7 m大采高綜采工作面低氧抽放技術(shù)研究與應(yīng)用

秦清河，韓文杰

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)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(qū)第6個綜采工作面，工作面沿煤層傾向布置，南側(cè)為52號煤層五盤區(qū)52501～52505采空區(qū)、北側(cè)為52507接續(xù)工作面。工作面長301 m，推進(jìn)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(fā)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(shè)計(jì)采高6.8 m。采用傾斜長壁一次采全高全部垮落法綜合機(jī)械化開采。

工作面于2021年8月開始回采，采用“U”型負(fù)壓通風(fēng)方法，工作面配風(fēng)量1 900 m3/min，回采期間回風(fēng)隅角、機(jī)尾安全出口、工作面出現(xiàn)不同程度的低氧現(xiàn)象，最低O2濃度為17%，且根據(jù)鄰近已回采工作面經(jīng)驗(yàn)，隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)連通面積增加，低氧現(xiàn)象會呈持續(xù)下降態(tài)勢，回風(fēng)隅角最低O2濃度將降至14%左右。

目前，陜西、內(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)煤礦均出現(xiàn)類似的低氧問題，該致災(zāi)因素具有隱蔽性、時(shí)變性、突發(fā)性，和其他隱蔽致災(zāi)因素相比，其受采空區(qū)漏風(fēng)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(yán)重影響工作面安全生產(chǎn)。

依靠傳統(tǒng)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(qū)回風(fēng)隅角抽放瓦斯的工作面，從未出現(xiàn)低氧現(xiàn)象，為回風(fēng)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(fēng)隅角低氧治理新技術(shù)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(jù)神東中心礦區(qū)煤層瓦斯成分分析結(jié)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(jù)采空區(qū)內(nèi)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(fēng)化帶內(nèi)的CO2-N2帶，瓦斯涌出的主要形式是N2涌出[1]。

2.2 本采空區(qū)遺煤氧化

工作面回采過程中，采空區(qū)遺煤厚度約為0.5 m；“兩道兩線”(進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)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(chǎn)生CO、CO2等有毒有害氣體[2]。工作面采用“U”型負(fù)壓通風(fēng)，機(jī)尾回風(fēng)隅角為工作面流場負(fù)壓最低點(diǎn)，采空區(qū)內(nèi)有毒有害氣體從回風(fēng)隅角涌出，造成回風(fēng)隅角區(qū)域低氧[3-4]。

2.3 鄰近采空區(qū)有害氣體涌出

鄰近的52505采空區(qū)與52506工作面回風(fēng)巷留設(shè)20 m寬的安全煤柱，每50 m留設(shè)1個聯(lián)巷，聯(lián)巷內(nèi)施工防火密閉，鄰近采空區(qū)內(nèi)最低O2濃度在2%左右，在52506工作面回采過程中，52506回風(fēng)巷受二次采動影響，在負(fù)壓通風(fēng)的作用下，52505采空區(qū)內(nèi)的有毒有害氣體從采空區(qū)聯(lián)巷密閉裂縫、煤柱裂隙涌出，造成回風(fēng)隅角區(qū)域低氧[5]。

2.4 地表裂隙漏風(fēng)影響

根據(jù)神東礦區(qū)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，存在低氧現(xiàn)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(jìn)，縱橫交錯的裂隙同步產(chǎn)生，經(jīng)SF6漏風(fēng)測試表明回采過程中采空區(qū)均有裂縫溝通地表，形成地表至采空區(qū)漏風(fēng)通道[6-7]，漏風(fēng)量約37 m3/min。在負(fù)壓通風(fēng)作用下，裂隙漏風(fēng)進(jìn)入井下，將采空區(qū)內(nèi)的有毒有害氣體帶出，在工作面回風(fēng)隅角形成漏風(fēng)匯[8]，導(dǎo)致此區(qū)域低氧。

3 低氧抽放技術(shù)研究與應(yīng)用

3.1 低氧抽放原理

通過上述分析可知，采空區(qū)有毒有害氣體主要從回風(fēng)隅角涌出，在隅角安設(shè)負(fù)壓抽放管路，改變回風(fēng)隅角氣體流向[9]，均衡回風(fēng)隅角和采空區(qū)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(qū)內(nèi)有毒有害氣體的涌出，以達(dá)到預(yù)防低氧的目的[10-11]。

3.2 采空區(qū)有害氣體抽放技術(shù)的實(shí)施

3.2.1 抽放設(shè)備選型及系統(tǒng)形成

(1)抽放泵站位置確定。抽放泵站硐室選擇在52506設(shè)備列車斜巷內(nèi)。新鮮風(fēng)流由輔運(yùn)大巷進(jìn)入抽放硐室，污風(fēng)經(jīng)52506回風(fēng)繞道進(jìn)入52號煤層回風(fēng)大巷，使抽放硐室形成獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)。硐室內(nèi)設(shè)置2個15 m3循環(huán)水池，水池墻高不得高于抽放泵的出水高度，為保證水質(zhì)，供水管路出口加裝過濾裝置[12]。工作面采空區(qū)有害氣體抽放系統(tǒng)如圖1所示。

(2)抽放泵選型。通過對管路阻力進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)抽放負(fù)壓需要，結(jié)合現(xiàn)有水環(huán)真空泵的性能曲線，選用2臺CBF530-2BG3水環(huán)真空泵型礦用移動式水環(huán)真空泵，其中1臺運(yùn)行，1臺備用。瓦斯抽放泵額定抽放量為250 m3/min，電機(jī)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(jì)算得出[14]：

式中：D——抽放管路內(nèi)徑，mm；

Q——抽放管內(nèi)混合流量，m3/min；

V——抽放管內(nèi)氣體平均流速，m/s。

工作面漏風(fēng)量為37 m3/min，考慮2倍的富裕系數(shù)，取74 m3/min，氣體平均流速本次取12 m/s，計(jì)算得到抽放管路內(nèi)徑為362 mm，選用規(guī)格為Φ400 mm的抽放管路。

(4)抽放系統(tǒng)的形成。抽放管路鋪設(shè)在52506回風(fēng)巷內(nèi)，長度2 800 m，靠副幫鋪設(shè)距底板高0.3 m，每5個聯(lián)巷安設(shè)1個龍門，以方便車輛調(diào)頭。管路至工作面回風(fēng)隅角50 m段采用Φ600 mm負(fù)壓風(fēng)筒連接，并在上隅角端頭架上固定1節(jié)6 m長抽放管路與風(fēng)筒連接，管路深入采空區(qū)長度約3～4 m。隨著工作面的推進(jìn)，將負(fù)壓風(fēng)筒套在端頭架固定的抽放管路上，防止負(fù)壓風(fēng)筒被吸扁[15]，工作面每推進(jìn)50 m回收一次巷道內(nèi)的抽放主管路，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

抽放管路排風(fēng)口安設(shè)在52506回風(fēng)繞道，將抽放出的有毒有害氣體直接排至回風(fēng)大巷，具體如圖1所示。

圖1 工作面采空區(qū)有害氣體抽放系統(tǒng)

3.2.2 抽放量的確定原則

(1)抽放量計(jì)算。根據(jù)工作面漏風(fēng)量大小確定抽放量，經(jīng)實(shí)測地表漏風(fēng)量約37 m3/min，工作面日推進(jìn)度約15 m，支架后側(cè)采空區(qū)因垮落不嚴(yán)重形成的扇形漏風(fēng)量約60 m3/min，隅角托管抽放時(shí)擋風(fēng)簾遮擋不嚴(yán)密導(dǎo)致的漏風(fēng)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(qū)最佳長度。提前在工作面回風(fēng)隅角副幫安設(shè)30 m管路，對接至抽放系統(tǒng)上，隨著工作面推進(jìn)，管路將逐步深入采空區(qū)，工作面每推進(jìn)一刀，就測定一次回風(fēng)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(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)得知：抽放管路深入擋風(fēng)簾內(nèi)15 m左右時(shí)，抽放效果最佳，回風(fēng)隅角O2濃度可達(dá)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(qū)自然發(fā)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(tǒng)附屬設(shè)施

(1)抽放泵站、抽放管路、排放口等設(shè)備設(shè)施全部按照瓦斯抽放系統(tǒng)的附屬安全設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。

(2)回風(fēng)隅角要使用擋風(fēng)簾遮擋嚴(yán)密，使回風(fēng)隅角形成一個相對獨(dú)立的封閉區(qū)域，減少隅角的漏風(fēng)[16]，提高抽放效果。

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

3.2.4 抽放效果

在低氧抽放系統(tǒng)的抽放負(fù)壓28 kPa、流量110 m3/min且抽放管路吸風(fēng)口深入采空區(qū)3～4 m時(shí)，抽放系統(tǒng)運(yùn)行前后回風(fēng)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(fēng)隅角O2濃度在18%左右，啟用抽放后回風(fēng)隅角區(qū)域在負(fù)壓作用下逐漸形成了風(fēng)流向采空區(qū)方向流動的新穩(wěn)定區(qū)，在2021年12月6日以后徹底穩(wěn)定在19.5%左右。

圖3 抽放系統(tǒng)運(yùn)行前后回風(fēng)隅角O2濃度變化曲線

目前該系統(tǒng)已連續(xù)運(yùn)行8個月，工作面安全推進(jìn)2 500 m，回風(fēng)隅角未出現(xiàn)過O2濃度低于19%的現(xiàn)象，為工作面的安全生產(chǎn)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(fù)利用，節(jié)約成本，隨著工作面推進(jìn)，每3～4 d需要回收一次管路，通過以下方案實(shí)現(xiàn)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(zhì)變徑短節(jié)管路、短路蝶閥制作快速連接裝置，該裝置一端連接Φ600 mm負(fù)壓風(fēng)筒、另一端連接抽放主管路。

(2)回收管路時(shí)，首先預(yù)鋪設(shè)Φ600mm負(fù)壓風(fēng)筒到從連接裝置向后6～7節(jié)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(fēng)筒快速對接，最后關(guān)閉短路蝶閥，時(shí)間控制在10 min內(nèi)。

(3)日常拉架回收負(fù)壓風(fēng)筒、調(diào)整負(fù)壓風(fēng)筒時(shí)，可打開短路蝶閥，防止風(fēng)筒吸扁，影響抽放效果。

5 結(jié)論

(1)分析了低氧產(chǎn)生的主要原因?yàn)槊簩油咚官x存處于CO2-N2帶、本采空區(qū)遺煤氧化產(chǎn)生的有毒有害氣體和鄰近采空區(qū)有毒有害氣體在負(fù)壓通風(fēng)作用下異常涌出。

(2)采用抽放技術(shù)治理低氧，通過對抽放設(shè)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(qū)深度的試驗(yàn)，確定了最佳插管抽放深度3～4 m，使抽放系統(tǒng)達(dá)到最佳效果。

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

(4)抽放泵一用一備，并實(shí)現(xiàn)雙電源供電，使抽放系統(tǒng)保持持續(xù)運(yùn)行。抽放量、抽放負(fù)壓保持穩(wěn)定，使隅角區(qū)域形成一個新的平衡點(diǎn)，有效防止“拉風(fēng)箱”現(xiàn)象造成隅角區(qū)域流場波動，從而避免出現(xiàn)低氧甚至采空區(qū)自然發(fā)火。

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