上灣煤礦22104工作面低氧原因及治理研究

王桂林，趙晉伯，侯開(kāi)達(dá)，張嚴(yán)文

(1.國(guó)能神東煤炭集團(tuán)上灣煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083)

神東礦區(qū)是典型的淺埋深、低瓦斯，大規(guī)模近距離煤層群開(kāi)采，大部分開(kāi)采煤層處于CO2～N2瓦斯分帶。由于埋深較淺，在開(kāi)采過(guò)程中受地質(zhì)條件、煤層賦存情況、開(kāi)采方式和工作面布置等因素的影響，采空區(qū)頂板垮落會(huì)與上覆采空區(qū)貫通形成大面積復(fù)合采空區(qū)。較大的垮落跨度使巖層破壞形成裂隙，造成地表漏風(fēng)和層間漏風(fēng)。在地表漏風(fēng)和層間漏風(fēng)的雙重影響下，采空區(qū)破碎煤體會(huì)經(jīng)歷瓦斯解吸以及二次或多次氧化，導(dǎo)致采空區(qū)低氧氣體向工作面異常涌出，造成工作面低氧現(xiàn)象。

在工作面低氧問(wèn)題研究上，張立輝[1]針對(duì)補(bǔ)連塔煤礦22306綜采工作面在回采過(guò)程中發(fā)生的低氧現(xiàn)象，研究了導(dǎo)致低氧的原因，根據(jù)測(cè)定可將低氧范圍分為回風(fēng)隅角低氧區(qū)、機(jī)尾低氧區(qū)和工作面低氧區(qū)3種，為低氧區(qū)域治理提供指導(dǎo)。在通風(fēng)系統(tǒng)方面，根據(jù)實(shí)際條件采用“U+L”型、“Y”型或均壓通風(fēng)系統(tǒng)[2，3]。從開(kāi)采、安全監(jiān)測(cè)以及通風(fēng)系統(tǒng)等方面綜合分析低氧防治措施，對(duì)低氧防治具有指導(dǎo)意義。

在之前低氧研究的基礎(chǔ)上針對(duì)上灣礦22104工作面低氧問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)低氧來(lái)源及涌出原因研究，分析大氣壓、溫度對(duì)低氧氣體涌出規(guī)律影響。提出均壓通風(fēng)措施治理工作面低氧問(wèn)題，對(duì)均壓實(shí)施前后工作面氧氣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證均壓通風(fēng)措施對(duì)低氧治理的有效性，為神東礦區(qū)低氧治理提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 工作面概述

上灣煤礦22104工作面位于22煤一盤區(qū)第四個(gè)綜采工作面，該煤層有自然發(fā)火傾向，最短自然發(fā)火期為60d，屬易自燃煤層。煤層距地表80～120m左右，上覆有12105、12106綜采采空區(qū)，層間距為32～44m左右，在掘進(jìn)期間已對(duì)上覆采空區(qū)進(jìn)行了探放水工作。工作面沿煤層走向布置，沿傾向推進(jìn)。工作面長(zhǎng)330m，推進(jìn)長(zhǎng)度4135m，可采面積為1364550m2。22104工作面煤層厚度約4.51～7.06m，平均厚度約6.32m，工作面地面標(biāo)高1164～1260m，煤層底板標(biāo)高1045.55～1074.44m，松散層厚度約0～40m，上覆基巖厚度為72～166m，工作面地質(zhì)儲(chǔ)量1123.52萬(wàn)t，預(yù)計(jì)回采煤量1098.63萬(wàn)t，預(yù)計(jì)工作面正常涌水量200m3/h，最大涌水量400m3/h。根據(jù)22102、22103工作面經(jīng)驗(yàn)，在回采過(guò)程中由于工作面老頂來(lái)壓，地表塌陷能形成較大裂隙，造成工作面采空區(qū)與上覆采空區(qū)和地表貫通。22104工作面層位如圖1所示。

圖1 22104工作面層位

2 低氧原因分析

工作面回風(fēng)隅角低氧是多因素共同作用造成的，包括煤層賦存條件、自燃特性、工作面布置、氣候條件、通風(fēng)系統(tǒng)、采空區(qū)漏風(fēng)及工作面推進(jìn)速度等[4-9]，基于上述因素對(duì)上灣礦22104工作面低氧原因進(jìn)行分析研究。

對(duì)22104工作面回風(fēng)隅角及采空區(qū)內(nèi)部氣體情況通過(guò)束管采樣分析，利用氣相色譜分析確定低氧氣體主要組成部分，見(jiàn)表1，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析判定工作面低氧現(xiàn)象為N2濃度偏高導(dǎo)致。

表1 回風(fēng)隅角及采空區(qū)氣體分析 %

2.1 工作面回風(fēng)隅角氧氣濃度與氣壓及溫度的關(guān)系

通過(guò)收集22104工作面回風(fēng)隅角氧氣濃度變化實(shí)際數(shù)據(jù)，分析氧氣濃度變化與氣壓及溫度變化的相關(guān)關(guān)系，得到氣壓及溫度影響采空區(qū)低氧氣體涌出的相關(guān)規(guī)律。回風(fēng)隅角氧氣濃度隨大氣壓、溫度變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 回風(fēng)隅角氧氣濃度變化規(guī)律

根據(jù)圖2可知，0時(shí)至12時(shí)，氧氣濃度變化范圍為17%～18.3%，總體呈下降趨勢(shì)，同時(shí)段大氣壓先降后升，總體呈上升趨勢(shì)，溫度先下降后上升；12時(shí)至16時(shí)，氧氣濃度逐步下降，出現(xiàn)低氧現(xiàn)象，14時(shí)氧氣濃度達(dá)到最低值16.6%，同時(shí)段內(nèi)，大氣壓呈下降趨勢(shì)，壓降350Pa，溫度呈上升趨勢(shì)；17時(shí)起至24時(shí)氧氣濃度逐步上升達(dá)到17%以上，同時(shí)段內(nèi)大氣壓平穩(wěn)后呈上升趨勢(shì)，溫度呈下降趨勢(shì)。

根據(jù)上述分析，結(jié)合礦井實(shí)際情況，得到大氣溫度、大氣壓強(qiáng)與工作面低氧氣體涌出的關(guān)系：大氣溫度在一段時(shí)間內(nèi)整體升高時(shí)，會(huì)造成大氣壓強(qiáng)整體下降，由于工作面通風(fēng)與大氣聯(lián)通，使得工作面壓強(qiáng)隨之降低，造成工作面與采空區(qū)之間形成壓差，最終導(dǎo)致低氧氣體從采空區(qū)涌向工作面；低氧氣體涌出總量受壓差大小影響，當(dāng)大氣壓大幅降低，工作面靜壓也隨之降低，當(dāng)靜壓低于采空區(qū)壓力，采空區(qū)處于膨脹狀態(tài)，呈現(xiàn)出“呼”的狀態(tài)，隨之采空區(qū)內(nèi)低氧會(huì)涌入工作面，導(dǎo)致回風(fēng)隅角氧氣濃度降低，造成低氧現(xiàn)象及低氧事故。

2.2 低氧氣體來(lái)源及涌出原因

2.2.1 煤巖性質(zhì)

通過(guò)對(duì)22104采空區(qū)遺煤進(jìn)行氧化升溫實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化消耗氧氣產(chǎn)生大量低氧氣體。對(duì)煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，確定煤層所處CO2-N2瓦斯分帶，氮?dú)夂枯^高，破碎的煤及巖石中會(huì)持續(xù)解析出大量低氧氣體，同時(shí)低溫氧化及煤巖解析處的氣體使采空區(qū)內(nèi)的壓力升高，再加上地表裂隙從地表漏入的風(fēng)流及工作面通風(fēng)方式，從而使采空區(qū)內(nèi)的低氧氣體流出到工作面回風(fēng)隅角并積聚，從而導(dǎo)致該處的氣體濃度異?，F(xiàn)象。

2.2.2 大面積復(fù)合采空區(qū)

12煤與22煤層間距為33～42m，平均約38m，最薄處在22104切眼回風(fēng)側(cè)附近，隨著工作面的推進(jìn)造成本煤層采空區(qū)與上覆采空區(qū)貫通，形成復(fù)雜大面積復(fù)合采空區(qū)。

2.2.3 地表漏風(fēng)

上灣煤礦煤層埋藏淺，且煤層間距較近，在開(kāi)采擾動(dòng)下上覆巖層垮落，在煤層間和地表間產(chǎn)生大量裂隙。工作面上覆地表?yè)p毀嚴(yán)重，裂隙、沉降區(qū)域范圍較大且明顯，地表與工作面貫通，使工作面漏風(fēng)嚴(yán)重。通過(guò)在地表進(jìn)行SF6示蹤氣體釋放，在22104工作面回風(fēng)隅角接收，得出從地表漏入的風(fēng)流容易將上部12煤層及22煤層采空區(qū)內(nèi)的低氧氣體帶出，最終匯集到22104工作面上隅角導(dǎo)致氧氣濃度偏低。

2.2.4 大氣壓、溫度變化

通過(guò)分析22104工作面回風(fēng)隅角氧氣濃度變化與氣壓及溫度變化的相關(guān)關(guān)系，得到22104工作面低氧氣體涌出的原因有：大氣溫度升高導(dǎo)致大氣壓強(qiáng)下降，影響工作面壓強(qiáng)下降，從而導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)低氧氣體涌向工作面；煤層埋藏較淺，地表受采動(dòng)影響而發(fā)育的裂隙容易與采空區(qū)形成漏風(fēng)通道，加劇了采空區(qū)內(nèi)低氧氣體的產(chǎn)生，同時(shí)促進(jìn)其向工作面?zhèn)冗\(yùn)移。

2.2.5 開(kāi)采及通風(fēng)方式

工作面通風(fēng)及地表漏風(fēng)作用下采空區(qū)內(nèi)的低氧氣體會(huì)涌出到工作面，最終在回風(fēng)隅角匯集。臨近采空區(qū)與本采空區(qū)間由于采動(dòng)發(fā)育裂隙而形成的漏風(fēng)通道，可能存在氣體運(yùn)移導(dǎo)致本采空區(qū)內(nèi)低氧氣體量增加。另一方面，根據(jù)資料調(diào)研，22104工作面推進(jìn)速度約16m/d，導(dǎo)致頂板垮落不及時(shí)，在采空區(qū)內(nèi)聚集大量低氧氣體，當(dāng)采空區(qū)上覆頂板突然垮落時(shí)，將采空區(qū)內(nèi)儲(chǔ)存的低氧氣體突然涌出到工作面，也造成了回風(fēng)隅角氧氣濃度偏低。

3 均壓通風(fēng)低氧防治措施

針對(duì)工作面低氧問(wèn)題的治理，目前各個(gè)礦井根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況都采取了一系列措施[10-13]，取得良好的治理效果，其中均壓通風(fēng)在低氧治理方面效果顯現(xiàn)[14-18]?；诖嗽谏蠟车V22104工作面采取均壓通風(fēng)措施并分析其治理效果。

3.1 均壓通風(fēng)方案

上灣礦22104工作面上隅角低氧氣體主要來(lái)源于采空區(qū)內(nèi)低氧氣體涌出，是由漏風(fēng)通道兩端壓差造成的；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，采用“局部通風(fēng)機(jī)-調(diào)節(jié)風(fēng)窗”均壓通風(fēng)技術(shù)排除上隅角積聚的低氧氣體。為提高工作面風(fēng)壓，在工作面的進(jìn)風(fēng)巷安裝調(diào)壓風(fēng)機(jī)；在工作面的回風(fēng)巷設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗，風(fēng)機(jī)與風(fēng)窗之間的區(qū)域即為均壓系統(tǒng)的升壓區(qū)。風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)窗過(guò)風(fēng)口面積，控制升壓區(qū)內(nèi)風(fēng)壓大小，風(fēng)窗過(guò)風(fēng)口面積越小，區(qū)間內(nèi)風(fēng)壓值越大。均壓通風(fēng)技術(shù)就是通過(guò)改變通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的壓力分布，降低采空區(qū)漏風(fēng)通道兩端的壓差，從而減少采空區(qū)低氧氣體的涌出，抑制上隅角低氧氣體的積聚，確保工作面安全生產(chǎn)。

22104均壓工作面采用均壓風(fēng)機(jī)-調(diào)節(jié)風(fēng)窗聯(lián)合調(diào)壓，在22104輔運(yùn)入口設(shè)置雙向風(fēng)門3道，在22104回風(fēng)巷風(fēng)橋下風(fēng)側(cè)施工兩道4.0m×2.5m的調(diào)節(jié)風(fēng)窗，墻體為500mm厚的紅機(jī)磚砌體，在22104輔運(yùn)措施巷風(fēng)機(jī)硐室布置2×75kW均壓風(fēng)機(jī)4臺(tái)，具體布置方案如圖3所示。

圖3 均壓系統(tǒng)布置

依據(jù)《煤礦通風(fēng)能力核定標(biāo)準(zhǔn)》(AQ 1056—2008)，計(jì)算22104工作面需風(fēng)量為1766m3/min。根據(jù)風(fēng)量需求和工作風(fēng)壓，選擇四臺(tái)(兩用兩備)FBD-NO11.2型對(duì)旋軸流式風(fēng)機(jī)即可滿足工作面供風(fēng)要求，風(fēng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)機(jī)技術(shù)特征表

3.2 均壓效果分析

在22104綜采工作面未進(jìn)行均壓通風(fēng)前，由于本采空區(qū)與上覆采空區(qū)導(dǎo)通，大量低氧氣體涌入工作面，加之負(fù)壓通風(fēng)易將大量有毒有害氣體裹挾進(jìn)入工作面機(jī)尾及上隅角區(qū)域，造成大范圍、長(zhǎng)時(shí)間低氧。

針對(duì)此現(xiàn)象，在22104綜采工作面采用均壓通風(fēng)前后，上灣煤礦進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)采集工作，22104綜采工作面于2021年2月15日發(fā)生工作面機(jī)尾及隅角區(qū)域低氧，在未進(jìn)行均壓通風(fēng)前，機(jī)尾行人通道區(qū)域氧氣濃度隨地表氣溫變化和采空區(qū)呼吸現(xiàn)象變化明顯，且氧氣濃度均低于18%，最低值出現(xiàn)在13時(shí)42分，達(dá)到12.5%，在氧氣低于16%的情況下工作面人員全部撤離，由專職人員佩戴自救器監(jiān)測(cè)工作面隅角至行人通道氧氣變化。均壓前后前行回風(fēng)巷人通道氧氣濃度變化如圖4所示。

圖4 均壓前后前回風(fēng)巷行人通道氧氣濃度變化情況

在此過(guò)程中，工作面隅角至行人通道氧氣濃度隨地表氣溫升高逐漸降低，于午后11∶00后氧氣變化劇烈，由最初的17.0%迅速降低至12.5%；在氧氣降低至16%后，均壓風(fēng)機(jī)處于熱備狀態(tài)，啟用均壓通風(fēng)后，氧氣穩(wěn)步回升，由最低值的12.5%回升至18.5%。根據(jù)圖4氧氣變化數(shù)據(jù)顯示，啟用均壓通風(fēng)后，工作面機(jī)尾及隅角區(qū)域低氧情況得到明顯改善，均壓通風(fēng)在防治低氧氣體涌出和平衡采空區(qū)壓力等方面效果明顯。

3.3 其他低氧治理措施

1)氣壓引風(fēng)器稀釋，利用氣壓引風(fēng)器將空氣壓向需風(fēng)地點(diǎn)增加風(fēng)量稀釋有害氣體的濃度，增加風(fēng)流流動(dòng)速度以加快有害氣體稀釋速度。在綜采工作面回風(fēng)隅角安設(shè)一臺(tái)氣壓引風(fēng)器，使用壓風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)能為動(dòng)力源，有效提高回風(fēng)隅角處氧氣濃度。

2)在綜采面機(jī)尾最后3臺(tái)支架立柱前安設(shè)“L”型導(dǎo)風(fēng)簾，在機(jī)尾驅(qū)動(dòng)電機(jī)蓋板上安設(shè)“一”字型傾斜導(dǎo)風(fēng)簾，增加回風(fēng)隅角行人通道處風(fēng)量，提高空間氧氣濃度。

3)在工作面聯(lián)巷防火密閉處每隔500m設(shè)置泄壓管路，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)外壓差大或出現(xiàn)低氧現(xiàn)象時(shí)打開(kāi)泄壓管路，降低采空區(qū)內(nèi)外壓差，降低回風(fēng)隅角氣體涌出強(qiáng)度，減小低氧范圍及強(qiáng)度。

4)在綜采工作面回風(fēng)隅角處安設(shè)氣幕裝置，采用“八”字型發(fā)散式噴頭，當(dāng)壓風(fēng)管內(nèi)的新鮮風(fēng)流經(jīng)過(guò)噴頭時(shí)，噴頭噴出的新鮮氣體會(huì)全斷面的占據(jù)上隅角空間，不僅能隔斷采空區(qū)的氣體涌出，同時(shí)可起到稀釋有害氣體的作用。

上述治理措施經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施驗(yàn)證具有一定的可行性，對(duì)工作面低氧問(wèn)題起到了較好的治理效果。

4 結(jié) 論

1)通過(guò)分析，確定上灣礦22104工作面低氧氣體主要來(lái)源包括兩方面：煤層處于CO2-N2瓦斯分帶，煤體自身氮?dú)庹急群扛撸徊煽諈^(qū)遺煤氧化消耗氧氣導(dǎo)致采空區(qū)氮?dú)馍摺?/p>

2)造成22104工作面低氧的原因主要有：22煤層采空區(qū)與12煤層采空區(qū)貫通形成大面積復(fù)合采空區(qū)；地表漏風(fēng)；大氣溫度升高導(dǎo)致大氣壓強(qiáng)下降，影響工作面壓強(qiáng)下降，從而導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)低氧氣體涌向工作面；工作面通風(fēng)作用下將采空區(qū)內(nèi)的低氧氣引入到工作面；頂板垮落不及時(shí)。

3)通過(guò)在上灣煤礦22104綜采工作面實(shí)施均壓通風(fēng)措施，有效的治理了淺埋深、大面積連續(xù)性復(fù)合采空區(qū)工作面低氧的問(wèn)題，對(duì)均壓前后工作面氧氣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，顯示均壓后低氧情況得到明顯控制，為礦井安全生產(chǎn)提供了可靠保障。