苗宇岐，李 琨，辛 毅，趙強強

（山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

0 引言

我國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，容易出現(xiàn)遺煤自然發(fā)火、工作面上隅角低氧等問題。

方保明[1]、劉永幫[2]等分別對錦界、郭家灣煤礦工作面低氧氣體的來源進行分析，發(fā)現(xiàn)由于煤層賦存處于氮氣—二氧化碳帶，采煤過程中產(chǎn)生大量高濃度氮氣以及采空區(qū)遺煤吸氧導致了回風隅角低氧現(xiàn)象；潘榮錕[3]采用CDEM模擬軟件建立數(shù)學模型并通過六氟化硫示蹤氣體漏風檢測驗證，結果表明工作面嚴重漏風是導致大恒煤礦出現(xiàn)低氧現(xiàn)象的主導因素；趙羅飛[4]對樸連塔煤礦工作面低氧現(xiàn)象進行研究，通過實驗證明低氧氣體的產(chǎn)生主要是由于采空區(qū)遺煤對氧氣的吸附造成的；王偉[5]針對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)漏風通道的措施，并安設局部通風機進行抽排，使上隅角氧氣濃度回升至安全標準之上；鹿文勇、程望收、遲寶鎖[6-9]等不約而同地采用均壓通風技術，利用調(diào)節(jié)風機、風門等通風設施對工作面實現(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方法，認為目前仍存在低氧氣體在煤層裂隙、采空區(qū)中的運移規(guī)律研究不足，導致上隅角低氧的各影響因素相關度尚不明確等問題。

本文以沙坪煤業(yè)8 號煤層開采為例，研究淺埋近距離煤層開采工作面上隅角低氧及有毒有害氣體形成規(guī)律，并針對低氧氣體的成因提出相應的防治技術，研究旨在解決上隅角低氧及有害氣體積聚的隱患，加強沙坪煤業(yè)整體安全技術，建立淺埋深煤層安全開采示范工作面，同時為國內(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。

8 號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 號煤南翼采區(qū)，8 號煤回風大巷以南，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 工作面推采長度為947 m，工作面長度為216.5 m，面積20.5 萬m2，采用U 型通風方式。該礦屬低瓦斯礦井，8 號煤層自燃傾向性等級為Ⅱ類自燃，煤塵有爆炸性。

2 上隅角低氧氣體來源

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—氮氣帶、氮氣帶、氮氣—甲烷帶、甲烷帶”四個帶。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)的二氧化碳和氮氣帶[11-12]。可見煤層原生賦存的大量低氧氣體對上隅角低氧有著重要影響。

經(jīng)過煤樣氣體組分實驗，沙坪煤業(yè)8 號煤層甲烷組分為16.92%～ 19.68%，二氧化碳組分為2.38%～3.12%，氮氣組分在77.94%～79.96%。煤層氣體組分中二氧化碳和氮氣含量占比超過80%，所以在采煤過程中煤體破碎會有大量的二氧化碳和氮氣析出，析出的混合氣體在回風隅角聚集，導致氧氣含量降低。

2.2 采煤活動產(chǎn)生

煤是由各種富含碳、氫、氧元素的有機大分子物質(zhì)組成的混合物，采煤過程中煤層會吸附氧氣并產(chǎn)生CO 等有害氣體。煤巖受到剪切發(fā)生形變時會產(chǎn)生熱量，割煤機械破碎煤體的瞬時高溫超過500℃，升溫使得煤體中的大分子結構發(fā)生變化，側鏈和官能團在氧化作用下分解、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)出明顯的負相關性，為了研究沙坪煤礦1818 綜采面采煤過程中的耗氧情況，每天早中晚班3 次在工作面進風端、支架和回風隅角等地點進行CO 濃度測定，其中早班為檢修班，中班和夜班為生產(chǎn)班，測定結果如圖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

觀測數(shù)據(jù)表明，CO 濃度從工作面1 號支架至回風隅角逐漸升高，生產(chǎn)期間各支架與回風隅角CO 濃度比檢修期間高15～ 20 ppm。CO 濃度的升高說明在采煤過程中確實消耗了少量的氧氣，但這種體量不足以單獨導致低氧現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 采空區(qū)浮煤氧化引起

采空區(qū)浮煤在氧化過程中會吸附氧氣和釋放CO，即使是不產(chǎn)生高溫的狀態(tài)下，煤體的破碎斷裂也會產(chǎn)生大量的自由基，易與氧氣發(fā)生反應生產(chǎn)碳氧化合物，不同性質(zhì)的煤在氧化升溫的過程中出現(xiàn)CO 的起始溫度不同，沙坪煤業(yè)8 號煤層屬于長焰煤，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)生速率相應增加，由物理吸附轉為化學吸附進一步產(chǎn)生熱量，最終發(fā)生氧化反應。因此浮煤的低溫氧化是自我促進的過程，反應過程的速率依次遞增。

實際上采煤機割落的碎煤、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，消耗氧氣的同時產(chǎn)生CO2、CO 等氣體，采空區(qū)的浮煤是其中的主要來源。

2.4 其它來源

2.4.1 井下爆破

沙坪煤業(yè)礦井生產(chǎn)過程中，有時會涉及爆破作業(yè)，炸藥爆炸是一種劇烈的氧化過程，產(chǎn)生的氣體以水蒸氣、二氧化碳、氮氣為主，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，氮氣50～250 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)井下輔助運輸采用無軌膠輪車，膠輪車使用燃料為柴油，經(jīng)多次檢測沙坪煤業(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 地面風流

地面風流中若出現(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氣體。經(jīng)檢測沙坪煤業(yè)礦井進風流中的氧氣含量為20.95%，二氧化碳含量為0.04%，處于正常水平。

因此針對沙坪煤礦的生產(chǎn)特點并結合工作面回風隅角低氧氣體來源分析，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

在開采8 號煤層時，8上煤層為近距離開采煤層。上覆巖層受采動影響易產(chǎn)生裂縫，這些漏風通道不僅是自燃火災的隱患，同時受采動影響，有毒有害氣體勢必會下泄至下部煤層工作面，從而導致上隅角出現(xiàn)低氧問題，給工作面安全生產(chǎn)造成嚴重的威脅。因此設計在8 號煤層工作面回采過程中檢測上覆8上號煤層采空區(qū)氣體分布和變化情況，可為分析工作面有毒有害氣體來源、漏風規(guī)律。

針對沙坪煤業(yè)8 號煤綜采工作面，對運輸順槽和回風順槽均敷設8 路束管。膠運、回風順槽上、下隅角支架后部各鋪設3 根直徑為8 mm 的束管，上下順槽同時進行監(jiān)測，兩順槽束管采用鋼管或角鋼作保護套管，埋入采空區(qū)的束管管口取樣點處，范圍大約距工作面25～ 200 m，每25 m 設置1 個測定采空區(qū)氣體成分的測點。測點布置如圖2 所示，每天監(jiān)測采空區(qū)后方氣體并記錄，直至進入窒息帶為止。

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

針對8上號煤采空區(qū)的敷設，在1818 進回風順槽內(nèi)頂板處分別向8上煤層采空區(qū)布置布置8 個間距25 m 的鉆孔，位置如圖3 所示，分別編號為①～⑧，然后向這8 個鉆孔敷設8 路束管，每天進行氣體采樣和色譜分析，直至無法采集為止，同時在回風順槽和運輸順槽的巷道頂板處各布置3 路束管，測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 工作面測點布置示意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 工作面各測點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，是因為受采動影響煤層頂板破裂，8 號煤層回風順槽的風流會順著頂板裂隙向上覆采空區(qū)漏風，從25 m 開始迅速增長，一直增長到工作面后方采空區(qū)25 m 左右，因為工作面前方25 m 內(nèi)受采動影響劇烈，漏風更加嚴重，越靠近工作面裂隙越寬，漏風越嚴重，之后迅速下降是因為受地表漏風影響上覆采空區(qū)的氣體會被漏風帶到下煤層采空區(qū)；CO 的產(chǎn)生主要是由8 號煤上覆采空區(qū)煤氧反應產(chǎn)生的，所以與氧濃度變化趨勢基本一致；8 號煤上覆采空區(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 的增長的原因是8 號煤層回風順槽的風流會順著頂板裂隙向上覆采空區(qū)漏風，使下煤層高濃度CH4向上覆采空區(qū)運移導致的；而高濃度的CO2濃度，工作面前方160 m 處近5%，會順著頂板裂隙向下煤層泄露，當?shù)竭_工作面前方約25 m 處，因為此時CO2濃度較低，因為上覆采空區(qū)遺煤的煤氧反應，濃度開始緩慢增加，進入采空區(qū)后方25 m，CO2、CH4也因為地表漏風影響，上覆采空區(qū)的氣體（CO2、CH4、CO 等氣體）也會被地表漏風帶到下煤層采空區(qū)中。

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

設備檢修時，1818 工作面回采過程中上隅角上部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 濃度上下波動明顯，最高22 ppm，最低14 ppm，1818 工作面在a、c、f 測點CO 濃度較高，O2濃度較低，在此處存在漏風通道較多。

綜上所述，8 號煤層工作面支架后普遍存在漏風通道，采空區(qū)內(nèi)富含的CO，CO2，CH4等氣體通過工作面的漏風通道從采空區(qū)涌出到工作面，然后通過風流匯集到上隅角，導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 漏風通道封堵

4.1.1 地表堵漏

通過地面漏風測定，證實沙坪煤礦確實存在地面漏風現(xiàn)象，且漏風速率比較快，最大漏風速率達到12.9 m/min。同時可以看出，漏風速度變化范圍較大，這表明漏風通道比較多，漏風通道比較復雜。工作面后方采空區(qū)束管監(jiān)測數(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重的漏風現(xiàn)象。應及時對地表采空區(qū)裂隙進行回填封堵，并定期對已回填采空區(qū)的裂隙進行探測，發(fā)現(xiàn)裂隙時進行二次回填。沙坪煤業(yè)制定了礦井地表裂隙填埋處理措施，減少漏風通道。

4.1.2 工作面堵漏

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

通過穩(wěn)定釋放SF6 示蹤氣體，檢測1818 綜采工作面煤層裂隙發(fā)育狀況，查找漏風通道。結果表明測定范圍內(nèi)的總漏風量為165.40 m3/min，實際漏風率在10.77%。進風巷道漏風量較小，采空區(qū)和回風巷是主要漏風通道，漏風率分別為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通道，其次還存在來自于采空區(qū)和回風巷的內(nèi)部漏風。針對上述提到的主要漏風通道，采取有效的堵漏措施，減少風流通過漏風通道，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)化通風管理

（1）穩(wěn)定工作面通風系統(tǒng)。

工作面下行通風時進風路線上沒有輸送機上煤塵的飛揚，同時避免輸送機運轉時所散發(fā)的熱量，對工作面作業(yè)有利。但下行通風方式隨著氣候的變化影響較大，風流穩(wěn)定性差，且低氧氣體自然流動方向與風流方向相反，使工作面低氧氣體濃度增加，不利于工作面低氧防治工作。有條件時工作面可采用上行通風方式，對減少采空區(qū)漏風有一定的作用。

（2）工作面合理配風。

1818 綜采工作面漏風通道條件穩(wěn)定不變的情況下，負壓通風系統(tǒng)中采空區(qū)漏風強度與工作面供風量的平方成正比，因此，在保證通風安全的前提下適當減少工作面風量可以降低采空區(qū)漏風，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，必要時進行砌筑袋墻封堵，減少采空區(qū)漏風，進而減少采空區(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)通風壓力。

通過采空區(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)低氧氣體在通風負壓作用下涌入現(xiàn)采工作面上隅角和回風巷導致的。根據(jù)采空區(qū)低氧氣體涌出原因，可在工作面回風巷設置調(diào)節(jié)風門，改變采空區(qū)流場以減少采空區(qū)低氧氣體涌出，另外也可以在相鄰工作面聯(lián)巷密閉安設泄壓裝置進行泄壓，可減少低氧氣體對回風隅角的影響，同時應密切觀測密閉內(nèi)外壓差及管內(nèi)氧氣濃度的變化，及時調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)通風壓力。

5 結論

（1）沙坪煤業(yè)綜采面上隅角低氧氣體來源有煤層原生賦存、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進入8 號煤層采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)的低氧氣體再通過工作面的漏風通道從采空區(qū)帶到工作面，然后通過風流匯集到上隅角，導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1818 綜采工作面的內(nèi)外漏風通道進行檢測，結果表明工作面總漏風量為165.40 m3/min，實際漏風率在10.77%，采空區(qū)和回風巷是礦井內(nèi)部主要的漏風地點。

（4）根據(jù)沙坪煤礦工作面實際情況，提出了井上下封堵漏風通道和優(yōu)化通風管理方面的措施，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。