回風隅角的風量，利用增大的風量稀釋回風隅角的瓦斯。常用的形式有工作面內安設擋風簾和回風巷道內安設擋風簾兩種，工作面內安設擋風簾有“一”字型和 “L”字型兩種，回風巷道內安設擋風簾常用 “一”字型。低氧治理中擋風簾引風技術和瓦斯治理中的擋風簾引風技術相同。

3.3 風動風機稀釋技術

利用通風機將空氣壓向需風地點的作用有兩個，一是增加風量稀釋有害氣體的濃度，二是增加風流流動速度以加快有害氣體流通速度。綜采工作面用的通風機有電動、風動和液壓動力3種，電動通風機的特點是供風量大，但在綜采工作面中禁止吹回風隅角；風動和液動通風機的特點是安全性高，但供風量小。22306工作面所用風動通風機利用礦井壓風系統做動力源，額定壓力0.72MPa，額定供風量200m3／min，實際供風量160m3／min。

3.4 鉆孔泄壓技術

采空區壓力高于工作面壓力是低氧發生的原因之一，為此合理降低采空區壓力是治理低氧的有效手段。鉆孔泄壓指施工通向采空區的鉆孔，鉆孔上安設控制閥門，當工作面低氧現象發生時開啟控制閥門，使采空區內的氣體溢出，降低采空區內的壓力，有時為了加快流通速度可在鉆孔管路上安設抽排風機。對于22306工作面來說，鉆孔泄壓的地點有兩處，一是在22307回風巷道泄22306采空區的壓力，22307回風巷道泄壓時常滯后22306綜采工作面200m 左右的距離；二是在22306回風巷道泄22305采空區的壓力，22306回風巷道泄壓常在回風口處，泄出的氣體通過管路直接引向三盤區回風巷。

3.5 均壓通風技術

22306工作面均壓技術為通風機—風門聯合均壓技術，其核心在于采取2×75kW 大功率均壓通風機，供風量可達3200 m3／min以上。根據回風流作業人員安全管控的不同，采取了22306工作面U 型均壓通風技術和22306工作面Y 型均壓通風技術。

（1）22306 工作面U 型均壓通風技術，即22306運輸巷道、22307 回風巷道進風，22306 回風巷道回風。均壓通風機布置在22307 主回撤通道，進風路線為三盤區輔運大巷—22307回風巷道—22307輔回撤通道—回撤通道間1 聯巷—22307主回撤通道—均壓通風機，風流通過通風機增加壓力后流經22307回風巷道、22306運輸巷道，一部分風流去三盤區尾巷，通過其內的均壓風門調節風量，一部分風流去22306綜采工作面，通過22305運輸巷道的均壓風門調節22306 綜采工作面的風量。22306工作面U 型均壓通風布置見圖1。

（2）22306 工作面Y 型均壓通風技術，即22306運輸巷道、22307 回風巷道、22306 回風巷道進風，三盤區尾巷回風。置兩套均壓通風機，一套布置在22306主回撤通道，通風路線為三盤區輔運大巷—22306回風巷道—22306 輔回撤通道—回撤通道間1聯巷—22306主回撤通道—均壓通風機—22306回風巷道—22306 綜采工作面—22307 回風巷道—三盤區尾巷；一套布置在22307主回撤通道，給22306運輸巷道和22307回風巷道供風，兩套通風機通過調整葉片角度提供不同的風量，通過三盤區尾巷的均壓風門控制總回風量。22306工作面Y 型均壓通風布置見圖2。

3.6 其他技術

為了有效地治理低氧，采取了監測監控、風機抽排、大氣壓監測機制和人員管控等技術。監測監控技術指對工作面易低氧的區域設置了O2探頭和防爆攝像頭，通過數據傳輸在地面終端顯示，設置專人進行24h監護，監護低氧區域O2情況和人員出入情況，發現異常及時啟動應急預案；通風機抽排技術指對低氧區域設置抽排系統，及時抽出有害氣體，減小低氧范圍及濃度；大氣壓監測機制指地面設置專人觀察大氣壓變化情況，出現大氣壓下降到易發生低氧的情況及時通知相關人員，提前做好低氧防治啟動工作；人員管控指對低氧區域設置警戒，禁止人員入內。

通過采取上述綜合管控技術，22306工作面的低氧情況大為好轉，在采取U 型均壓通風的條件下大氣壓下降700Pa時工作面僅發生回風隅角低氧現象，下降900Pa時發生機尾低氧現象，下降1020Pa時發生工作面40 m 至回風隅角處低氧現象；在采取Y 型均壓通風的條件下大氣壓變化對工作面氧氣變化影響不大。

4 結語

（1）22306工作面低氧可分為回風隅角低氧、機尾低氧和工作面低氧3種情況。

（2）22306工作面低氧產生的原因主要是瓦斯賦存處于CO2～N2帶、淺埋深開采、礦井采用負壓通風、超大面積采空區和受地表大氣壓變化。

（3）22306工作面低氧受地表大氣壓力變化情況影響較大，壓差下降的數值越大，低氧程度越嚴重。

（4）低氧防治是一個綜合技術，需要多種技術手段共同應用，其中 “均壓”技術效果最為明顯。

（5）低氧防治在淺埋深開采的條件下無法完全杜絕，通過一定技術手段的實施可以降低低氧現象對安全生產的影響。

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