王桂林，趙晉伯，侯開達，張嚴文

(1.國能神東煤炭集團上灣煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017209；2.中國礦業(yè)大學(北京) 應急管理與安全工程學院，北京 100083)

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

在工作面低氧問題研究上，張立輝[1]針對補連塔煤礦22306綜采工作面在回采過程中發(fā)生的低氧現(xiàn)象，研究了導致低氧的原因，根據(jù)測定可將低氧范圍分為回風隅角低氧區(qū)、機尾低氧區(qū)和工作面低氧區(qū)3種，為低氧區(qū)域治理提供指導。在通風系統(tǒng)方面，根據(jù)實際條件采用“U+L”型、“Y”型或均壓通風系統(tǒng)[2，3]。從開采、安全監(jiān)測以及通風系統(tǒng)等方面綜合分析低氧防治措施，對低氧防治具有指導意義。

在之前低氧研究的基礎上針對上灣礦22104工作面低氧問題，本文通過對低氧來源及涌出原因研究，分析大氣壓、溫度對低氧氣體涌出規(guī)律影響。提出均壓通風措施治理工作面低氧問題，對均壓實施前后工作面氧氣數(shù)據(jù)進行分析，驗證均壓通風措施對低氧治理的有效性，為神東礦區(qū)低氧治理提供技術指導。

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，在掘進期間已對上覆采空區(qū)進行了探放水工作。工作面沿煤層走向布置，沿傾向推進。工作面長330m，推進長度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，工作面地面標高1164～1260m，煤層底板標高1045.55～1074.44m，松散層厚度約0～40m，上覆基巖厚度為72～166m，工作面地質儲量1123.52萬t，預計回采煤量1098.63萬t，預計工作面正常涌水量200m3/h，最大涌水量400m3/h。根據(jù)22102、22103工作面經(jīng)驗，在回采過程中由于工作面老頂來壓，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、通風系統(tǒng)、采空區(qū)漏風及工作面推進速度等[4-9]，基于上述因素對上灣礦22104工作面低氧原因進行分析研究。

對22104工作面回風隅角及采空區(qū)內部氣體情況通過束管采樣分析，利用氣相色譜分析確定低氧氣體主要組成部分，見表1，基于實測數(shù)據(jù)分析判定工作面低氧現(xiàn)象為N2濃度偏高導致。

表1 回風隅角及采空區(qū)氣體分析 %

2.1 工作面回風隅角氧氣濃度與氣壓及溫度的關系

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

圖2 回風隅角氧氣濃度變化規(guī)律

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

根據(jù)上述分析，結合礦井實際情況，得到大氣溫度、大氣壓強與工作面低氧氣體涌出的關系：大氣溫度在一段時間內整體升高時，會造成大氣壓強整體下降，由于工作面通風與大氣聯(lián)通，使得工作面壓強隨之降低，造成工作面與采空區(qū)之間形成壓差，最終導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，當大氣壓大幅降低，工作面靜壓也隨之降低，當靜壓低于采空區(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)內低氧會涌入工作面，導致回風隅角氧氣濃度降低，造成低氧現(xiàn)象及低氧事故。

2.2 低氧氣體來源及涌出原因

2.2.1 煤巖性質

通過對22104采空區(qū)遺煤進行氧化升溫實驗，結果表明采空區(qū)內遺煤氧化消耗氧氣產(chǎn)生大量低氧氣體。對煤層瓦斯基礎參數(shù)進行測定，確定煤層所處CO2-N2瓦斯分帶，氮氣含量較高，破碎的煤及巖石中會持續(xù)解析出大量低氧氣體，同時低溫氧化及煤巖解析處的氣體使采空區(qū)內的壓力升高，再加上地表裂隙從地表漏入的風流及工作面通風方式，從而使采空區(qū)內的低氧氣體流出到工作面回風隅角并積聚，從而導致該處的氣體濃度異?，F(xiàn)象。

2.2.2 大面積復合采空區(qū)

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

2.2.3 地表漏風

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

2.2.4 大氣壓、溫度變化

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

2.2.5 開采及通風方式

工作面通風及地表漏風作用下采空區(qū)內的低氧氣體會涌出到工作面，最終在回風隅角匯集。臨近采空區(qū)與本采空區(qū)間由于采動發(fā)育裂隙而形成的漏風通道，可能存在氣體運移導致本采空區(qū)內低氧氣體量增加。另一方面，根據(jù)資料調研，22104工作面推進速度約16m/d，導致頂板垮落不及時，在采空區(qū)內聚集大量低氧氣體，當采空區(qū)上覆頂板突然垮落時，將采空區(qū)內儲存的低氧氣體突然涌出到工作面，也造成了回風隅角氧氣濃度偏低。

3 均壓通風低氧防治措施

針對工作面低氧問題的治理，目前各個礦井根據(jù)現(xiàn)場情況都采取了一系列措施[10-13]，取得良好的治理效果，其中均壓通風在低氧治理方面效果顯現(xiàn)[14-18]。基于此在上灣礦22104工作面采取均壓通風措施并分析其治理效果。

3.1 均壓通風方案

上灣礦22104工作面上隅角低氧氣體主要來源于采空區(qū)內低氧氣體涌出，是由漏風通道兩端壓差造成的；結合現(xiàn)場情況，采用“局部通風機-調節(jié)風窗”均壓通風技術排除上隅角積聚的低氧氣體。為提高工作面風壓，在工作面的進風巷安裝調壓風機；在工作面的回風巷設置調節(jié)風窗，風機與風窗之間的區(qū)域即為均壓系統(tǒng)的升壓區(qū)。風機運轉后，通過調節(jié)風窗過風口面積，控制升壓區(qū)內風壓大小，風窗過風口面積越小，區(qū)間內風壓值越大。均壓通風技術就是通過改變通風系統(tǒng)內的壓力分布，降低采空區(qū)漏風通道兩端的壓差，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機-調節(jié)風窗聯(lián)合調壓，在22104輔運入口設置雙向風門3道，在22104回風巷風橋下風側施工兩道4.0m×2.5m的調節(jié)風窗，墻體為500mm厚的紅機磚砌體，在22104輔運措施巷風機硐室布置2×75kW均壓風機4臺，具體布置方案如圖3所示。

圖3 均壓系統(tǒng)布置

依據(jù)《煤礦通風能力核定標準》(AQ 1056—2008)，計算22104工作面需風量為1766m3/min。根據(jù)風量需求和工作風壓，選擇四臺(兩用兩備)FBD-NO11.2型對旋軸流式風機即可滿足工作面供風要求，風機參數(shù)見表2。

表2 風機技術特征表

3.2 均壓效果分析

在22104綜采工作面未進行均壓通風前，由于本采空區(qū)與上覆采空區(qū)導通，大量低氧氣體涌入工作面，加之負壓通風易將大量有毒有害氣體裹挾進入工作面機尾及上隅角區(qū)域，造成大范圍、長時間低氧。

針對此現(xiàn)象，在22104綜采工作面采用均壓通風前后，上灣煤礦進行了大量的數(shù)據(jù)采集工作，22104綜采工作面于2021年2月15日發(fā)生工作面機尾及隅角區(qū)域低氧，在未進行均壓通風前，機尾行人通道區(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42分，達到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)測工作面隅角至行人通道氧氣變化。均壓前后前行回風巷人通道氧氣濃度變化如圖4所示。

圖4 均壓前后前回風巷行人通道氧氣濃度變化情況

在此過程中，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，均壓風機處于熱備狀態(tài)，啟用均壓通風后，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，啟用均壓通風后，工作面機尾及隅角區(qū)域低氧情況得到明顯改善，均壓通風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)氣壓引風器稀釋，利用氣壓引風器將空氣壓向需風地點增加風量稀釋有害氣體的濃度，增加風流流動速度以加快有害氣體稀釋速度。在綜采工作面回風隅角安設一臺氣壓引風器，使用壓風系統(tǒng)的風能為動力源，有效提高回風隅角處氧氣濃度。

2)在綜采面機尾最后3臺支架立柱前安設“L”型導風簾，在機尾驅動電機蓋板上安設“一”字型傾斜導風簾，增加回風隅角行人通道處風量，提高空間氧氣濃度。

3)在工作面聯(lián)巷防火密閉處每隔500m設置泄壓管路，當采空區(qū)內外壓差大或出現(xiàn)低氧現(xiàn)象時打開泄壓管路，降低采空區(qū)內外壓差，降低回風隅角氣體涌出強度，減小低氧范圍及強度。

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

上述治理措施經(jīng)由現(xiàn)場實施驗證具有一定的可行性，對工作面低氧問題起到了較好的治理效果。

4 結 論

1)通過分析，確定上灣礦22104工作面低氧氣體主要來源包括兩方面：煤層處于CO2-N2瓦斯分帶，煤體自身氮氣占比含量高；采空區(qū)遺煤氧化消耗氧氣導致采空區(qū)氮氣升高。

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)貫通形成大面積復合采空區(qū)；地表漏風；大氣溫度升高導致大氣壓強下降，影響工作面壓強下降，從而導致采空區(qū)內低氧氣體涌向工作面；工作面通風作用下將采空區(qū)內的低氧氣引入到工作面；頂板垮落不及時。

3)通過在上灣煤礦22104綜采工作面實施均壓通風措施，有效的治理了淺埋深、大面積連續(xù)性復合采空區(qū)工作面低氧的問題，對均壓前后工作面氧氣數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，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。