顧 沖

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003）

同煤集團(tuán)部分礦井綜采工作面回采過程中回風(fēng)隅角出現(xiàn)氧氣濃度低于19.5%[1]的現(xiàn)象，威脅此區(qū)域工作人員生命安全。如何有效的消除綜采工作面回風(fēng)隅角低氧隱患，需要對(duì)綜采工作面回風(fēng)隅角低氧形成原因進(jìn)行分析。綜采工作面回風(fēng)隅角低氧環(huán)境是由煤層賦存條件、煤層自燃特性、工作面布置、采煤工藝、通風(fēng)系統(tǒng)、采空區(qū)漏風(fēng)及工作面推進(jìn)速度等多種因素綜合作用的結(jié)果。要徹底解決采煤工作面回風(fēng)隅角低氧問題，需分析低氧產(chǎn)生的具體原因，有針對(duì)性的制定專項(xiàng)低氧治理措施，解決綜采面回風(fēng)隅角低氧隱患。

1 工作面概況

馬道頭礦8404工作面主采石炭二疊系5（3-5）號(hào)煤層，煤層賦存穩(wěn)定，平均傾角為4°，煤層厚度10.89～24.58 m，平均18.61 m，屬特厚煤層。工作面開采標(biāo)高在+1 134 m～+1 235 m之間。5（3-5）號(hào)煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ，最短自然發(fā)火期為83天；煤塵具有爆炸性。8404工作面采用“U”型通風(fēng)。工作面走向長(zhǎng)4 137 m，傾斜長(zhǎng)220 m，機(jī)采高度3.9 m，平均放煤高度為14.71 m。采煤方法為單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤開采，采用自然垮落法管理采空區(qū)。該工作面進(jìn)風(fēng)量2 527 m3/min、回風(fēng)量2 622 m3/min、采空區(qū)注氮量1 726 m3/h。

8404工作面四鄰均為實(shí)煤區(qū)，對(duì)應(yīng)上部無采空區(qū)。8404采煤工作面布置見圖1。

圖1 8404采煤工作面布置

2 回風(fēng)隅角低氧原因及治理

為了掌握綜放工作面回風(fēng)隅角氧氣濃度與綜采面安全通道寬度等參數(shù)之間的關(guān)系，項(xiàng)目組2019年7月10日—7月22日在馬道頭礦8404綜放工作面回風(fēng)隅角設(shè)置測(cè)點(diǎn)，對(duì)各測(cè)點(diǎn)氧氣濃度進(jìn)行了測(cè)定，隨后對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，得出造成低氧隱患的原因，以此為依據(jù)，提出了有效防治低氧隱患的措施。

2.1 原因分析

（1）工作面主要?dú)怏w成分為氮?dú)?。?404工作面取煤樣進(jìn)行化驗(yàn)分析，煤層氣體組成成分如下；氮?dú)獬煞譃?2.51%～96.31%，平均94.65%，二氧化碳成分為0%～1.81%，平均1.02%，甲烷成分為2.14%～6.51%，平均4.19%。

（2）工作面煤層氧化耗氧量較大，5（3-5）號(hào)煤層經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，自身耗氧量為0.7 cm3/g,由于采煤工作面長(zhǎng)度較長(zhǎng)，機(jī)道寬度較大，底板浮煤、煤壁以及采空區(qū)浮煤等與空氣接觸面隨之增大。

（3）工作面放頂煤作業(yè)時(shí)二氧化碳涌出量增加，（平均絕對(duì)涌出量為3.25 m3/min）。尤其在尾部30架范圍內(nèi)，后部溜子尾影響通風(fēng)斷面，致使通風(fēng)風(fēng)流不暢，不能有效的排除和稀釋二氧化碳和涌出的氮?dú)饬?；工作面靠尾部支架后擺梁在巷道壓力的作用及老塘側(cè)垮落煤巖擠壓的影響下，導(dǎo)致后擺梁不能升到預(yù)定高度或尾部過渡架錯(cuò)架期間漏煤的影響，造成通風(fēng)斷面減小以及頭、尾端頭里段頂板未及時(shí)垮落造成采空區(qū)漏風(fēng)加大；回采工作組織不合理導(dǎo)致支架或前后溜串尾或煤壁炸幫，導(dǎo)致回風(fēng)隅角安全通道寬度不夠影響風(fēng)流正常流動(dòng)；以及采空區(qū)頂板異常冒落時(shí)，造成采空區(qū)內(nèi)氣體大量涌出。

（4）工作面回采過程中煤層釋放出大量氮?dú)?。工作面在回采過程中，煤層固體結(jié)構(gòu)遭到破壞，煤層氣體由吸附狀態(tài)變?yōu)橛坞x狀態(tài)，以氮?dú)鉃橹鞯拿簩託怏w大量涌出，在工作面風(fēng)流負(fù)壓的作用下，向上隅角位置聚集，由于工作面回風(fēng)隅角通風(fēng)負(fù)壓作用較小，風(fēng)流大部為層流狀態(tài)，形成渦流區(qū)域[2]，不能有效的排除有害氣體。

（5）向采空區(qū)注氮?dú)饨档土搜鯕夂?。為了防治采空區(qū)遺煤自然發(fā)火，向采空區(qū)大量注氮也是回風(fēng)隅角低氧的原因之一。

回風(fēng)隅角立體空間內(nèi)氧濃度分布測(cè)定及對(duì)比見表1。

經(jīng)實(shí)際測(cè)定，8404工作面回風(fēng)隅角在一定空間范圍內(nèi)氧氣濃度分布是不均衡的，同時(shí)在機(jī)組下尾割煤后及老塘垮落效果不佳時(shí)，后溜子尾通風(fēng)斷面受到影響，也會(huì)對(duì)回風(fēng)隅角空氣氧含量造成影響。具體數(shù)據(jù)見表1（寬度、高度均為回風(fēng)隅角區(qū)域數(shù)值）。

表1 8404工作面回風(fēng)隅角立體空間內(nèi)氧濃度分布測(cè)定

回風(fēng)隅角立體空間內(nèi)氧氣濃度在各項(xiàng)參數(shù)變化情況下的對(duì)比曲線（曲線部分為高度，以下同）見圖2、圖3、圖4、圖5。

圖2 射流器正常運(yùn)轉(zhuǎn)（左圖）、停運(yùn)（右圖）、支架后擺梁高度在0.6 m左右、機(jī)組未下尾割煤

圖3 射流器正常運(yùn)行（左圖）、停運(yùn)（右圖）時(shí)，后溜斷面受到影響、機(jī)組未下尾割煤、后擺梁未升至0.6 m

圖4 射流器正常運(yùn)行（左圖）、停運(yùn)（右圖）時(shí)，機(jī)組下尾割煤

圖5 射流器正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)（左圖），采空區(qū)存在漏風(fēng)通道；安全通道寬度一定時(shí)（右圖），后溜尾至前溜尾段氧氣濃度變化

2.2 回風(fēng)隅角低氧范圍確定

根據(jù)8404工作面回采期間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)定結(jié)果并作圖分析，可初步得出以下結(jié)論：

（1）8404綜放工作面回風(fēng)隅角區(qū)域采空區(qū)側(cè)屬于層流區(qū)和過渡區(qū)，風(fēng)流不穩(wěn)定，由采空區(qū)側(cè)向回風(fēng)巷口，氧濃度呈上升趨勢(shì)。

（2）回風(fēng)隅角區(qū)域氧氣濃度隨安全通道寬度變化而變化，并且在立體空間內(nèi)氧氣分布不均，回風(fēng)隅角氧氣濃度隨安全通道寬度及高度變化呈拋物線型，回風(fēng)隅角寬度在1.5～2 m、高度在1.5～1.8 m立體空間范圍內(nèi)氧氣濃度最大。

（3）在安全通道寬度一定時(shí)，當(dāng)后溜子尾通風(fēng)斷面受到影響、機(jī)組下尾及采空區(qū)存在漏風(fēng)通道時(shí)，回風(fēng)隅角立體空間內(nèi)氧氣濃度基本呈整體下降趨勢(shì)。

（4）通過測(cè)定數(shù)據(jù)對(duì)比，在未使用射流器情況下回風(fēng)隅角立體空間中間區(qū)域氧濃度有所下降（0.3%～0.4%左右），但邊緣區(qū)域變化不明顯。

（5）采空區(qū)頂板異?？缏?，會(huì)造成回風(fēng)隅角立體空間內(nèi)氧濃度整體間歇性下降。

2.3 治理措施

針對(duì)以上原因，采取針對(duì)性措施，具體如下

（1）采空區(qū)鉆孔泄壓。采空區(qū)空氣壓力高于工作面壓力是低氧發(fā)生的主要原因。采空區(qū)混合氣體（瓦斯、氮?dú)獾鹊脱鯕怏w）在流場(chǎng)的作用下流向回風(fēng)隅角，導(dǎo)致回風(fēng)隅角低氧。因此合理降低采空區(qū)壓力是治理低氧的有效手段。鉆孔泄壓指在臨近巷道施工通向采空區(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)及時(shí)開啟控制閥門，使采空區(qū)內(nèi)的氣體溢出，降低采空區(qū)內(nèi)的壓力。

（2）利用抽放系統(tǒng)在回風(fēng)隅角抽放瓦斯。利用瓦斯抽放系統(tǒng)的抽放負(fù)壓改變回風(fēng)隅角氣體流場(chǎng)，使回風(fēng)隅角局部區(qū)域風(fēng)流向采空區(qū)方向流動(dòng)。

（3）在回風(fēng)隅角區(qū)域設(shè)置導(dǎo)風(fēng)風(fēng)筒。利用主扇負(fù)壓，將回風(fēng)隅角低氧氣體通過導(dǎo)風(fēng)風(fēng)筒引流至回風(fēng)大巷，以減少回風(fēng)隅角低氧氣體涌出。

（4）通過兩巷封堵漏風(fēng)減少回風(fēng)隅角低氧氣體涌出，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控措施及時(shí)調(diào)整治理方案等治理綜合措施，逐步消除采煤工作面低氧問題。

（5）要求工作面最后一個(gè)支架距煤壁距離控制在1.5～2 m左右。同時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)后溜子尾通風(fēng)通道管理、機(jī)組下尾割煤時(shí)風(fēng)流流場(chǎng)異常擾動(dòng)時(shí)的管理，以及端頭退錨、端頭封堵措施的落實(shí)。

（6）加快回采進(jìn)度降低采空區(qū)遺煤氧化時(shí)間。推行“快掘、快安、快采、快撤、快閉”的技術(shù)理念，將傳統(tǒng)的散熱帶、氧化帶、窒息帶“三帶”轉(zhuǎn)變成散熱帶、窒息帶“兩帶”；工作面回采期間向采空區(qū)噴灑阻化劑，使阻化劑在遺煤的外表面形成一層致密氧化膜，而將煤的外表面封閉、堵塞供給空氣的通路，降低采空區(qū)遺煤與氧氣的接觸面積，減少采空區(qū)氧氣的消耗。

（7）優(yōu)化注氮工藝。合理調(diào)整注氮流量和注氮管路末端位置，既保證注氮防火效果又確保高濃度氮?dú)獠挥砍鲋凉ぷ髅胬鋮s帶或工作面，始終處于采空區(qū)的氧化帶內(nèi)。

3 結(jié)語

通過綜合防治措施的實(shí)施，馬道頭礦8404面回風(fēng)隅角低氧發(fā)生次數(shù)從每月約10次下降到2次左右，有效的保證了工作面的安全生產(chǎn)。

要徹底解決礦井綜采工作面回風(fēng)隅角低氧隱患，必須根據(jù)目前在治理低氧方面取得的經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)堅(jiān)持源頭把控及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施管控同步發(fā)力，綜合采用采空區(qū)抽放改變低氧區(qū)流場(chǎng)、優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)、改造端頭支架、合理工作面支架布置、優(yōu)化注氮工藝和密集施工封堵工程等措施，加強(qiáng)對(duì)工作面低氧的治理。