鄧 健

（榆林神華能源有限責(zé)任公司 青龍寺煤礦分公司，陜西 榆林719408）

氧氣是人維持正常的生理活動所必須的氣體，空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)降低到正常濃度以下時(shí)，會讓人出現(xiàn)多種不良生理反應(yīng)，身體也表現(xiàn)出較多不適癥狀，嚴(yán)重會造成人缺氧窒息死亡[1]。礦井在生產(chǎn)過程中所出現(xiàn)的工作面低氧問題一直是煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)所面臨的災(zāi)害之一[2-3]，也是青龍寺煤礦安全開采工作的重點(diǎn)。青龍寺煤礦屬淺埋藏煤層，5-2煤層瓦斯成分帶屬于二氧化碳-氮?dú)鈳?，同時(shí)采空區(qū)內(nèi)遺煤在低溫氧化過程中生成一定量的低氧氣體，加之礦井在通風(fēng)負(fù)壓及大氣壓晝夜變化影響下，采空區(qū)內(nèi)的低氧氣體會大量涌出，嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)，因此采取了有效措施來防止青龍寺煤礦首采工作面出現(xiàn)低氧現(xiàn)象。

1 礦井概況

青龍寺煤礦位于陜北黃土高原東北部，地形切割較為嚴(yán)重，地貌屬較為典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，井田內(nèi)整體地勢為東北高，西南低，煤層所屬瓦斯成分帶為二氧化碳-氮?dú)鈳?，井下煤層近似水平狀，煤質(zhì)為不黏煤變質(zhì)程度低。礦井通風(fēng)方式為中央并列式，采用機(jī)械抽出式通風(fēng)方法，有主、副平硐2個進(jìn)風(fēng)井，有1個回風(fēng)井?，F(xiàn)主采5-2煤層，煤層為I類自燃煤層，最短自然發(fā)火期30 d，煤塵具有爆炸性。

1）工作面概況。青龍寺煤礦5-20101工作面是5-2煤一盤區(qū)首采工作面，其西側(cè)為石窯店煤礦井田，東側(cè)是5-2煤中央大巷，南側(cè)是5-2煤西翼大巷，北側(cè)緊鄰5-20102工作面。工作面走向長度3 767.3 m，工作面傾斜長度301.5 m。煤層地面標(biāo)高1 158.9～1 261.9 m，底板標(biāo)高1 006.1～1 030.2 m，煤厚1.83～3.02 m，設(shè)計(jì)采高2.38 m。煤層中所帶有的夾矸較少，僅僅在中部含有1層厚度大約0.1 m的夾矸，平均傾角≤1°，煤層中存在局部地區(qū)傾角過大現(xiàn)象，開采方法是一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法。

2）工作面通風(fēng)系統(tǒng)。5-20101工作面通風(fēng)方式為U型全負(fù)壓抽出式通風(fēng)，工作面巷道與5-2煤中央大巷垂直布置，工作面切眼位于井田西側(cè)邊界線，北為設(shè)計(jì)5-20102工作面。5-20101工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖1。具體為：主（副）斜井→5-2煤輔運(yùn)大巷→5-2煤西翼輔運(yùn)大巷、5-20101運(yùn)輸巷（單巷段）→5-20101工作面輔運(yùn)巷→5-20101綜采工作面→5-20101、5-20102回風(fēng)巷→5-20102回風(fēng)巷（單巷段）→5-2煤中央回風(fēng)大巷→回風(fēng)立井→地面。

圖1 5-20101工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意圖Fig.1 5-20101 ventilation system of working face

2 工作面低氧現(xiàn)象發(fā)生及原因分析

2017年8月25日—9月3日，青龍寺煤礦5-20101綜采工作面回風(fēng)隅角氧氣傳感器報(bào)警61次，最低氧氣體積分?jǐn)?shù)15.31%，報(bào)警時(shí)長共計(jì)1 h 42′8″。期間測定回風(fēng)隅角CO體積分?jǐn)?shù)最高為75×10-6，同時(shí)又調(diào)查以往氣體數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)5-20101工作面在開采期間回風(fēng)隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)均維持在18.5%～20.1%之間，CO體積分?jǐn)?shù)在12×10-6～30×10-6之間。

礦井生產(chǎn)過程中造成上隅角低氧是1個多種因素共同作用的結(jié)果[4-7]，工作面低氧現(xiàn)象原因?yàn)椋?/p>

1）大氣壓變化對工作面低氧影響嚴(yán)重。5-2煤層瓦斯成分帶屬于二氧化碳—氮?dú)鈳?，采空區(qū)遺煤會解析出氮?dú)夂投趸迹斐煞e聚體積分?jǐn)?shù)升高。且當(dāng)時(shí)正在秋季，氣溫、大氣壓力晝夜變化相對較大，經(jīng)研究顯示，若大氣壓在1 d內(nèi)下降幅度大于400 Pa時(shí)，工作面就容易出現(xiàn)低氧現(xiàn)象，當(dāng)下降幅度再次增加時(shí)，低氧情況也變得更加嚴(yán)重，2017年8月26日，地面溫度為5～27℃，當(dāng)日測得大氣壓最高896 hPa，最低876.5 hPa，降幅1 950 Pa，5-20101工作面采空區(qū)內(nèi)外壓差由80 Pa升至480 Pa，采空區(qū)“呼吸作用”顯著。內(nèi)外壓差變大，采空氣高體積分?jǐn)?shù)氮?dú)庀蚓C采工作面負(fù)壓最低點(diǎn)回風(fēng)隅角涌出，導(dǎo)致風(fēng)隅角出現(xiàn)氧氣體積分?jǐn)?shù)降低現(xiàn)象。工作面上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)與大氣壓力變化關(guān)系圖如圖2。

圖2 工作面上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)與大氣壓力變化關(guān)系圖Fig.2 Relationship between oxygen concentration atmospheric pressure in upper corner of working face

2）采空區(qū)遺煤低溫氧化產(chǎn)生低氧氣體。青龍寺煤礦現(xiàn)開采5-2煤為I類易自燃煤層，自然發(fā)火期短。工作面回采過程中機(jī)頭、結(jié)尾端頭支架架間存在浮煤，采空區(qū)內(nèi)垮落后綜采工作面副幫會存在片幫現(xiàn)象，片幫煤會掉落在采空區(qū)內(nèi)，因此工作面兩巷道和開切眼區(qū)域產(chǎn)生大量遺煤，這些煤在氧化過程中會消耗大量O2，并形成CO和CO2等有害氣體，此時(shí)有害氣體會隨采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流流向綜采工作面回風(fēng)隅角，導(dǎo)致綜采工作面回風(fēng)隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)低。

3）采空區(qū)水氣置換造成低氧氣體涌出。青龍寺煤礦從2017年5月3日起將井下沉淀池的煤泥水向5-20101綜采工作面采空區(qū)灌注2 400 m3，在7月10日又將地面污水處理廠的3 100 m3煤泥水灌注到5-20101綜采工作面采空區(qū)，2次共灌注水5 500 m3。正值夏秋交替，煤礦所在地區(qū)雨水較多，通過地表裂隙部分雨水可能流入到采空區(qū)內(nèi)，灌注的煤泥水和流入采空區(qū)的雨水同時(shí)作用，會將采空區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的低氧氣體擠壓出來，并流向綜采工作面回風(fēng)隅角，導(dǎo)致綜采工作面回風(fēng)隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)低。

4）尾巷正壓風(fēng)機(jī)通風(fēng)影響。由于5-20101綜采工作面采空區(qū)需要灌注煤泥水和施工5-20101采空區(qū)防火密閉等工作，需要向5-20101輔運(yùn)巷尾留巷道采用正壓局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)，供風(fēng)過程中就會加大5-20101輔運(yùn)巷尾留巷道與5-20101綜采工作面采空區(qū)之間的壓差，導(dǎo)致5-20101輔運(yùn)巷尾留巷道密閉向采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)加大，造成5-20101綜采工作面回風(fēng)隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)低。

5）頂板大面積垮落。經(jīng)過現(xiàn)場觀察分析，近期5-20101工作面在回采過程中上下端頭退錨不及時(shí)，導(dǎo)致懸頂面積達(dá)到5 m×15 m，在頂板大面積垮落瞬間會將采空區(qū)內(nèi)低氧氣體擠壓排出，因此工作面上隅角會在瞬間產(chǎn)生低氧報(bào)警現(xiàn)象。

3 工作低氧治理技術(shù)措施

3.1 建立自然發(fā)火監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

通過不同的產(chǎn)物情況來對采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)[8-9]。5-20101工作面為首采工作面，其周邊環(huán)境較為簡單，隨工作面推進(jìn)本采空區(qū)成為自然發(fā)火監(jiān)測的重點(diǎn)區(qū)域，采用火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)與人工取樣相結(jié)合的方法，同時(shí)結(jié)合安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和便攜式儀表監(jiān)測的自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)措施[10]。

1）工作面氣體監(jiān)測。通過安裝傳感器來對工作面氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，具體包括氧氣、溫度、一氧化碳、煙霧和瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳎?-20101工作面?zhèn)鞲衅鞑贾脠D如圖3。各傳感器設(shè)置的報(bào)警值具體為：氧氣傳感器氧氣體積分?jǐn)?shù)≤18%、一氧化碳傳感器一氧化碳體積分?jǐn)?shù)≥24×10-6、溫度傳感器報(bào)警溫度≥30℃、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌?.0%。

圖3 5-20101工作面?zhèn)鞲衅鞑贾脠DFig.3 5-20101 working face sensor layout

2）采空區(qū)內(nèi)氣體監(jiān)測。在工作面回風(fēng)巷內(nèi)實(shí)施預(yù)埋束管對采空區(qū)氣體進(jìn)行監(jiān)測，每根束管連接1個監(jiān)測點(diǎn)，共布置監(jiān)測點(diǎn)4個，各監(jiān)測點(diǎn)相距50 m，這樣可有效監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)氣體，準(zhǔn)確判斷采空區(qū)中遺煤所處氧化階段和自燃發(fā)展趨勢。所布測點(diǎn)會隨工作面推進(jìn)依次進(jìn)入到5-20101采空區(qū)中，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)1距工作面50 m左右時(shí)，斷開監(jiān)測點(diǎn)4，重新布置監(jiān)測點(diǎn)，依次循環(huán)至回采結(jié)束。同時(shí)在回風(fēng)一側(cè)通過5-20102回風(fēng)巷聯(lián)巷密閉觀測孔進(jìn)行人工取樣實(shí)現(xiàn)對5-20101采空區(qū)氣體監(jiān)測分析。采空區(qū)監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖如圖4。

圖4 采空區(qū)監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖Fig.4 Layout of monitoring points in goaf

3.2 井上下封堵漏風(fēng)

青龍寺煤礦屬淺埋藏煤層，地形割裂現(xiàn)象較嚴(yán)重，在開采過程中采空區(qū)上部易出現(xiàn)嚴(yán)重的地表裂隙，因此要加強(qiáng)地表回填堵漏的管理，采空區(qū)地表裂縫要隨采隨填，不得滯后工作面回采線超過50 m。同時(shí)礦上要安排專門人員不少于每周1次的對回填工作進(jìn)行巡查，發(fā)現(xiàn)裂縫立即通知施工部門回填，降雨后第2 d要對整個采空區(qū)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)被雨水沖開的裂縫要及時(shí)回填掩埋，從而減小通過地表縫隙向采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)。

減少采空區(qū)上下端頭向工作面漏風(fēng)，在綜采工作面上、下隅角必須設(shè)置擋風(fēng)簾并維護(hù)到位，擋風(fēng)簾必須嚴(yán)格沿工作面頂線懸掛，側(cè)面緊貼巷道幫部。工作面兩端頭要及時(shí)退錨，兩巷道退錨要做到超前工作面20 m，以便采空區(qū)內(nèi)充分垮落，減小懸頂距離，從而減少采空區(qū)漏風(fēng)。加強(qiáng)密閉管理，巷道之間連巷密閉時(shí)要嚴(yán)格按照要求進(jìn)行施工，若發(fā)現(xiàn)漏風(fēng)情況及時(shí)進(jìn)行封堵，降低采空區(qū)漏風(fēng)。

3.3 降低礦井通風(fēng)負(fù)壓

通過改善礦井內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、風(fēng)量有效合理配置、封閉無用的巷道等措施來提高礦井風(fēng)量利用率。通過采用降阻法調(diào)節(jié)井下通風(fēng)系統(tǒng)，消除主要回風(fēng)大巷局部風(fēng)阻較大地點(diǎn)設(shè)施，減少礦井內(nèi)總阻力來降低2個風(fēng)井兩端的通風(fēng)負(fù)壓。將主要通風(fēng)機(jī)葉片的安裝角度調(diào)到合理位置，保證主要通風(fēng)機(jī)在最佳工況點(diǎn)運(yùn)行。

3.4 加快工作面推進(jìn)速度及減少采空區(qū)遺煤

1）加快工作面的推進(jìn)速度。其月最低推進(jìn)度vmin可按照公式vmin=L/d來計(jì)算（式中：L為所采工作面采空區(qū)中最大氧化帶寬度，根據(jù)青龍寺煤礦采空區(qū)“三帶”劃分結(jié)果顯示，L取329 m；d為煤層最短自然發(fā)火期，取28 d），經(jīng)計(jì)算，在工作面推進(jìn)過程中，必須保證綜采工作面日推進(jìn)度至少為12 m，采空區(qū)才會沒有自然發(fā)火的危險(xiǎn)。

2）減少采空區(qū)遺煤。在回采過程中采用沿頂沿底的割煤方法來提高回采率，每割1刀煤要及時(shí)清理支架間的浮煤，防止留煤進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)。同時(shí)對“兩道兩線”區(qū)域與上下隅角中的浮煤進(jìn)行噴灑阻化劑，阻止煤與氧氣接觸抑制煤氧化自燃反應(yīng)的發(fā)生。

3.5 采空區(qū)注氮及惰化浮煤

在礦井生產(chǎn)中通常會采取預(yù)防性注氮措施來抑制采空區(qū)內(nèi)浮煤的氧化自燃。氮?dú)馐且环N惰性氣體，注入采空區(qū)內(nèi)不僅可以有效降低氧氣含量來抑制浮煤氧化，還可以增大采空區(qū)內(nèi)的靜壓強(qiáng)來減小兩巷道與采空區(qū)之間的漏風(fēng)壓差，從而減少由巷道進(jìn)入采空區(qū)中的漏風(fēng)量。另外注入的氮?dú)饪捎行鸬浇禍刈饔?，吸收遺煤在緩慢氧化中產(chǎn)生的熱量，降低遺煤氧化升溫速度。

3.6 低氧防治效果

通過采取建立自然發(fā)火監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、降低礦井通風(fēng)負(fù)壓、加強(qiáng)井上下封堵漏風(fēng)、加快工作面推進(jìn)速度、減少采空區(qū)遺煤、采空區(qū)注氮及惰化浮煤等治理措施，5-20101工作面上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)至18%以上，一氧化碳體積分?jǐn)?shù)降至30×10-6以下，低氧現(xiàn)象得到解決，治理效果顯著。

4結(jié)論

1）初步判定大氣壓力變化影響、采空區(qū)遺煤低溫氧化、頂板大面積垮落是導(dǎo)致5-20101綜采工作面回風(fēng)隅角低氧的主要因素。

2）采取井上下封堵漏風(fēng)、降低礦井通風(fēng)負(fù)壓可對低氧問題進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)工作面安全回采。

3）控制低氧氣體的產(chǎn)生是防治工作面出現(xiàn)低氧現(xiàn)象的根本，減少采空區(qū)遺煤、加快工作面推進(jìn)度并惰化遺煤可以有效控制低氧氣體的產(chǎn)生。