淺埋深易自燃煤層超大面積采空區(qū)綜采工作面低氧防治技術(shù)

張立輝

（神華神東煤炭集團(tuán)補(bǔ)連塔煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017209）

煤礦的生產(chǎn)工作面內(nèi)分布有O2、CO2、CO、NO2、SO2、H2S、NH3、H2、CH4、N2等多種氣體，其中對(duì)綜采工作面 “一通三防”安全管理方面有著較大影響的氣體主要有CH4、O2和N2。CH4濃度高，在管理不善的條件下可能引起瓦斯爆炸；O2濃度高、N2濃度低，在漏風(fēng)的條件下易引起采空區(qū)內(nèi)煤炭自燃。關(guān)于CH4防治方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了很多研究，如程濤等進(jìn)行了采場(chǎng)瓦斯運(yùn)移規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)，提出了不同瓦斯條件、不同自然發(fā)火特性條件下應(yīng)采取的通風(fēng)系統(tǒng)；常宸銘等研究了綜放工作面推進(jìn)速度、配風(fēng)量和上隅角抽放量對(duì)采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植嫉挠绊懀秽囓姷葘?duì)多元可燃?xì)怏w爆炸壓力峰值進(jìn)行了數(shù)值模擬，相應(yīng)的在瓦斯治理上形成了一系列適合于不同條件下的瓦斯治理手段，如抽放、均壓、稀釋、引排等，均取得了良好的效果。關(guān)于采空區(qū)內(nèi)O2防治方面，國(guó)內(nèi)研究的重點(diǎn)主要是采空區(qū)內(nèi)高濃度O2對(duì)防火的影響，如劉星魁、朱紅清等對(duì)煤巷破碎煤體周圍氧氣和溫度的關(guān)系進(jìn)行了模擬與計(jì)算；鞠逸對(duì)采空區(qū)的自燃 “三帶”分布情況及規(guī)律進(jìn)行了分析與研究。以上對(duì)CH4和O2兩個(gè)方面的研究較多，但對(duì)于采場(chǎng)內(nèi)O2濃度低、N2濃度高的問(wèn)題研究很少。神東補(bǔ)連塔煤礦22＃煤層三盤區(qū)多數(shù)綜采工作面被工作面低氧問(wèn)題所困擾，基于多年低氧防治所取得的成功經(jīng)驗(yàn)，筆者開(kāi)展了以22306綜采工作面為對(duì)象的低氧治理研究工作。

1 工作面概況

補(bǔ)連塔煤礦22306工作面是22＃煤層三盤區(qū)的第六個(gè)綜采工作面，工作面寬度311.8m，推進(jìn)長(zhǎng)度4684m，地面標(biāo)高為1175.2～1305.1m，煤層底板標(biāo)高為1025.4～1066.1m，松散層厚度為8～23m，上覆基巖厚度為110～230m，埋深由回撤通道方向向切眼方向逐步變深，煤層平均厚度7.2 m。其上覆為12＃煤層采空區(qū)，層間距30～62m，平均47 m，12＃煤層采空區(qū)面積已達(dá)1200mm2，22＃煤層采空區(qū)面積已達(dá)740mm2，回采期間12＃煤層、22＃煤層均出現(xiàn)裂縫，最寬處達(dá)1.3m。工作面絕對(duì)CH4涌出量為4.42m3／min，相對(duì)CH4涌出 量 為 0.09 m3／t， 絕 對(duì) CO2涌 出 量 為7.92m3／min，相對(duì)CO2涌出量為0.16 m3／t，屬瓦斯礦井，煤塵爆炸指數(shù)為37%，煤層自燃傾向性為Ⅰ級(jí)，容易自燃，發(fā)火期1個(gè)月。采用綜合機(jī)械化開(kāi)采，共布置156臺(tái)7m 液壓支架，一次采全高，全部垮落法管理頂板，采用U 型通風(fēng)方式。

2 低氧現(xiàn)象及原因分析

2.1 低氧現(xiàn)象

在22306工作面回采期間，發(fā)生了低氧現(xiàn)象，根據(jù)低氧范圍的大小可將低氧表現(xiàn)形式分為3種。

（1）回風(fēng)隅角處低氧。低氧的表現(xiàn)為從頂板到底板O2濃度均較低。在僅回風(fēng)隅角處低氧的情況下，22306回風(fēng)隅角處O2濃度在3%～16%，通常低于12%，巷道內(nèi)低氧范圍通常從回風(fēng)隅角處到巷道向前5～6 m 范圍內(nèi)，寬度為安全出口的寬度，通常0.6～1.0m。

（2）機(jī)尾處低氧。由于22306工作面刮板輸送機(jī)機(jī)尾布置在回風(fēng)巷道內(nèi)，回風(fēng)隅角處低氧范圍進(jìn)一步擴(kuò)大的情況下，則機(jī)尾處于低氧區(qū)域。此區(qū)域的范圍常為回風(fēng)隅角處向機(jī)頭側(cè)延伸4～8 m，寬度為支架尾梁與掩護(hù)梁鉸接處向回風(fēng)巷道方向延伸2～4m，回風(fēng)隅角及其前方的低氧規(guī)律符合上述回風(fēng)隅角處低氧的規(guī)律，其他區(qū)域的O2濃度在16%～18%且較均勻。

（3）工作面低氧。按照低氧范圍，工作面低氧又分為工作面270 m 至回風(fēng)隅角處低氧、工作面200m 至回風(fēng)隅角處低氧、工作面40m 至回風(fēng)隅角處低氧。此3類低氧現(xiàn)象的共同特點(diǎn)是回風(fēng)隅角和機(jī)尾處低氧現(xiàn)象符合上文中所述規(guī)律，其他區(qū)域的O2濃度在12%～18%，O2濃度從機(jī)頭側(cè)向機(jī)尾側(cè)漸低。

2.2 低氧原因分析

（1）瓦斯賦存處于CO2～N2帶。根據(jù)井田地質(zhì)報(bào)告中瓦斯成分分析結(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%，故可劃分為CO2～N2帶。根據(jù)22306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%，證明瓦斯賦存處于CO2～N2帶，瓦斯涌出的主要形式是N2涌出。

（2）淺埋深開(kāi)采的影響。補(bǔ)連塔礦幾個(gè)盤區(qū)的綜采工作面雖然埋深不一，但回采過(guò)程中均有裂縫溝通地表，經(jīng)過(guò)SF6漏風(fēng)測(cè)試，地表裂縫均溝通采空區(qū)，證明為淺埋深開(kāi)采。補(bǔ)連塔礦目前開(kāi)采12＃煤層四盤區(qū)、五盤區(qū)和22＃煤層三盤區(qū)，四盤區(qū)埋深190～230m，五盤區(qū)埋深270～300m，上覆基巖、松散層狀況與22＃煤層三盤區(qū)基本一致，12＃煤層工作面回采期間發(fā)生回風(fēng)隅角低氧現(xiàn)象，22306工作面在回采埋深150～270m 范圍時(shí)發(fā)生回風(fēng)隅角低氧現(xiàn)象，回采埋深120～150m 時(shí)發(fā)生機(jī)尾處低氧及工作面低氧現(xiàn)象，證明低氧現(xiàn)象受埋深條件影響較大。

（3）礦井負(fù)壓通風(fēng)的影響。礦井采用負(fù)壓通風(fēng)，由于淺埋深開(kāi)采，采空區(qū)壓力與大氣壓力相差不大，綜采工作面壓力比采空區(qū)壓力低，當(dāng)?shù)乇泶髿鈮毫档蜁r(shí)，采空區(qū)氣體向工作面涌出，造成低氧現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（4）超大面積采空區(qū)的影響。補(bǔ)連塔礦目前12＃煤層四盤區(qū)的采空區(qū)面積已達(dá)860mm2，五盤區(qū)的采空區(qū)面積已達(dá)90mm2，三盤區(qū)兩層煤總的采空區(qū)面積已達(dá)1940mm2，而低氧現(xiàn)象嚴(yán)重程度為22＃煤層三盤區(qū)＞12＃煤層四盤區(qū)＞12＃煤層五盤區(qū)，證明低氧現(xiàn)象受采空區(qū)面積影響較大。

表1 22306工作面低氧現(xiàn)象與大氣壓變化關(guān)系

（5）受地表大氣壓變化的影響。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)補(bǔ)連塔礦一天之內(nèi)大氣壓的最高值一般在2∶00～5∶00，最低值一般在14∶00～18∶00，這種大氣壓由高到低的變化易誘發(fā)低氧現(xiàn)象發(fā)生，當(dāng)一天之內(nèi)大氣壓呈下降趨勢(shì) （即14∶00～18∶00為當(dāng)日大氣壓最低值）且下降壓差超過(guò)400Pa時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)低氧現(xiàn)象，隨著大氣壓差下降幅度的增加，低氧范圍逐漸擴(kuò)大。表1為2014年3-5月份22306工作面低氧現(xiàn)象與大氣壓變化的關(guān)系，據(jù)表1可知，低氧現(xiàn)象均發(fā)生在一天內(nèi)大氣壓差下降超過(guò)400Pa的天氣，如下降達(dá)到600Pa左右發(fā)生機(jī)尾低氧現(xiàn)象，下降達(dá)到800Pa左右發(fā)生工作面低氧現(xiàn)象，下降達(dá)到900Pa發(fā)生工作面40m 至回風(fēng)隅角處低氧現(xiàn)象。

3 低氧防治技術(shù)

3.1 堵漏技術(shù)

由于淺埋深開(kāi)采，地表大氣壓力的變化通過(guò)地表裂隙直接影響到采空區(qū)，進(jìn)而影響綜采工作面氣體情況，因此堵漏對(duì)低氧防治意義較大。堵漏包括地表堵漏和井下堵漏，地表堵漏指對(duì)地表產(chǎn)生的采動(dòng)裂隙及時(shí)封堵，補(bǔ)連塔煤礦地表裂縫產(chǎn)生的特點(diǎn)之一是采動(dòng)后不穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，因此需要多次地表堵漏；井下堵漏一般采用封堵進(jìn)、回風(fēng)隅角的手段，由于綜采工作面推進(jìn)速度較快，平均達(dá)到10 m／d，進(jìn)、回風(fēng)隅角堵漏工作較為困難，為此采用木點(diǎn)柱+風(fēng)筒布+高分子材料的方式進(jìn)行封堵。

3.2 擋風(fēng)簾引風(fēng)技術(shù)

擋風(fēng)簾引風(fēng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于回風(fēng)隅角瓦斯治理，其實(shí)質(zhì)是將綜采工作面的風(fēng)流引向回風(fēng)隅角，加大回風(fēng)隅角的風(fēng)量，利用增大的風(fēng)量稀釋回風(fēng)隅角的瓦斯。常用的形式有工作面內(nèi)安設(shè)擋風(fēng)簾和回風(fēng)巷道內(nèi)安設(shè)擋風(fēng)簾兩種，工作面內(nèi)安設(shè)擋風(fēng)簾有“一”字型和 “L”字型兩種，回風(fēng)巷道內(nèi)安設(shè)擋風(fēng)簾常用 “一”字型。低氧治理中擋風(fēng)簾引風(fēng)技術(shù)和瓦斯治理中的擋風(fēng)簾引風(fēng)技術(shù)相同。

3.3 風(fēng)動(dòng)風(fēng)機(jī)稀釋技術(shù)

利用通風(fēng)機(jī)將空氣壓向需風(fēng)地點(diǎn)的作用有兩個(gè)，一是增加風(fēng)量稀釋有害氣體的濃度，二是增加風(fēng)流流動(dòng)速度以加快有害氣體流通速度。綜采工作面用的通風(fēng)機(jī)有電動(dòng)、風(fēng)動(dòng)和液壓動(dòng)力3種，電動(dòng)通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是供風(fēng)量大，但在綜采工作面中禁止吹回風(fēng)隅角；風(fēng)動(dòng)和液動(dòng)通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是安全性高，但供風(fēng)量小。22306工作面所用風(fēng)動(dòng)通風(fēng)機(jī)利用礦井壓風(fēng)系統(tǒng)做動(dòng)力源，額定壓力0.72MPa，額定供風(fēng)量200m3／min，實(shí)際供風(fēng)量160m3／min。

3.4 鉆孔泄壓技術(shù)

采空區(qū)壓力高于工作面壓力是低氧發(fā)生的原因之一，為此合理降低采空區(qū)壓力是治理低氧的有效手段。鉆孔泄壓指施工通向采空區(qū)的鉆孔，鉆孔上安設(shè)控制閥門，當(dāng)工作面低氧現(xiàn)象發(fā)生時(shí)開(kāi)啟控制閥門，使采空區(qū)內(nèi)的氣體溢出，降低采空區(qū)內(nèi)的壓力，有時(shí)為了加快流通速度可在鉆孔管路上安設(shè)抽排風(fēng)機(jī)。對(duì)于22306工作面來(lái)說(shuō)，鉆孔泄壓的地點(diǎn)有兩處，一是在22307回風(fēng)巷道泄22306采空區(qū)的壓力，22307回風(fēng)巷道泄壓時(shí)常滯后22306綜采工作面200m 左右的距離；二是在22306回風(fēng)巷道泄22305采空區(qū)的壓力，22306回風(fēng)巷道泄壓常在回風(fēng)口處，泄出的氣體通過(guò)管路直接引向三盤區(qū)回風(fēng)巷。

3.5 均壓通風(fēng)技術(shù)

22306工作面均壓技術(shù)為通風(fēng)機(jī)—風(fēng)門聯(lián)合均壓技術(shù)，其核心在于采取2×75kW 大功率均壓通風(fēng)機(jī)，供風(fēng)量可達(dá)3200 m3／min以上。根據(jù)回風(fēng)流作業(yè)人員安全管控的不同，采取了22306工作面U 型均壓通風(fēng)技術(shù)和22306工作面Y 型均壓通風(fēng)技術(shù)。

（1）22306 工作面U 型均壓通風(fēng)技術(shù)，即22306運(yùn)輸巷道、22307 回風(fēng)巷道進(jìn)風(fēng)，22306 回風(fēng)巷道回風(fēng)。均壓通風(fēng)機(jī)布置在22307 主回撤通道，進(jìn)風(fēng)路線為三盤區(qū)輔運(yùn)大巷—22307回風(fēng)巷道—22307輔回撤通道—回撤通道間1 聯(lián)巷—22307主回撤通道—均壓通風(fēng)機(jī)，風(fēng)流通過(guò)通風(fēng)機(jī)增加壓力后流經(jīng)22307回風(fēng)巷道、22306運(yùn)輸巷道，一部分風(fēng)流去三盤區(qū)尾巷，通過(guò)其內(nèi)的均壓風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量，一部分風(fēng)流去22306綜采工作面，通過(guò)22305運(yùn)輸巷道的均壓風(fēng)門調(diào)節(jié)22306 綜采工作面的風(fēng)量。22306工作面U 型均壓通風(fēng)布置見(jiàn)圖1。

（2）22306 工作面Y 型均壓通風(fēng)技術(shù)，即22306運(yùn)輸巷道、22307 回風(fēng)巷道、22306 回風(fēng)巷道進(jìn)風(fēng)，三盤區(qū)尾巷回風(fēng)。置兩套均壓通風(fēng)機(jī)，一套布置在22306主回撤通道，通風(fēng)路線為三盤區(qū)輔運(yùn)大巷—22306回風(fēng)巷道—22306 輔回撤通道—回撤通道間1聯(lián)巷—22306主回撤通道—均壓通風(fēng)機(jī)—22306回風(fēng)巷道—22306 綜采工作面—22307 回風(fēng)巷道—三盤區(qū)尾巷；一套布置在22307主回撤通道，給22306運(yùn)輸巷道和22307回風(fēng)巷道供風(fēng)，兩套通風(fēng)機(jī)通過(guò)調(diào)整葉片角度提供不同的風(fēng)量，通過(guò)三盤區(qū)尾巷的均壓風(fēng)門控制總回風(fēng)量。22306工作面Y 型均壓通風(fēng)布置見(jiàn)圖2。

3.6 其他技術(shù)

為了有效地治理低氧，采取了監(jiān)測(cè)監(jiān)控、風(fēng)機(jī)抽排、大氣壓監(jiān)測(cè)機(jī)制和人員管控等技術(shù)。監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)指對(duì)工作面易低氧的區(qū)域設(shè)置了O2探頭和防爆攝像頭，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸在地面終端顯示，設(shè)置專人進(jìn)行24h監(jiān)護(hù)，監(jiān)護(hù)低氧區(qū)域O2情況和人員出入情況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案；通風(fēng)機(jī)抽排技術(shù)指對(duì)低氧區(qū)域設(shè)置抽排系統(tǒng)，及時(shí)抽出有害氣體，減小低氧范圍及濃度；大氣壓監(jiān)測(cè)機(jī)制指地面設(shè)置專人觀察大氣壓變化情況，出現(xiàn)大氣壓下降到易發(fā)生低氧的情況及時(shí)通知相關(guān)人員，提前做好低氧防治啟動(dòng)工作；人員管控指對(duì)低氧區(qū)域設(shè)置警戒，禁止人員入內(nèi)。

通過(guò)采取上述綜合管控技術(shù)，22306工作面的低氧情況大為好轉(zhuǎn)，在采取U 型均壓通風(fēng)的條件下大氣壓下降700Pa時(shí)工作面僅發(fā)生回風(fēng)隅角低氧現(xiàn)象，下降900Pa時(shí)發(fā)生機(jī)尾低氧現(xiàn)象，下降1020Pa時(shí)發(fā)生工作面40 m 至回風(fēng)隅角處低氧現(xiàn)象；在采取Y 型均壓通風(fēng)的條件下大氣壓變化對(duì)工作面氧氣變化影響不大。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）22306工作面低氧可分為回風(fēng)隅角低氧、機(jī)尾低氧和工作面低氧3種情況。

（2）22306工作面低氧產(chǎn)生的原因主要是瓦斯賦存處于CO2～N2帶、淺埋深開(kāi)采、礦井采用負(fù)壓通風(fēng)、超大面積采空區(qū)和受地表大氣壓變化。

（3）22306工作面低氧受地表大氣壓力變化情況影響較大，壓差下降的數(shù)值越大，低氧程度越嚴(yán)重。

（4）低氧防治是一個(gè)綜合技術(shù)，需要多種技術(shù)手段共同應(yīng)用，其中 “均壓”技術(shù)效果最為明顯。

（5）低氧防治在淺埋深開(kāi)采的條件下無(wú)法完全杜絕，通過(guò)一定技術(shù)手段的實(shí)施可以降低低氧現(xiàn)象對(duì)安全生產(chǎn)的影響。

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