綜放工作面低氧原因分析及防治新技術(shù)

胡開通

0 引言

綜采工作面中上隅角低氧問題是制約采煤安全工作的一項重要因素。國家標(biāo)準(zhǔn)《缺氧危險作業(yè)安全規(guī)程》GB8959-2006將缺氧危險作業(yè)氧氣報警濃度確定為18.5%[1]。當(dāng)氧氣濃度為17%時，現(xiàn)場人員在從事一般勞動強度工作出現(xiàn)呼吸困難等情況，氧氣濃度低于12%時，工作人員會發(fā)生休克甚至死亡[2]。李斌[3]等以神東補連塔22307工作面為例，通過均壓通風(fēng)輔以引流、卸壓等手段達(dá)到了良好的治理效果；郭永文[4]通過開拓開采措施、安全監(jiān)測措施、通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化等一系列措施達(dá)到治理低氧區(qū)的目的。近年來，綜采工作面低氧區(qū)治理主要從通風(fēng)系統(tǒng)方面進(jìn)行研究，工作面通風(fēng)設(shè)備、設(shè)施和上隅角技術(shù)管理并未得到足夠的重視，本文將懸掛手持風(fēng)動型風(fēng)機(jī)吊置于工作面尾部支架處配合其他通風(fēng)技術(shù)措施為低氧區(qū)治理進(jìn)行了實踐研究。

1 工作面概況

山西某礦8103工作面所采煤層為14-3#煤層，煤層厚度5.30 m～8.10 m，平均6.80 m，純煤厚3.94 m～5.89 m、平均5.52 m，含3～5層夾矸、平均3層，厚0.10 m～2.03 m、平均1.28 m，傾角2°～4°，平均2.5°，屬近水平煤層。煤巖類型以暗淡型為主，煤種為長焰煤。工作面采用綜合機(jī)械化低位放頂煤方法開采，通風(fēng)方式采用U型通風(fēng)，本工作面采用開放式注氮進(jìn)行采空區(qū)防滅火。

2 綜放工作面通風(fēng)特點分析

如圖1，U型通風(fēng)方式廣泛應(yīng)用在回采工作面中，由工作面進(jìn)風(fēng)巷、回采工作面、工作面回風(fēng)巷形成整個通風(fēng)系統(tǒng)，該通風(fēng)系統(tǒng)呈U型。在通風(fēng)管理實踐中，這種通風(fēng)方式系統(tǒng)構(gòu)成簡單，巷道掘進(jìn)量少成本較低，且進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流流經(jīng)工作面后，一般情況下漏入采空區(qū)的風(fēng)量不多，風(fēng)流可靠穩(wěn)定，可保障回采生產(chǎn)工作正常順利進(jìn)行。這種通風(fēng)方式存在一定的不足，即風(fēng)流在上隅角流動方向改變而呈現(xiàn)出渦流狀態(tài)，不能及時將上隅角瓦斯及其他有害氣體吹散，因此在工作面上隅角容易形成瓦斯及其他有害氣體聚集而超限[5-8]。

另外，與綜采大采高工作面相比，綜放工作面煤層開采厚度較大，賦存與煤體中的瓦斯在放煤過程中涌出量在一定程度上加大，增加工作面通風(fēng)管理的難度。

圖1 U型通風(fēng)方式上隅角渦流狀態(tài)示意

3 低氧現(xiàn)象及原因分析

在回采工作面過程中，位于8103工作面上隅角處的氧氣傳感儀，在個別時段發(fā)出警報(45頁圖2)。

圖2 8103工作面上隅角氧氣濃度

氧氣濃度監(jiān)測傳感儀分別在5月21日22：00和5月 22日 2：00、11：00發(fā)生報警，氧氣濃度分別為15.1%、16.9%、16.1%，報警時間均小于5分鐘，且都在生產(chǎn)割煤過程中，檢修時段內(nèi)（18：00～21：00）沒出現(xiàn)報警情況。另外，經(jīng)檢測工作面其他位置均不存在氧氣濃度減弱到規(guī)定值的情況。綜采工作面回風(fēng)上隅角低氧是一個多種因素綜合作用的結(jié)果，必須綜合考慮有關(guān)煤層賦存條件、工作面注氮、采空區(qū)漏風(fēng)、采煤工藝、通風(fēng)系統(tǒng)、及工作面推進(jìn)速度等因素。

經(jīng)過現(xiàn)場分析，本工作面低氧區(qū)具體原因有以下4個方面：

（1）煤體本身的性質(zhì)是不可忽略的重要因素，煤體所含氣體以CO2和N2為主，N2含量為78.63%～94.88%，CO2含量為0.89%～6.52%。在綜采割煤以及放煤過程中，N2、CO2等氣體從采空區(qū)進(jìn)行不規(guī)律的涌出，在上隅角處進(jìn)入渦流而發(fā)生聚集，不能及時被主風(fēng)流吹散，直接導(dǎo)致氧氣濃度短暫降低。

（2）在回采過程中，本工作面采用連續(xù)、開放注氮方式進(jìn)行采空區(qū)防火、滅火。開采過后的采空區(qū)留下了大量高濃度N2，此時采空區(qū)如同一個超大型的N2庫，隨時為工作面的上隅角提供N2補給，氮氣會隨風(fēng)流涌出，聚集在上隅角從而造成低氧現(xiàn)象。

（3）8103工作面上覆存在著侏羅系7#、11#小窯破壞區(qū)及采空區(qū)，受工作面采動影響，隨著頂板巖層塌落，工作面頂部巖體裂隙進(jìn)一步發(fā)育直達(dá)上層采空區(qū)，形成良好的漏風(fēng)通道。隨著工作面開采，采空區(qū)漏風(fēng)趨于擴(kuò)大化。又由于綜放工作面上隅角是采空區(qū)的漏風(fēng)匯集處，易造成工作面低氧。針對以上理論，對8103工作面上覆采空區(qū)對應(yīng)地表進(jìn)行施工鉆孔，經(jīng)過取樣與化驗分析，得到上覆采空區(qū)氣體含量如表1，結(jié)果表明上覆采空區(qū)低氧氣體含量較高。

表1 8103工作面上覆采空區(qū)氣體含量分析表

（4）實際開采過程中，由于尾部端頭支架與刮板機(jī)尾部電機(jī)相聯(lián)，這種結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致在正常移架過程中，在保證工作面直線度的情況下，端頭支架會滯后于工作面其他支架，這種空間上的滯后，使經(jīng)過工作面風(fēng)流在上隅角處明顯減弱，聚集在上隅角的有害氣體不能及時被稀釋吹散，導(dǎo)致上隅角氧氣濃度降低。

4 綜放工作面低氧區(qū)綜合防治技術(shù)

為了解決8103工作面上隅角不定時氧氣濃度低這一情況，主要采用以下技術(shù)措施：

（1）懸掛手持風(fēng)動式風(fēng)機(jī)。在工作面尾部5～6個支架內(nèi)使用手持風(fēng)動型風(fēng)機(jī)，風(fēng)筒開口方向朝工作面上隅角區(qū)域，具體懸掛示意圖如圖3所示。

圖3 手持風(fēng)動型風(fēng)機(jī)懸掛示意

該風(fēng)動型風(fēng)機(jī)以與工作面內(nèi)壓風(fēng)管連接，以壓縮風(fēng)為動力，使風(fēng)機(jī)內(nèi)外產(chǎn)生壓差而將大量風(fēng)流壓入風(fēng)筒，吹向上隅角區(qū)域，打破上隅角渦流狀態(tài)，吹散有害氣體。

圖4 手持風(fēng)動型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理示意

本工作面所采用的手持風(fēng)動型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要有風(fēng)機(jī)外殼、集風(fēng)結(jié)構(gòu)、氣動馬達(dá)及風(fēng)葉構(gòu)成。其工作原理是由工作面壓風(fēng)管路提供動力，推動氣動馬達(dá)工作而帶動風(fēng)機(jī)內(nèi)部風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的內(nèi)外壓差使外部風(fēng)流通過集風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入風(fēng)機(jī)，從另一連接風(fēng)筒端吹出，達(dá)到改變目標(biāo)區(qū)域風(fēng)流狀態(tài)的效果。

該風(fēng)機(jī)優(yōu)點有：①以壓縮風(fēng)為動力，有效利用了壓縮風(fēng)，沒有電路系統(tǒng)，不存在失爆問題；②在不影響工作面整體系統(tǒng)風(fēng)流狀態(tài)的同時，有效的改變了上隅角風(fēng)流狀態(tài)，提高了上隅角氧氣濃度；③該風(fēng)機(jī)質(zhì)量輕，風(fēng)筒伸縮靈活，可隨支架移動而移動，設(shè)備管理簡便。

（2）吊掛引流風(fēng)障。在工作面尾部支架吊掛引流風(fēng)障，將工作面風(fēng)流引向工作面上隅角，降低有害氣體濃度，改變上隅角通風(fēng)狀態(tài)，提高工作面氧氣濃度。

（3）均壓通風(fēng)。當(dāng)工作面低氧范圍大、低氧程度嚴(yán)重時，可采用均壓通風(fēng)系統(tǒng)。利用“局部風(fēng)機(jī)輔以調(diào)節(jié)風(fēng)門”方式，在保證工作面配風(fēng)量的前提下適當(dāng)減少工作面風(fēng)量，適當(dāng)增加工作面回風(fēng)段通風(fēng)阻力，用來減少工作面進(jìn)回風(fēng)隅角風(fēng)壓壓差，從而減少采空區(qū)低氧氣體的持續(xù)涌出。均壓通風(fēng)技術(shù)被廣泛運用到工作面有害氣體的治理中。本工作面在進(jìn)風(fēng)順槽中布置風(fēng)機(jī)以及在回風(fēng)順槽增加調(diào)節(jié)風(fēng)門，通過風(fēng)機(jī)提供風(fēng)流速度而增加上隅角以及工作面絕對壓力，使采空區(qū)及工作面上隅角處的有害氣體難以溢出。

5 結(jié)語

綜放工作面低氧主要是煤層地質(zhì)賦存條件、工作面注氮、上覆采空區(qū)漏風(fēng)、采煤工藝等一系列因素的綜合結(jié)果。經(jīng)過采用以懸掛手持風(fēng)動式風(fēng)機(jī)為主，以吊掛引流風(fēng)障及均壓通風(fēng)技術(shù)為輔助措施，8103工作面上隅角氧氣濃度恢復(fù)到規(guī)定范圍，氧氣監(jiān)測探頭沒出現(xiàn)報警現(xiàn)象，且達(dá)到了防治工作面上隅角有害氣體濃度超限的效果，整體實踐效果良好。對采取措施后的氧氣濃度的日平均值進(jìn)行統(tǒng)計，采取相應(yīng)措施后氧氣濃度均大于18.5%，治理效果明顯。