近距離上覆特大采空區綜采工作面低氧綜合應急處置技術

田 臣，李 斌

（國家能源集團神東煤炭集團 補連塔煤礦，內蒙古 鄂爾多斯017209）

當超大采高、超長走向的綜采工作面開采結束后形成了特大面積采空區。隨著各大煤田開采的深入，下層煤綜采工作面便須在上覆特大面積采空區的條件下進行開采作業，隨之出現的綜采工作面低氧問題成了威脅采礦安全的技術問題[1-3]。為此神東礦區采礦人在深入理論研究的基礎上，結合現場生產實際，研究出了一套針對近距離上覆特大采空區綜采工作面低氧綜合應急處置技術。

1 礦井概況

補連塔煤礦位于東勝煤田神東礦區東南部，行政轄區隸屬伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮。補連塔煤礦是神東煤炭集團所屬骨干礦井之一，井田面積106.578 9 km2，2015 年礦井核定生產能力為2 800 萬t/a，目前實際生產能力達到2 800 萬t/a。礦區構造為簡單的單斜構造，地層傾向基本為向西偏南傾斜，地層傾角一般1°～3°左右，斷層不發育，地質條件簡單。礦井采用分煤層盤區大巷布置方式，水平內布置集中輔運、運輸、回風大巷，工作面采煤工藝為一次采全高，采煤方法為傾斜長壁后退式全部垮落綜合機械化采煤法。井田可采煤層7 層，當前主要開采煤層為12 煤、22 煤。

12 煤層位于延安組上巖段，煤層埋深16.56～352.12 m，平均為197.10 m。煤層厚度0.20～9.00 m，平均厚3.85 m，屬厚煤層，變異系數為29%，煤層厚度變化不大；可采煤厚0.8～9.39 m，平均3.92 m；煤層結構較簡單，大多含0～1 層夾矸，少數含2～5 層夾矸，厚度0.01～2.7 m，巖性多為砂質泥巖。煤層厚度在井田中南部達到最厚，向西北、向東部逐漸變薄，總體上為南部最厚，東部次之，西北最薄，變化規律明顯。22 煤層位于延安組中巖段的上部，煤層埋深10.56～387.12 m，平均為256.09 m。煤層厚度1.25～8.15 m，平均厚5.79 m，屬于厚煤層，變異系數24%，煤層厚度變化不大；可采煤厚1.25～8.15 m，平均厚5.79 m；該煤層結構中等，大多含0～2 層夾矸，個別煤層含3～7 層夾矸，夾矸厚度0.01～1.41 m，巖性多以泥巖、砂質泥巖為主。煤層東南最厚，由東南而北、由東向西逐漸變薄，規律明顯。煤層頂板巖性主要為砂質泥巖和泥巖。

22 煤層距12 煤層21.35～51.42 m 之間，平均37.06 m。當前22 煤三盤區上覆12 煤三盤區采空區面積達到1 810 km2，22 煤四盤區上覆12 煤四盤區采空區面積達到2 207 km2。由此分析，22 煤的開采為典型的近距離上覆特大采空區綜采工作面開采。

2 綜采工作面低氧危害及低氧現象

2.1 不同較低濃度的氧環境對人體傷害

研究發現：氧氣體積分數在17.0%時，人員靜止無影響，工作時會出現喘息、呼吸困難現象；氧氣體積分數在15.0%時，人員呼吸、脈搏急促，感覺及判斷能力減弱以致失去勞動能力；氧氣體積分數在10.0%～12.0%時，人員失去理智，時間稍長就有生命危險；氧氣體積分數在6.0%～9.0%時，人員立即失去知覺，呼吸停止，幾分鐘內心臟尚能跳動，搶救不及時會導致死亡。

2.2 同一煤層不同盤區工作面低氧現象

補連塔煤礦22 煤三盤區煤層平均厚度7.2 m，共布置10 個綜采工作面。22 煤三盤區上覆12 煤三盤區采空區，煤層間距30.2～62.5 m，上覆12 煤三盤區開采完畢后，形成近距離上覆特大面積采空區。

22 煤三盤區多個綜采工作面在回采過程中，回風隅角氧氣體積分數低至10.0%，回風風流流氧氣體積分數低至14.0%，工作面架間氧氣體積分數低至16.0%，低氧問題一直威脅著工作面的安全生產。例如22306 綜采工作面共布置160 臺7.0 m 大采高液壓支架, 工作面在生產過程中曾經出現90#～160#支架氧氣體積分數均低于18.0%的大面積低氧現象，回風隅角氧氣體積分數最低達10.0%，低氧問題嚴重影響了礦井的安全生產。

2.3 同一煤層相同盤區相鄰工作面低氧現象

補連塔煤礦22411 綜采工作面為22 煤四盤區首采工作面，采高6.2 m，工作面共布置150 臺7.0 m 大采高液壓支架，22411 采空區與22410 綜采工作面相鄰，其開采環境及條件與22 煤三盤區類似，上覆12 煤四盤區開采完畢后，形成近距離上覆特大面積采空區。

22411 綜采工作面在回采過程中，曾經出現120#～150#支架氧氣體積分數均低于18.0%的大面積低氧現象，回風隅角氧氣體積分數低至13.0%，回風風流流氧氣體積分數低至15.0%，低氧問題同樣威脅著礦井的安全生產。

3 綜采工作面低氧現象分析及呈現規律

3.1 綜采工作面低氧現象的表現形式

通過對22 煤三盤區綜采工作面及22 煤四盤區的22411 綜采工作面低氧現象的總結，根據綜采工作面低氧現象的影響范圍，低氧分為局部低氧和大面積低氧。局部低氧一般表現為：綜采工作面回風隅角低氧、綜采工作面機尾后1～3 臺支架架間低氧、機尾回風行人通道低氧。大面積低氧一般表現為：綜采工作面架間至回風巷段呈現“L”形工作面及回風巷道低氧。

3.2 綜采工作面低氧呈現規律

通過對22 煤三盤區綜采工作面及22 煤四盤區的22411 綜采工作面低氧現象總結及數據記錄分析，其低氧現象主要呈現如下規律[4-6]：

1）年度季節規律。春、秋2 季綜采工作面出現低氧現象最為頻繁，夏季綜采工作面出現低氧現象頻率次之，冬季綜采工作面出現低氧現象頻率最低。

2）當天時間規律。在1 d 之內，12：00—18：00時間段，綜采工作面出現低氧現象最為頻繁；18：00—20：00、8：00—12：00 時間段，綜采工作面出現低氧現象頻率次之；20：00—8：00 時間段，綜采工作面出現低氧現象頻率最低。

3）特殊天氣規律。當1 d 之內出現自然大風、暴雨、暴熱等特殊天氣導致大氣壓力急劇變化時，綜采工作面一般會出現低氧現象。例如補連塔煤礦的22煤三盤區綜采工作面及22 煤四盤區的22411 綜采工作面，當1 d 之內大氣壓降低幅度達到500 Pa時，22306～22310、22411 綜采面機尾后3 架一般會出現低氧現象，如果大氣壓降低幅度更大，低氧范圍隨之擴大。

4 工作面低氧綜合應急處置技術

4.1 局部低氧應急處置技術

1）關鍵崗位人員管控。①綜采隊為綜采工作面低氧防治的第1 責任單位，當班跟班隊長是現場管理第1 負責人，負責組織、協調低氧期間相關工作及低氧處置措施落實；②瓦檢員負責對工作面氣體進行全面檢查，對易低氧區域重點檢查，發現氣體異常及時匯報生產指揮中心啟動處置措施；③生產指揮中心監測值班人員每隔1 h 對大氣壓力情況測定，隨時對綜采工作面氣體情況監測。當工作面回風隅角O2體積分數低于18.0%或同1 d 內大氣壓差變化超過450 Pa 時，立即通知綜采隊、通風隊啟動低氧處置措施，同時，綜采隊跟班隊長在機尾安全出口處、低氧區域上風側20 m 處設置警戒，懸掛“低氧區域、禁止入內”警示牌；④進入綜采回風隅角區域的所有人員必須攜帶1 套便攜式氧氣、一氧化碳、甲烷便攜儀并正常開啟，否則不得進入，工作面全員監督；⑤正常情況下，嚴禁任何非通風崗位人員在綜采回風隅角及后3 臺支架內停留；⑥當綜采機尾后3 臺支架內O2體積分數接近18.0%且有下降趨勢時，機尾后3 臺支架及行人過道內嚴禁安排作業；⑦綜采工作面瓦檢員及跟班隊干每班動態檢查上隅角氣體情況，發生低氧時立即組織撤人并給通風隊及調度指揮中心匯報。

2）高概率低氧區域氣體實時監測。根據綜采工作面低氧發生規律，補連塔煤礦22411 綜采工作面在生產過程中對高概率低氧區域做出氣體實時監測措施：①綜采工作面每隔30 臺支架安設1 組氧氣、一氧化碳、甲烷便攜儀，實時監測工作面氣體情況并及時報警；②綜采工作面機尾后3 臺支架各安設1臺氧氣便攜儀，機尾行人通道煤幫距上隅角3、10 m處各安設1 組氧氣、一氧化碳、甲烷便攜儀，實時監測機尾區域氣體情況并及時報警；③綜采工作面上隅角安設1 組氧氣、一氧化碳、甲烷傳感器，通過礦井KJ90X 型安全監控系統在線實時監測工作面上隅角氣體變化情況并及時報警；④綜采工作面上隅角設置1 套低氧預警系統，即在最后1 臺支架內1.2 m 高處吊掛1 臺氧氣傳感器，在倒數第5 臺支架安設聲光報警裝置，發生低氧后警示人員請勿進去低氧區域；同時，該系統將低氧報警信息傳輸至地面調度指揮中心，方便地面對井下安全注意事項作出指導。

3）關鍵區域設施設備配備。①綜采工作面進、回風隅角通采空區區域安設嚴密擋風裝置，阻止采空區低氧氣體涌入工作面；②綜采工作面機尾后3 臺支架安設“L”型導風簾，將工作面正常風流引流至上隅角及機尾三角區；③綜采工作面機尾倒數第3臺支架空間內安設2 臺引風器，用來將自然空氣引入高概率低氧區域。引風器必須使用足夠風源，正常情況開啟1 臺引風器，出現局部低氧時開啟2 臺引風器減緩低氧程度。

4）低氧預警及處置措施。當工作面回風隅角O2體積分數低于18.0%或同1 d 內大氣壓差變化超過450 Pa 時，調度監測值班人員立即安排專職瓦檢員到上隅角進行低氧盯防，并通知綜采隊、通風隊啟動低氧處置措施。同時，綜采隊跟班隊長在機尾安全出口處、低氧區域上風側20 m、綜采回風口處設置警戒，禁止任何人員進去低氧區域。

4.2 大面積低氧應急處置技術

4.2.1 均壓通風技術

均壓通風技術是通過在工作面應用均壓和泄壓通風技術,以調整工作面和采空區壓力差,從而減少采空區有害氣體涌出量[7-10]。當綜采工作面出現大面積低氧現象現場無法處理時，經礦總工程師及礦長批準，立即啟用日常處于熱備用狀態的均壓通風系統。

1）均壓通風設施設備布置。在22409 均壓硐室內安設3 臺75 kW 均壓風機；在22409 回風巷口施工3 道均壓風門，其中2 道為自動風門，1 道為手動行車風門，正常情況下風門處于開啟狀態，均壓系統應用時可遠程控制開啟；在22410 回風巷2-3 聯巷之間施工3 道均壓風門，其中2 道為自動風門，1 道為手動行車風門，正常情況下風門處于關閉狀態；22410 回風巷0 至回風巷1 聯巷之間施工3 道均壓調節閉；在22410 回風巷3 聯巷通22411 運輸巷處施工2 道均壓調節密閉，正常情況下均壓調節閉保持“長開”狀態，均壓系統應用時可遠程控制通風斷面及均壓系統內外壓力。22410 綜采工作面均壓通風設施設備布置圖如圖1。

圖1 22410 綜采工作面均壓通風設施設備布置圖Fig.1 22410 fully mechanized mining face pressure equalization ventilation equipment layout

2）均壓風機選型。根據風量和工作風壓，選擇3臺（兩用一備）FBCZ-6-№16/75 型75 kW 壓入式軸流風機即可滿足工作面供風要求，均壓風機技術特征表見表1。

表1 均壓風機技術特征表Table 1 Technical characteristics table of equalizing fan

3）風量分配。如果22410 綜采工作面啟用均壓通風，綜采工作面配風量不變，各主要地點風量分配表見表2。

4.2.2 “三網融合”應急聯動技術

所謂的“三網”指的是KJ761 人員定位系統、KT590 礦用IP 網絡廣播系統、KJ90X 安全監控系統。通過礦井自動化網絡的優化完善，完成了礦井安全監控、人員定位、語音廣播系統的“三網融合”應急聯動功能。當綜采工作面發生大面積低氧現象時，“三網融合”系統可以自動發出報警信號、播放報警語音，精準快速的提醒、警示井下危險區域作業人員疏散和撤離。

表2 各主要地點風量分配表Table 2 Air volume distribution table of main locations

22410 綜采工作面機頭控制臺處、機尾超前支架處各存放30 臺ZYX-45 型壓縮氧自救器，當綜采工作面發生大面積低氧時，各崗位員工迅速佩戴好自救器，按照以下路線撤離：作業地點→22410 綜采工作面→22410 主運巷→22409 回風巷→22 煤四盤區輔運巷→22406 回風巷→22 煤輔運大巷→1#、2#輔運平硐→地面。

在撤離的路線上，每隔1 000 m 安設1 個自救器過渡站，自救器過渡站可以實現與外界的完全空氣隔離，過渡站內存放足夠15 個人生存96 h 的空氣、食品、水燈、照明礦燈等生活必須品。員工在撤離的過程中可以到自救器過渡站內更換隨身攜帶的自救器，也可以進行段時間的休息。

4.2.3 緊急救護

礦井每年與神東礦山救護大隊簽訂救護協議，井下發生事故后10 min 即可內抵達礦井開展救援工作。同時，礦井成立了由21 人組成的兼職礦山救護隊，所有救護隊人員體檢合格，均持證上崗。每個隊員配備1 臺由德國生產的BG4 型正壓氧氣呼吸器，每個小隊配備2 臺MZS-30 型自動蘇生器，以及其他必要的技術裝備。

當綜采工作面發生大面積低氧現象時有人員受傷或者被困時，經礦總工程師及礦長的批準，神東礦山救護大隊及兼職礦山救護隊可以第一時間前往現場對受傷人員進行急救，并解救被困人員。

5 結 語

近距離煤層上覆特大采空區綜采工作面在開采過程中極易出現低氧問題，該問題嚴重威脅著礦井的安全生產；綜采工作面低氧現象分為局部低氧和大面積低氧，低氧現象有規律可循，根據其呈現的規律預測可評估類似開采條件綜采工作面的低氧問題；根據綜采工作面低氧現象的分類，可采取局部低氧應急處置技術、大面積低氧應急處置技術降低低氧帶來的風險，確保礦井安全生產。