綜放工作面低氧原因分析及防治新技術

胡開通

0 引言

綜采工作面中上隅角低氧問題是制約采煤安全工作的一項重要因素。國家標準《缺氧危險作業(yè)安全規(guī)程》GB8959-2006將缺氧危險作業(yè)氧氣報警濃度確定為18.5%[1]。當氧氣濃度為17%時，現(xiàn)場人員在從事一般勞動強度工作出現(xiàn)呼吸困難等情況，氧氣濃度低于12%時，工作人員會發(fā)生休克甚至死亡[2]。李斌[3]等以神東補連塔22307工作面為例，通過均壓通風輔以引流、卸壓等手段達到了良好的治理效果；郭永文[4]通過開拓開采措施、安全監(jiān)測措施、通風系統(tǒng)優(yōu)化等一系列措施達到治理低氧區(qū)的目的。近年來，綜采工作面低氧區(qū)治理主要從通風系統(tǒng)方面進行研究，工作面通風設備、設施和上隅角技術管理并未得到足夠的重視，本文將懸掛手持風動型風機吊置于工作面尾部支架處配合其他通風技術措施為低氧區(qū)治理進行了實踐研究。

1 工作面概況

山西某礦8103工作面所采煤層為14-3#煤層，煤層厚度5.30 m～8.10 m，平均6.80 m，純煤厚3.94 m～5.89 m、平均5.52 m，含3～5層夾矸、平均3層，厚0.10 m～2.03 m、平均1.28 m，傾角2°～4°，平均2.5°，屬近水平煤層。煤巖類型以暗淡型為主，煤種為長焰煤。工作面采用綜合機械化低位放頂煤方法開采，通風方式采用U型通風，本工作面采用開放式注氮進行采空區(qū)防滅火。

2 綜放工作面通風特點分析

如圖1，U型通風方式廣泛應用在回采工作面中，由工作面進風巷、回采工作面、工作面回風巷形成整個通風系統(tǒng)，該通風系統(tǒng)呈U型。在通風管理實踐中，這種通風方式系統(tǒng)構成簡單，巷道掘進量少成本較低，且進風巷風流流經(jīng)工作面后，一般情況下漏入采空區(qū)的風量不多，風流可靠穩(wěn)定，可保障回采生產(chǎn)工作正常順利進行。這種通風方式存在一定的不足，即風流在上隅角流動方向改變而呈現(xiàn)出渦流狀態(tài)，不能及時將上隅角瓦斯及其他有害氣體吹散，因此在工作面上隅角容易形成瓦斯及其他有害氣體聚集而超限[5-8]。

另外，與綜采大采高工作面相比，綜放工作面煤層開采厚度較大，賦存與煤體中的瓦斯在放煤過程中涌出量在一定程度上加大，增加工作面通風管理的難度。

圖1 U型通風方式上隅角渦流狀態(tài)示意

3 低氧現(xiàn)象及原因分析

在回采工作面過程中，位于8103工作面上隅角處的氧氣傳感儀，在個別時段發(fā)出警報(45頁圖2)。

圖2 8103工作面上隅角氧氣濃度

氧氣濃度監(jiān)測傳感儀分別在5月21日22：00和5月 22日 2：00、11：00發(fā)生報警，氧氣濃度分別為15.1%、16.9%、16.1%，報警時間均小于5分鐘，且都在生產(chǎn)割煤過程中，檢修時段內(nèi)（18：00～21：00）沒出現(xiàn)報警情況。另外，經(jīng)檢測工作面其他位置均不存在氧氣濃度減弱到規(guī)定值的情況。綜采工作面回風上隅角低氧是一個多種因素綜合作用的結果，必須綜合考慮有關煤層賦存條件、工作面注氮、采空區(qū)漏風、采煤工藝、通風系統(tǒng)、及工作面推進速度等因素。

經(jīng)過現(xiàn)場分析，本工作面低氧區(qū)具體原因有以下4個方面：

（1）煤體本身的性質是不可忽略的重要因素，煤體所含氣體以CO2和N2為主，N2含量為78.63%～94.88%，CO2含量為0.89%～6.52%。在綜采割煤以及放煤過程中，N2、CO2等氣體從采空區(qū)進行不規(guī)律的涌出，在上隅角處進入渦流而發(fā)生聚集，不能及時被主風流吹散，直接導致氧氣濃度短暫降低。

（2）在回采過程中，本工作面采用連續(xù)、開放注氮方式進行采空區(qū)防火、滅火。開采過后的采空區(qū)留下了大量高濃度N2，此時采空區(qū)如同一個超大型的N2庫，隨時為工作面的上隅角提供N2補給，氮氣會隨風流涌出，聚集在上隅角從而造成低氧現(xiàn)象。

（3）8103工作面上覆存在著侏羅系7#、11#小窯破壞區(qū)及采空區(qū)，受工作面采動影響，隨著頂板巖層塌落，工作面頂部巖體裂隙進一步發(fā)育直達上層采空區(qū)，形成良好的漏風通道。隨著工作面開采，采空區(qū)漏風趨于擴大化。又由于綜放工作面上隅角是采空區(qū)的漏風匯集處，易造成工作面低氧。針對以上理論，對8103工作面上覆采空區(qū)對應地表進行施工鉆孔，經(jīng)過取樣與化驗分析，得到上覆采空區(qū)氣體含量如表1，結果表明上覆采空區(qū)低氧氣體含量較高。

表1 8103工作面上覆采空區(qū)氣體含量分析表

（4）實際開采過程中，由于尾部端頭支架與刮板機尾部電機相聯(lián)，這種結構特點導致在正常移架過程中，在保證工作面直線度的情況下，端頭支架會滯后于工作面其他支架，這種空間上的滯后，使經(jīng)過工作面風流在上隅角處明顯減弱，聚集在上隅角的有害氣體不能及時被稀釋吹散，導致上隅角氧氣濃度降低。

4 綜放工作面低氧區(qū)綜合防治技術

為了解決8103工作面上隅角不定時氧氣濃度低這一情況，主要采用以下技術措施：

（1）懸掛手持風動式風機。在工作面尾部5～6個支架內(nèi)使用手持風動型風機，風筒開口方向朝工作面上隅角區(qū)域，具體懸掛示意圖如圖3所示。

圖3 手持風動型風機懸掛示意

該風動型風機以與工作面內(nèi)壓風管連接，以壓縮風為動力，使風機內(nèi)外產(chǎn)生壓差而將大量風流壓入風筒，吹向上隅角區(qū)域，打破上隅角渦流狀態(tài)，吹散有害氣體。

圖4 手持風動型風機結構原理示意

本工作面所采用的手持風動型風機結構如圖4所示，主要有風機外殼、集風結構、氣動馬達及風葉構成。其工作原理是由工作面壓風管路提供動力，推動氣動馬達工作而帶動風機內(nèi)部風葉旋轉，旋轉產(chǎn)生的內(nèi)外壓差使外部風流通過集風結構進入風機，從另一連接風筒端吹出，達到改變目標區(qū)域風流狀態(tài)的效果。

該風機優(yōu)點有：①以壓縮風為動力，有效利用了壓縮風，沒有電路系統(tǒng)，不存在失爆問題；②在不影響工作面整體系統(tǒng)風流狀態(tài)的同時，有效的改變了上隅角風流狀態(tài)，提高了上隅角氧氣濃度；③該風機質量輕，風筒伸縮靈活，可隨支架移動而移動，設備管理簡便。

（2）吊掛引流風障。在工作面尾部支架吊掛引流風障，將工作面風流引向工作面上隅角，降低有害氣體濃度，改變上隅角通風狀態(tài)，提高工作面氧氣濃度。

（3）均壓通風。當工作面低氧范圍大、低氧程度嚴重時，可采用均壓通風系統(tǒng)。利用“局部風機輔以調(diào)節(jié)風門”方式，在保證工作面配風量的前提下適當減少工作面風量，適當增加工作面回風段通風阻力，用來減少工作面進回風隅角風壓壓差，從而減少采空區(qū)低氧氣體的持續(xù)涌出。均壓通風技術被廣泛運用到工作面有害氣體的治理中。本工作面在進風順槽中布置風機以及在回風順槽增加調(diào)節(jié)風門，通過風機提供風流速度而增加上隅角以及工作面絕對壓力，使采空區(qū)及工作面上隅角處的有害氣體難以溢出。

5 結語

綜放工作面低氧主要是煤層地質賦存條件、工作面注氮、上覆采空區(qū)漏風、采煤工藝等一系列因素的綜合結果。經(jīng)過采用以懸掛手持風動式風機為主，以吊掛引流風障及均壓通風技術為輔助措施，8103工作面上隅角氧氣濃度恢復到規(guī)定范圍，氧氣監(jiān)測探頭沒出現(xiàn)報警現(xiàn)象，且達到了防治工作面上隅角有害氣體濃度超限的效果，整體實踐效果良好。對采取措施后的氧氣濃度的日平均值進行統(tǒng)計，采取相應措施后氧氣濃度均大于18.5%，治理效果明顯。