工作面回風隅角氧氣參數測定與低氧治理

顧 沖

（大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037003）

同煤集團部分礦井綜采工作面回采過程中回風隅角出現氧氣濃度低于19.5%[1]的現象，威脅此區域工作人員生命安全。如何有效的消除綜采工作面回風隅角低氧隱患，需要對綜采工作面回風隅角低氧形成原因進行分析。綜采工作面回風隅角低氧環境是由煤層賦存條件、煤層自燃特性、工作面布置、采煤工藝、通風系統、采空區漏風及工作面推進速度等多種因素綜合作用的結果。要徹底解決采煤工作面回風隅角低氧問題，需分析低氧產生的具體原因，有針對性的制定專項低氧治理措施，解決綜采面回風隅角低氧隱患。

1 工作面概況

馬道頭礦8404工作面主采石炭二疊系5（3-5）號煤層，煤層賦存穩定，平均傾角為4°，煤層厚度10.89～24.58 m，平均18.61 m，屬特厚煤層。工作面開采標高在+1 134 m～+1 235 m之間。5（3-5）號煤層自燃傾向性等級為Ⅱ，最短自然發火期為83天；煤塵具有爆炸性。8404工作面采用“U”型通風。工作面走向長4 137 m，傾斜長220 m，機采高度3.9 m，平均放煤高度為14.71 m。采煤方法為單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤開采，采用自然垮落法管理采空區。該工作面進風量2 527 m3/min、回風量2 622 m3/min、采空區注氮量1 726 m3/h。

8404工作面四鄰均為實煤區，對應上部無采空區。8404采煤工作面布置見圖1。

圖1 8404采煤工作面布置

2 回風隅角低氧原因及治理

為了掌握綜放工作面回風隅角氧氣濃度與綜采面安全通道寬度等參數之間的關系，項目組2019年7月10日—7月22日在馬道頭礦8404綜放工作面回風隅角設置測點，對各測點氧氣濃度進行了測定，隨后對測定數據進行處理、分析，得出造成低氧隱患的原因，以此為依據，提出了有效防治低氧隱患的措施。

2.1 原因分析

（1）工作面主要氣體成分為氮氣。在8404工作面取煤樣進行化驗分析，煤層氣體組成成分如下；氮氣成分為92.51%～96.31%，平均94.65%，二氧化碳成分為0%～1.81%，平均1.02%，甲烷成分為2.14%～6.51%，平均4.19%。

（2）工作面煤層氧化耗氧量較大，5（3-5）號煤層經實驗室測試，自身耗氧量為0.7 cm3/g,由于采煤工作面長度較長，機道寬度較大，底板浮煤、煤壁以及采空區浮煤等與空氣接觸面隨之增大。

（3）工作面放頂煤作業時二氧化碳涌出量增加，（平均絕對涌出量為3.25 m3/min）。尤其在尾部30架范圍內，后部溜子尾影響通風斷面，致使通風風流不暢，不能有效的排除和稀釋二氧化碳和涌出的氮氣量；工作面靠尾部支架后擺梁在巷道壓力的作用及老塘側垮落煤巖擠壓的影響下，導致后擺梁不能升到預定高度或尾部過渡架錯架期間漏煤的影響，造成通風斷面減小以及頭、尾端頭里段頂板未及時垮落造成采空區漏風加大；回采工作組織不合理導致支架或前后溜串尾或煤壁炸幫，導致回風隅角安全通道寬度不夠影響風流正常流動；以及采空區頂板異常冒落時，造成采空區內氣體大量涌出。

（4）工作面回采過程中煤層釋放出大量氮氣。工作面在回采過程中，煤層固體結構遭到破壞，煤層氣體由吸附狀態變為游離狀態，以氮氣為主的煤層氣體大量涌出，在工作面風流負壓的作用下，向上隅角位置聚集，由于工作面回風隅角通風負壓作用較小，風流大部為層流狀態，形成渦流區域[2]，不能有效的排除有害氣體。

（5）向采空區注氮氣降低了氧氣含量。為了防治采空區遺煤自然發火，向采空區大量注氮也是回風隅角低氧的原因之一。

回風隅角立體空間內氧濃度分布測定及對比見表1。

經實際測定，8404工作面回風隅角在一定空間范圍內氧氣濃度分布是不均衡的，同時在機組下尾割煤后及老塘垮落效果不佳時，后溜子尾通風斷面受到影響，也會對回風隅角空氣氧含量造成影響。具體數據見表1（寬度、高度均為回風隅角區域數值）。

表1 8404工作面回風隅角立體空間內氧濃度分布測定

回風隅角立體空間內氧氣濃度在各項參數變化情況下的對比曲線（曲線部分為高度，以下同）見圖2、圖3、圖4、圖5。

圖2 射流器正常運轉（左圖）、停運（右圖）、支架后擺梁高度在0.6 m左右、機組未下尾割煤

圖3 射流器正常運行（左圖）、停運（右圖）時，后溜斷面受到影響、機組未下尾割煤、后擺梁未升至0.6 m

圖4 射流器正常運行（左圖）、停運（右圖）時，機組下尾割煤

圖5 射流器正常運轉時（左圖），采空區存在漏風通道；安全通道寬度一定時（右圖），后溜尾至前溜尾段氧氣濃度變化

2.2 回風隅角低氧范圍確定

根據8404工作面回采期間現場實際測定結果并作圖分析，可初步得出以下結論：

（1）8404綜放工作面回風隅角區域采空區側屬于層流區和過渡區，風流不穩定，由采空區側向回風巷口，氧濃度呈上升趨勢。

（2）回風隅角區域氧氣濃度隨安全通道寬度變化而變化，并且在立體空間內氧氣分布不均，回風隅角氧氣濃度隨安全通道寬度及高度變化呈拋物線型，回風隅角寬度在1.5～2 m、高度在1.5～1.8 m立體空間范圍內氧氣濃度最大。

（3）在安全通道寬度一定時，當后溜子尾通風斷面受到影響、機組下尾及采空區存在漏風通道時，回風隅角立體空間內氧氣濃度基本呈整體下降趨勢。

（4）通過測定數據對比，在未使用射流器情況下回風隅角立體空間中間區域氧濃度有所下降（0.3%～0.4%左右），但邊緣區域變化不明顯。

（5）采空區頂板異?？缏?，會造成回風隅角立體空間內氧濃度整體間歇性下降。

2.3 治理措施

針對以上原因，采取針對性措施，具體如下

（1）采空區鉆孔泄壓。采空區空氣壓力高于工作面壓力是低氧發生的主要原因。采空區混合氣體（瓦斯、氮氣等低氧氣體）在流場的作用下流向回風隅角，導致回風隅角低氧。因此合理降低采空區壓力是治理低氧的有效手段。鉆孔泄壓指在臨近巷道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及時開啟控制閥門，使采空區內的氣體溢出，降低采空區內的壓力。

（2）利用抽放系統在回風隅角抽放瓦斯。利用瓦斯抽放系統的抽放負壓改變回風隅角氣體流場，使回風隅角局部區域風流向采空區方向流動。

（3）在回風隅角區域設置導風風筒。利用主扇負壓，將回風隅角低氧氣體通過導風風筒引流至回風大巷，以減少回風隅角低氧氣體涌出。

（4）通過兩巷封堵漏風減少回風隅角低氧氣體涌出，同時加強監測監控措施及時調整治理方案等治理綜合措施，逐步消除采煤工作面低氧問題。

（5）要求工作面最后一個支架距煤壁距離控制在1.5～2 m左右。同時，應重點加強后溜子尾通風通道管理、機組下尾割煤時風流流場異常擾動時的管理，以及端頭退錨、端頭封堵措施的落實。

（6）加快回采進度降低采空區遺煤氧化時間。推行“快掘、快安、快采、快撤、快閉”的技術理念，將傳統的散熱帶、氧化帶、窒息帶“三帶”轉變成散熱帶、窒息帶“兩帶”；工作面回采期間向采空區噴灑阻化劑，使阻化劑在遺煤的外表面形成一層致密氧化膜，而將煤的外表面封閉、堵塞供給空氣的通路，降低采空區遺煤與氧氣的接觸面積，減少采空區氧氣的消耗。

（7）優化注氮工藝。合理調整注氮流量和注氮管路末端位置，既保證注氮防火效果又確保高濃度氮氣不涌出至工作面冷卻帶或工作面，始終處于采空區的氧化帶內。

3 結語

通過綜合防治措施的實施，馬道頭礦8404面回風隅角低氧發生次數從每月約10次下降到2次左右，有效的保證了工作面的安全生產。

要徹底解決礦井綜采工作面回風隅角低氧隱患，必須根據目前在治理低氧方面取得的經驗，繼續堅持源頭把控及現場實施管控同步發力，綜合采用采空區抽放改變低氧區流場、優化通風系統、改造端頭支架、合理工作面支架布置、優化注氮工藝和密集施工封堵工程等措施，加強對工作面低氧的治理。