淺埋煤層工作面上隅角低氧隱患形成規(guī)律及防治技術(shù)

苗宇岐，李 琨，辛 毅，趙強(qiáng)強(qiáng)

（山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

0 引言

我國(guó)煤炭資源賦存條件差異巨大，在煤層厚度和傾斜角度、埋藏深度及煤層層間距等方面表現(xiàn)出不同的特征。山西北部部分地區(qū)煤層賦存條件具有埋藏淺、煤層間距近的特點(diǎn)，容易出現(xiàn)遺煤自然發(fā)火、工作面上隅角低氧等問(wèn)題。

方保明[1]、劉永幫[2]等分別對(duì)錦界、郭家灣煤礦工作面低氧氣體的來(lái)源進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)由于煤層賦存處于氮?dú)狻趸紟?，采煤過(guò)程中產(chǎn)生大量高濃度氮?dú)庖约安煽諈^(qū)遺煤吸氧導(dǎo)致了回風(fēng)隅角低氧現(xiàn)象；潘榮錕[3]采用CDEM模擬軟件建立數(shù)學(xué)模型并通過(guò)六氟化硫示蹤氣體漏風(fēng)檢測(cè)驗(yàn)證，結(jié)果表明工作面嚴(yán)重漏風(fēng)是導(dǎo)致大恒煤礦出現(xiàn)低氧現(xiàn)象的主導(dǎo)因素；趙羅飛[4]對(duì)樸連塔煤礦工作面低氧現(xiàn)象進(jìn)行研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明低氧氣體的產(chǎn)生主要是由于采空區(qū)遺煤對(duì)氧氣的吸附造成的；王偉[5]針對(duì)大柳塔煤礦工作面低氧氣體的涌出原因，采取封堵采空區(qū)漏風(fēng)通道的措施，并安設(shè)局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽排，使上隅角氧氣濃度回升至安全標(biāo)準(zhǔn)之上；鹿文勇、程望收、遲寶鎖[6-9]等不約而同地采用均壓通風(fēng)技術(shù)，利用調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)、風(fēng)門(mén)等通風(fēng)設(shè)施對(duì)工作面實(shí)現(xiàn)增壓，抑制采空區(qū)內(nèi)低氧氣體涌出；金永飛[10]列舉了上隅角低氧現(xiàn)在的特征及常用的上隅角低氧治理技術(shù)方法，認(rèn)為目前仍存在低氧氣體在煤層裂隙、采空區(qū)中的運(yùn)移規(guī)律研究不足，導(dǎo)致上隅角低氧的各影響因素相關(guān)度尚不明確等問(wèn)題。

本文以沙坪煤業(yè)8 號(hào)煤層開(kāi)采為例，研究淺埋近距離煤層開(kāi)采工作面上隅角低氧及有毒有害氣體形成規(guī)律，并針對(duì)低氧氣體的成因提出相應(yīng)的防治技術(shù)，研究旨在解決上隅角低氧及有害氣體積聚的隱患，加強(qiáng)沙坪煤業(yè)整體安全技術(shù)，建立淺埋深煤層安全開(kāi)采示范工作面，同時(shí)為國(guó)內(nèi)外其它存在低氧現(xiàn)象礦井的防治工作提供有益的借鑒。

1 礦井概況

山西省晉神能源有限公司沙坪煤業(yè)地處山西黃土高原西北部，西臨黃河，為侵蝕性黃土、基巖低中山—丘陵地帶。屬溫帶半干旱大陸性季節(jié)氣候，一年四季分明，晝夜溫差大，冬春干旱多風(fēng)。

8 號(hào)煤層位于山西組上部，其上有自身的分叉煤層8上煤層，平均間距僅4.23 m，屬極近距離煤層。1818 綜采工作面位于8 號(hào)煤南翼采區(qū)，8 號(hào)煤回風(fēng)大巷以南，1817 采空區(qū)以西，火山煤礦采空區(qū)以東，東高西底，南正溝采空區(qū)以北。1818 工作面推采長(zhǎng)度為947 m，工作面長(zhǎng)度為216.5 m，面積20.5 萬(wàn)m2，采用U 型通風(fēng)方式。該礦屬低瓦斯礦井，8 號(hào)煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類自燃，煤塵有爆炸性。

2 上隅角低氧氣體來(lái)源

2.1 煤層原生賦存

煤層瓦斯地質(zhì)中，一般沿煤層垂向自上而下將煤層分為“二氧化碳—氮?dú)鈳А⒌獨(dú)鈳?、氮?dú)狻淄閹?、甲烷帶”四個(gè)帶。工作面出現(xiàn)低氧現(xiàn)象的煤層大多處于瓦斯分化帶內(nèi)的二氧化碳和氮?dú)鈳11-12]。可見(jiàn)煤層原生賦存的大量低氧氣體對(duì)上隅角低氧有著重要影響。

經(jīng)過(guò)煤樣氣體組分實(shí)驗(yàn)，沙坪煤業(yè)8 號(hào)煤層甲烷組分為16.92%～ 19.68%，二氧化碳組分為2.38%～3.12%，氮?dú)饨M分在77.94%～79.96%。煤層氣體組分中二氧化碳和氮?dú)夂空急瘸^(guò)80%，所以在采煤過(guò)程中煤體破碎會(huì)有大量的二氧化碳和氮?dú)馕龀觯龀龅幕旌蠚怏w在回風(fēng)隅角聚集，導(dǎo)致氧氣含量降低。

2.2 采煤活動(dòng)產(chǎn)生

煤是由各種富含碳、氫、氧元素的有機(jī)大分子物質(zhì)組成的混合物，采煤過(guò)程中煤層會(huì)吸附氧氣并產(chǎn)生CO 等有害氣體。煤巖受到剪切發(fā)生形變時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，割煤機(jī)械破碎煤體的瞬時(shí)高溫超過(guò)500℃，升溫使得煤體中的大分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，側(cè)鏈和官能團(tuán)在氧化作用下分解、斷裂，作用產(chǎn)生的氣體生成物中含有大量CO2、CO，有的擴(kuò)散到工作面，有的則被吸附在煤層中。

工作面氣體組分中CO 與O2濃度呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性，為了研究沙坪煤礦1818 綜采面采煤過(guò)程中的耗氧情況，每天早中晚班3 次在工作面進(jìn)風(fēng)端、支架和回風(fēng)隅角等地點(diǎn)進(jìn)行CO 濃度測(cè)定，其中早班為檢修班，中班和夜班為生產(chǎn)班，測(cè)定結(jié)果如圖1 所示。

圖1 1818 工作面生產(chǎn)與檢修期間CO濃度變化曲線Fig.1 The curve of CO concentration change during the production and maintenance in No.1818 Face

觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，CO 濃度從工作面1 號(hào)支架至回風(fēng)隅角逐漸升高，生產(chǎn)期間各支架與回風(fēng)隅角CO 濃度比檢修期間高15～ 20 ppm。CO 濃度的升高說(shuō)明在采煤過(guò)程中確實(shí)消耗了少量的氧氣，但這種體量不足以單獨(dú)導(dǎo)致低氧現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 采空區(qū)浮煤氧化引起

采空區(qū)浮煤在氧化過(guò)程中會(huì)吸附氧氣和釋放CO，即使是不產(chǎn)生高溫的狀態(tài)下，煤體的破碎斷裂也會(huì)產(chǎn)生大量的自由基，易與氧氣發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)碳氧化合物，不同性質(zhì)的煤在氧化升溫的過(guò)程中出現(xiàn)CO 的起始溫度不同，沙坪煤業(yè)8 號(hào)煤層屬于長(zhǎng)焰煤，在常溫狀態(tài)下就能夠吸附氧氣并釋放一定量的物理吸附熱，隨著煤體溫度的升高其吸氧量和CO 產(chǎn)生速率相應(yīng)增加，由物理吸附轉(zhuǎn)為化學(xué)吸附進(jìn)一步產(chǎn)生熱量，最終發(fā)生氧化反應(yīng)。因此浮煤的低溫氧化是自我促進(jìn)的過(guò)程，反應(yīng)過(guò)程的速率依次遞增。

實(shí)際上采煤機(jī)割落的碎煤、上覆和本煤層采空區(qū)內(nèi)的浮煤以及暴露的煤壁裂隙都有可能在常溫的條件下和空氣中的氧氣緩慢氧化，消耗氧氣的同時(shí)產(chǎn)生CO2、CO 等氣體，采空區(qū)的浮煤是其中的主要來(lái)源。

2.4 其它來(lái)源

2.4.1 井下爆破

沙坪煤業(yè)礦井生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)會(huì)涉及爆破作業(yè)，炸藥爆炸是一種劇烈的氧化過(guò)程，產(chǎn)生的氣體以水蒸氣、二氧化碳、氮?dú)鉃橹?，以及少量的氫、一氧化碳、氧化氮等。一些特殊炸藥的爆生氣體還含有硫化氫、二氧化硫、氯化氫。1 kg 工業(yè)炸藥的氣體生成總量為600～ 800 L，其中水蒸氣200～500 L，二氧化碳50～250 L，氮?dú)?0～250 L。一次井下爆破有可能造成小范圍局部區(qū)域氧濃度降低，但沙坪煤業(yè)爆破作業(yè)次數(shù)少、用量低、管理規(guī)范，不會(huì)影響上隅角乃至工作面的氧氣濃度。

2.4.2 膠輪車尾氣

沙坪煤業(yè)井下輔助運(yùn)輸采用無(wú)軌膠輪車，膠輪車使用燃料為柴油，經(jīng)多次檢測(cè)沙坪煤業(yè)膠輪車產(chǎn)生的尾氣中CO 含量均不高于500 ppm。礦井嚴(yán)格控制每班入井車輛的數(shù)量，膠輪車排放的尾氣不足以造成工作面CO 超限或低氧現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4.3 地面風(fēng)流

地面風(fēng)流中若出現(xiàn)氧濃度降低的現(xiàn)象，原因可能是礦井附近化工企業(yè)或居民燃燒煤炭排放到大氣中的二氧化碳?xì)怏w。經(jīng)檢測(cè)沙坪煤業(yè)礦井進(jìn)風(fēng)流中的氧氣含量為20.95%，二氧化碳含量為0.04%，處于正常水平。

因此針對(duì)沙坪煤礦的生產(chǎn)特點(diǎn)并結(jié)合工作面回風(fēng)隅角低氧氣體來(lái)源分析，1818 工作面上隅角低氧現(xiàn)象主要是煤層原生賦存和采空區(qū)浮煤常溫氧化引起的。

3 采空區(qū)氣體分布規(guī)律研究

在開(kāi)采8 號(hào)煤層時(shí)，8上煤層為近距離開(kāi)采煤層。上覆巖層受采動(dòng)影響易產(chǎn)生裂縫，這些漏風(fēng)通道不僅是自燃火災(zāi)的隱患，同時(shí)受采動(dòng)影響，有毒有害氣體勢(shì)必會(huì)下泄至下部煤層工作面，從而導(dǎo)致上隅角出現(xiàn)低氧問(wèn)題，給工作面安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重的威脅。因此設(shè)計(jì)在8 號(hào)煤層工作面回采過(guò)程中檢測(cè)上覆8上號(hào)煤層采空區(qū)氣體分布和變化情況，可為分析工作面有毒有害氣體來(lái)源、漏風(fēng)規(guī)律。

針對(duì)沙坪煤業(yè)8 號(hào)煤綜采工作面，對(duì)運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽均敷設(shè)8 路束管。膠運(yùn)、回風(fēng)順槽上、下隅角支架后部各鋪設(shè)3 根直徑為8 mm 的束管，上下順槽同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，兩順槽束管采用鋼管或角鋼作保護(hù)套管，埋入采空區(qū)的束管管口取樣點(diǎn)處，范圍大約距工作面25～ 200 m，每25 m 設(shè)置1 個(gè)測(cè)定采空區(qū)氣體成分的測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖2 所示，每天監(jiān)測(cè)采空區(qū)后方氣體并記錄，直至進(jìn)入窒息帶為止。

圖2 8 上號(hào)煤層采空區(qū)氣體監(jiān)測(cè)鉆孔布置示意Fig.2 The layout of gas monitoring boreholes in goaf of No.8 up coal seam

針對(duì)8上號(hào)煤采空區(qū)的敷設(shè)，在1818 進(jìn)回風(fēng)順槽內(nèi)頂板處分別向8上煤層采空區(qū)布置布置8 個(gè)間距25 m 的鉆孔，位置如圖3 所示，分別編號(hào)為①～⑧，然后向這8 個(gè)鉆孔敷設(shè)8 路束管，每天進(jìn)行氣體采樣和色譜分析，直至無(wú)法采集為止，同時(shí)在回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽的巷道頂板處各布置3 路束管，測(cè)定工作面后方采空區(qū)的氣體濃度，分別記為1～8 和Ⅰ～Ⅷ，每日記錄數(shù)據(jù)。

圖3 1818 工作面測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.3 Layout of measuring points in No.1818 Face

圖4 8 煤上覆采空區(qū)氣體濃度距工作面距離的變化圖Fig.4 The change of the distance between the gas concentration in the overlying goaf of No.8 coal and the working face

圖5 1818 工作面各測(cè)點(diǎn)CO、O2 濃度變化圖Fig.5 Variation of CO and O2 concentration at each measuring point in No.1818 Face

O2濃度從工作面前方200 m 到工作面前方約25 m 處緩慢增長(zhǎng)，是因?yàn)槭懿蓜?dòng)影響煤層頂板破裂，8 號(hào)煤層回風(fēng)順槽的風(fēng)流會(huì)順著頂板裂隙向上覆采空區(qū)漏風(fēng)，從25 m 開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，一直增長(zhǎng)到工作面后方采空區(qū)25 m 左右，因?yàn)楣ぷ髅媲胺?5 m 內(nèi)受采動(dòng)影響劇烈，漏風(fēng)更加嚴(yán)重，越靠近工作面裂隙越寬，漏風(fēng)越嚴(yán)重，之后迅速下降是因?yàn)槭艿乇砺╋L(fēng)影響上覆采空區(qū)的氣體會(huì)被漏風(fēng)帶到下煤層采空區(qū)；CO 的產(chǎn)生主要是由8 號(hào)煤上覆采空區(qū)煤氧反應(yīng)產(chǎn)生的，所以與氧濃度變化趨勢(shì)基本一致；8 號(hào)煤上覆采空區(qū)CH4 濃度從工作面前方200 m 的到工作面后方采空區(qū)25 m 的增長(zhǎng)的原因是8 號(hào)煤層回風(fēng)順槽的風(fēng)流會(huì)順著頂板裂隙向上覆采空區(qū)漏風(fēng)，使下煤層高濃度CH4向上覆采空區(qū)運(yùn)移導(dǎo)致的；而高濃度的CO2濃度，工作面前方160 m 處近5%，會(huì)順著頂板裂隙向下煤層泄露，當(dāng)?shù)竭_(dá)工作面前方約25 m 處，因?yàn)榇藭r(shí)CO2濃度較低，因?yàn)樯细膊煽諈^(qū)遺煤的煤氧反應(yīng)，濃度開(kāi)始緩慢增加，進(jìn)入采空區(qū)后方25 m，CO2、CH4也因?yàn)榈乇砺╋L(fēng)影響，上覆采空區(qū)的氣體（CO2、CH4、CO 等氣體）也會(huì)被地表漏風(fēng)帶到下煤層采空區(qū)中。

在1818 工作面相鄰30 m 布置6 個(gè)測(cè)點(diǎn)0、36、72、108、144、180 號(hào)，記為a～f，采用手持式抽氣泵抽氣到氣體采集袋中，同時(shí)采集上隅角上、中的氣體，記做1-1、1-2，利用色譜儀對(duì)氣體成分和濃度進(jìn)行分析，每天記錄一次。

設(shè)備檢修時(shí)，1818 工作面回采過(guò)程中上隅角上部CO 濃度約14～20 ppm，上隅角中部約7～15 ppm，上隅角上部CO 濃度明顯大于中部。受每日溫度變化影響，CO 濃度上下波動(dòng)明顯，最高22 ppm，最低14 ppm，1818 工作面在a、c、f 測(cè)點(diǎn)CO 濃度較高，O2濃度較低，在此處存在漏風(fēng)通道較多。

綜上所述，8 號(hào)煤層工作面支架后普遍存在漏風(fēng)通道，采空區(qū)內(nèi)富含的CO，CO2，CH4等氣體通過(guò)工作面的漏風(fēng)通道從采空區(qū)涌出到工作面，然后通過(guò)風(fēng)流匯集到上隅角，導(dǎo)致上隅角有毒有害氣體含量較大，氧氣濃度降低。

4 低氧隱患治理措施

4.1 漏風(fēng)通道封堵

4.1.1 地表堵漏

通過(guò)地面漏風(fēng)測(cè)定，證實(shí)沙坪煤礦確實(shí)存在地面漏風(fēng)現(xiàn)象，且漏風(fēng)速率比較快，最大漏風(fēng)速率達(dá)到12.9 m/min。同時(shí)可以看出，漏風(fēng)速度變化范圍較大，這表明漏風(fēng)通道比較多，漏風(fēng)通道比較復(fù)雜。工作面后方采空區(qū)束管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在采空區(qū)后方30～50 m，O2濃度在15%左右，這也充分證明地面與井下存在比較嚴(yán)重的漏風(fēng)現(xiàn)象。應(yīng)及時(shí)對(duì)地表采空區(qū)裂隙進(jìn)行回填封堵，并定期對(duì)已回填采空區(qū)的裂隙進(jìn)行探測(cè)，發(fā)現(xiàn)裂隙時(shí)進(jìn)行二次回填。沙坪煤業(yè)制定了礦井地表裂隙填埋處理措施，減少漏風(fēng)通道。

4.1.2 工作面堵漏

隨著工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)頂板垮落必然造成大范圍內(nèi)煤層發(fā)育細(xì)小裂隙，構(gòu)成漏風(fēng)通道，這種現(xiàn)象在采空區(qū)邊緣尤為明顯。工作面漏風(fēng)也會(huì)向采空區(qū)的浮煤提供氧氣，加劇浮煤的氧化。

通過(guò)穩(wěn)定釋放SF6 示蹤氣體，檢測(cè)1818 綜采工作面煤層裂隙發(fā)育狀況，查找漏風(fēng)通道。結(jié)果表明測(cè)定范圍內(nèi)的總漏風(fēng)量為165.40 m3/min，實(shí)際漏風(fēng)率在10.77%。進(jìn)風(fēng)巷道漏風(fēng)量較小，采空區(qū)和回風(fēng)巷是主要漏風(fēng)通道，漏風(fēng)率分別為3.31%和6.73%。

沙坪煤業(yè)是淺埋深煤層，上述研究表明溝通地面與上覆采空區(qū)的地表裂隙是影響1818 綜采工作面的主要漏風(fēng)通道，其次還存在來(lái)自于采空區(qū)和回風(fēng)巷的內(nèi)部漏風(fēng)。針對(duì)上述提到的主要漏風(fēng)通道，采取有效的堵漏措施，減少風(fēng)流通過(guò)漏風(fēng)通道，可以從根本處上切斷供氧源，抑制1818 綜采工作面本煤層、上覆以及鄰近采空區(qū)內(nèi)的浮煤發(fā)生氧化，減少低氧氣體的產(chǎn)生。

4.2 優(yōu)化通風(fēng)管理

（1）穩(wěn)定工作面通風(fēng)系統(tǒng)。

工作面下行通風(fēng)時(shí)進(jìn)風(fēng)路線上沒(méi)有輸送機(jī)上煤塵的飛揚(yáng)，同時(shí)避免輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所散發(fā)的熱量，對(duì)工作面作業(yè)有利。但下行通風(fēng)方式隨著氣候的變化影響較大，風(fēng)流穩(wěn)定性差，且低氧氣體自然流動(dòng)方向與風(fēng)流方向相反，使工作面低氧氣體濃度增加，不利于工作面低氧防治工作。有條件時(shí)工作面可采用上行通風(fēng)方式，對(duì)減少采空區(qū)漏風(fēng)有一定的作用。

（2）工作面合理配風(fēng)。

1818 綜采工作面漏風(fēng)通道條件穩(wěn)定不變的情況下，負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)中采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度與工作面供風(fēng)量的平方成正比，因此，在保證通風(fēng)安全的前提下適當(dāng)減少工作面風(fēng)量可以降低采空區(qū)漏風(fēng)，從而減少采空區(qū)浮煤氧化產(chǎn)生的低氧氣體涌出。

（3）工作面上下隅角堵漏。

為防止采空區(qū)內(nèi)低氧氣體大量涌出，工作面上下隅角采取增阻的措施，必要時(shí)進(jìn)行砌筑袋墻封堵，減少采空區(qū)漏風(fēng)，進(jìn)而減少采空區(qū)有害氣體涌出。每天砌筑一道厚度1 m 的袋墻。

（4）調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)通風(fēng)壓力。

通過(guò)采空區(qū)氣體分布規(guī)律分析，低氧現(xiàn)象主要為上覆及鄰近采空區(qū)低氧氣體在通風(fēng)負(fù)壓作用下涌入現(xiàn)采工作面上隅角和回風(fēng)巷導(dǎo)致的。根據(jù)采空區(qū)低氧氣體涌出原因，可在工作面回風(fēng)巷設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，改變采空區(qū)流場(chǎng)以減少采空區(qū)低氧氣體涌出，另外也可以在相鄰工作面聯(lián)巷密閉安設(shè)泄壓裝置進(jìn)行泄壓，可減少低氧氣體對(duì)回風(fēng)隅角的影響，同時(shí)應(yīng)密切觀測(cè)密閉內(nèi)外壓差及管內(nèi)氧氣濃度的變化，及時(shí)調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)通風(fēng)壓力。

5 結(jié)論

（1）沙坪煤業(yè)綜采面上隅角低氧氣體來(lái)源有煤層原生賦存、采空區(qū)浮煤氧化、膠輪車尾氣、采煤作業(yè)破碎煤體等，其中煤層原生賦存、采空區(qū)浮煤低溫氧化是主要來(lái)源。

（2）上隅角低氧的主要原因是地表裂隙供給的氧氣使上覆煤層采空區(qū)的浮煤氧化，生成大量低氧氣體通過(guò)進(jìn)入8 號(hào)煤層采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)的低氧氣體再通過(guò)工作面的漏風(fēng)通道從采空區(qū)帶到工作面，然后通過(guò)風(fēng)流匯集到上隅角，導(dǎo)致有毒有害氣體在上隅角積聚，氧氣濃度降低。

（3）利用SF6 示蹤氣體對(duì)1818 綜采工作面的內(nèi)外漏風(fēng)通道進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明工作面總漏風(fēng)量為165.40 m3/min，實(shí)際漏風(fēng)率在10.77%，采空區(qū)和回風(fēng)巷是礦井內(nèi)部主要的漏風(fēng)地點(diǎn)。

（4）根據(jù)沙坪煤礦工作面實(shí)際情況，提出了井上下封堵漏風(fēng)通道和優(yōu)化通風(fēng)管理方面的措施，可有效抑制采空區(qū)浮煤氧化以及阻斷低氧氣體的運(yùn)移路徑，防止工作面上隅角有害氣體積聚和低氧現(xiàn)象的發(fā)生。