7 m大采高綜采工作面低氧抽放技術研究與應用

秦清河，韓文杰

(國能神東煤炭集團有限責任公司大柳塔煤礦，陜西省榆林市，719315)

1 煤礦概況

大柳塔煤礦目前正在回采的52506工作面是52號煤層五盤區第6個綜采工作面，工作面沿煤層傾向布置，南側為52號煤層五盤區52501～52505采空區、北側為52507接續工作面。工作面長301 m，推進長度3 871 m，煤層傾角為1°～3°，埋深由開切眼向回撤通道方向逐漸遞增，煤層為Ⅰ類易自燃煤層，自然發火期為52 d。工作面煤層厚度6.80～7.62 m，平均7.30 m，使用7 m支架回采，設計采高6.8 m。采用傾斜長壁一次采全高全部垮落法綜合機械化開采。

工作面于2021年8月開始回采，采用“U”型負壓通風方法，工作面配風量1 900 m3/min，回采期間回風隅角、機尾安全出口、工作面出現不同程度的低氧現象，最低O2濃度為17%，且根據鄰近已回采工作面經驗，隨著工作面推進，采空區連通面積增加，低氧現象會呈持續下降態勢，回風隅角最低O2濃度將降至14%左右。

目前，陜西、內蒙古、新疆等地區煤礦均出現類似的低氧問題，該致災因素具有隱蔽性、時變性、突發性，和其他隱蔽致災因素相比，其受采空區漏風大小、大氣壓變化影響較大，很難控制，易造成人員窒息、死亡，嚴重影響工作面安全生產。

依靠傳統方法治理低氧問題已無法滿足安全需要。反觀神東北部礦區回風隅角抽放瓦斯的工作面，從未出現低氧現象，為回風隅角低氧治理提供了新思路，即利用瓦斯抽放原理，對研究回風隅角低氧治理新技術具有重要意義。

2 低氧原因分析

2.1 煤層瓦斯賦存處于CO2-N2帶

根據神東中心礦區煤層瓦斯成分分析結果，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%。根據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%，開采煤層處于瓦斯風化帶內的CO2-N2帶，瓦斯涌出的主要形式是N2涌出[1]。

2.2 本采空區遺煤氧化

工作面回采過程中，采空區遺煤厚度約為0.5 m；“兩道兩線”(進風巷、回風巷、開采線、終采線)遺煤厚度約為3.1 m，頂板垮落后煤體破碎，增加了氧接觸面，加速氧化，氧化產生CO、CO2等有毒有害氣體[2]。工作面采用“U”型負壓通風，機尾回風隅角為工作面流場負壓最低點，采空區內有毒有害氣體從回風隅角涌出，造成回風隅角區域低氧[3-4]。

2.3 鄰近采空區有害氣體涌出

鄰近的52505采空區與52506工作面回風巷留設20 m寬的安全煤柱，每50 m留設1個聯巷，聯巷內施工防火密閉，鄰近采空區內最低O2濃度在2%左右，在52506工作面回采過程中，52506回風巷受二次采動影響，在負壓通風的作用下，52505采空區內的有毒有害氣體從采空區聯巷密閉裂縫、煤柱裂隙涌出，造成回風隅角區域低氧[5]。

2.4 地表裂隙漏風影響

根據神東礦區實際生產經驗，存在低氧現象的綜采工作面埋深較淺，而52506工作面埋深65～180 m，上覆基巖和松散層厚度小，地表塌陷裂隙寬度為0.1～1.5 m。隨著工作面推進，縱橫交錯的裂隙同步產生，經SF6漏風測試表明回采過程中采空區均有裂縫溝通地表，形成地表至采空區漏風通道[6-7]，漏風量約37 m3/min。在負壓通風作用下，裂隙漏風進入井下，將采空區內的有毒有害氣體帶出，在工作面回風隅角形成漏風匯[8]，導致此區域低氧。

3 低氧抽放技術研究與應用

3.1 低氧抽放原理

通過上述分析可知，采空區有毒有害氣體主要從回風隅角涌出，在隅角安設負壓抽放管路，改變回風隅角氣體流向[9]，均衡回風隅角和采空區之間壓差，將原本涌出的有害氣體直接抽排掉，從而在一定程度上減緩或抑制采空區內有毒有害氣體的涌出，以達到預防低氧的目的[10-11]。

3.2 采空區有害氣體抽放技術的實施

3.2.1 抽放設備選型及系統形成

(1)抽放泵站位置確定。抽放泵站硐室選擇在52506設備列車斜巷內。新鮮風流由輔運大巷進入抽放硐室，污風經52506回風繞道進入52號煤層回風大巷，使抽放硐室形成獨立通風系統。硐室內設置2個15 m3循環水池，水池墻高不得高于抽放泵的出水高度，為保證水質，供水管路出口加裝過濾裝置[12]。工作面采空區有害氣體抽放系統如圖1所示。

(2)抽放泵選型。通過對管路阻力進行計算，并根據抽放負壓需要，結合現有水環真空泵的性能曲線，選用2臺CBF530-2BG3水環真空泵型礦用移動式水環真空泵，其中1臺運行，1臺備用。瓦斯抽放泵額定抽放量為250 m3/min，電機功率為315 kW[13]。

(3)抽放管路選型。抽放管路直徑D可采用下式計算得出[14]：

式中：D——抽放管路內徑，mm；

Q——抽放管內混合流量，m3/min；

V——抽放管內氣體平均流速，m/s。

工作面漏風量為37 m3/min，考慮2倍的富裕系數，取74 m3/min，氣體平均流速本次取12 m/s，計算得到抽放管路內徑為362 mm，選用規格為Φ400 mm的抽放管路。

(4)抽放系統的形成。抽放管路鋪設在52506回風巷內，長度2 800 m，靠副幫鋪設距底板高0.3 m，每5個聯巷安設1個龍門，以方便車輛調頭。管路至工作面回風隅角50 m段采用Φ600 mm負壓風筒連接，并在上隅角端頭架上固定1節6 m長抽放管路與風筒連接，管路深入采空區長度約3～4 m。隨著工作面的推進，將負壓風筒套在端頭架固定的抽放管路上，防止負壓風筒被吸扁[15]，工作面每推進50 m回收一次巷道內的抽放主管路，實現循環利用。

抽放管路排風口安設在52506回風繞道，將抽放出的有毒有害氣體直接排至回風大巷，具體如圖1所示。

圖1 工作面采空區有害氣體抽放系統

3.2.2 抽放量的確定原則

(1)抽放量計算。根據工作面漏風量大小確定抽放量，經實測地表漏風量約37 m3/min，工作面日推進度約15 m，支架后側采空區因垮落不嚴重形成的扇形漏風量約60 m3/min，隅角托管抽放時擋風簾遮擋不嚴密導致的漏風量約10 m3/min，最終確定有害氣體抽放量在110 m3/min左右。

(2)抽放管路深入采空區最佳長度。提前在工作面回風隅角副幫安設30 m管路，對接至抽放系統上，隨著工作面推進，管路將逐步深入采空區，工作面每推進一刀，就測定一次回風隅角的O2濃度。不同埋管深度O2、CO濃度的抽放效果如圖2所示。經現場試驗得知：抽放管路深入擋風簾內15 m左右時，抽放效果最佳，回風隅角O2濃度可達到20%左右，考慮頂板垮落砸壞管路、管路回收安全及防止采空區自然發火等因素，最終確定抽放距離為3～4 m[17-18]。

圖2 不同埋管深度O2、CO濃度抽放效果

3.2.3 抽放系統附屬設施

(1)抽放泵站、抽放管路、排放口等設備設施全部按照瓦斯抽放系統的附屬安全設施標準設置。

(2)回風隅角要使用擋風簾遮擋嚴密，使回風隅角形成一個相對獨立的封閉區域，減少隅角的漏風[16]，提高抽放效果。

(3)在隅角第3臺端頭支架內安設壓風稀釋器，將工作面部分新鮮風流供至回風隅角擋風簾外，進而再次稀釋回風隅角的有毒有害氣體，有效提高回風隅角區域的O2濃度[19-20]。

3.2.4 抽放效果

在低氧抽放系統的抽放負壓28 kPa、流量110 m3/min且抽放管路吸風口深入采空區3～4 m時，抽放系統運行前后回風隅角O2濃度變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，在2021年12月2日啟用抽放泵前，回風隅角O2濃度在18%左右，啟用抽放后回風隅角區域在負壓作用下逐漸形成了風流向采空區方向流動的新穩定區，在2021年12月6日以后徹底穩定在19.5%左右。

圖3 抽放系統運行前后回風隅角O2濃度變化曲線

目前該系統已連續運行8個月，工作面安全推進2 500 m，回風隅角未出現過O2濃度低于19%的現象，為工作面的安全生產提供了保障。

4 抽放管路快速回收方案

為了使抽放管路能夠回收重復利用，節約成本，隨著工作面推進，每3～4 d需要回收一次管路，通過以下方案實現管路快速回收，防止回收管路期間隅角流場變化造成低氧。

(1)使用Φ600 mm變Φ400 mm鐵質變徑短節管路、短路蝶閥制作快速連接裝置，該裝置一端連接Φ600 mm負壓風筒、另一端連接抽放主管路。

(2)回收管路時，首先預鋪設Φ600mm負壓風筒到從連接裝置向后6～7節主管路接頭處，然后斷開主管路，打開短路蝶閥，將連接裝置與主管路、風筒快速對接，最后關閉短路蝶閥，時間控制在10 min內。

(3)日常拉架回收負壓風筒、調整負壓風筒時，可打開短路蝶閥，防止風筒吸扁，影響抽放效果。

5 結論

(1)分析了低氧產生的主要原因為煤層瓦斯賦存處于CO2-N2帶、本采空區遺煤氧化產生的有毒有害氣體和鄰近采空區有毒有害氣體在負壓通風作用下異常涌出。

(2)采用抽放技術治理低氧，通過對抽放設備、抽放管路的選型，確定最佳抽放量在110 m3/min左右，通過對管路埋入采空區深度的試驗，確定了最佳插管抽放深度3～4 m，使抽放系統達到最佳效果。

(3)采空區有害氣體抽放技術在一定程度上能夠抑制采空區有毒有害氣體溢出，解決了工作面低氧難題，并根據采空區漏風量大小控制合理抽放量，防止因抽放量過大造成采空區漏風增大，造成采空區自然發火。

(4)抽放泵一用一備，并實現雙電源供電，使抽放系統保持持續運行。抽放量、抽放負壓保持穩定，使隅角區域形成一個新的平衡點，有效防止“拉風箱”現象造成隅角區域流場波動，從而避免出現低氧甚至采空區自然發火。

(5)除了采取抽放措施，降低礦井通風阻力、工作面合理配風、及時回填地表塌陷裂隙、減少采空區遺煤、提高采空區聯巷密閉施工質量和留設隔離煤柱等措施是低氧這一隱蔽致災因素治理的基礎。