淺談馬蘭礦12505綜采面上隅角低氧防治技術

周巨欽

(山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205)

0 引言

12505工作面位于西山煤電馬蘭礦南五2#煤采區(qū)右翼，工作面兩巷均開口于南五2#煤皮帶下山，停采線東北側實體間隔50 m為南八軌道運輸大巷；軌道巷西北側間隔20.5～70.5 m的12503采空區(qū)，工作面地表位于玉米溝東側，石神山西側，后梁山北側，大溝東北側，后頭溝位于工作面開口段附近地表。地表出露地層以Q2+3、N2、P2s2為主，地表為中山地形，大部分被N2地層覆蓋，坡頂以Q2+3地層為主、坡體邊緣P2s1地層呈條帶狀出露，蓋山厚度268～457 m，平均373 m，相對高差較大，最高點位于工作面切眼機頭附近地表，最低點位于皮帶巷開口附近后頭溝溝谷內。工作面所采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組2#煤層，屬近水平至緩傾斜穩(wěn)定可采厚煤層，煤層厚度2.40～3.40 m，平均2.98 m，含一層穩(wěn)定夾矸，普氏硬度2.2。2#煤層上部間隔2.9～7.0 m為2#煤層及采空區(qū)，2#煤厚2.40 m左右，普氏硬度2.0，局部分岔，分岔區(qū)2#煤厚度1.54 m左右，3#煤和2#煤間距0.50～1.35 m，煤厚0.80 m左右，普氏硬度2.3；2#煤下部間隔1.0 m左右為3#煤，厚度0.30～0.65 m，平均0.45 m，普氏硬度2.5。12505工作面回采期間絕對瓦斯涌出量為5.22 m3/min，相對瓦斯涌出量1.70 m3/t，2#煤揮發(fā)分25.64%，自燃傾向性等級為Ⅱ類，為自燃煤層，自然發(fā)火期為4個月，火焰長度20 mm，具有爆炸性。

通過對12505工作面的長期巡檢，發(fā)現(xiàn)12505工作面上隅角時有發(fā)生高溫低氧的現(xiàn)象，平均氧氣濃度為18.3%，為了治理上隅角低氧問題，在2018年9月12日采取了均壓通風措施，但是上隅角氧氣濃度依然偏低，平均氧氣濃度為18.8%。當工作面氧氣濃度降低時，人員會產生種種不適的癥狀，嚴重時會導致作業(yè)人員窒息死亡，因此，有必要對上隅角低氧的形成機理進行分析，并采取合理、有效的防治技術[1-3]。

1 低氧氣體來源

通過對12505工作面的考察，認為工作面低氧氣體主要為煤層本身氣體與采空區(qū)漏風流，其中采空區(qū)漏風流為低氧氣體的主要部分。

1.1 煤層本身氣體

煤層賦存條件是工作面低氧氣體來源之一[4-5]，根據(jù)井田地質報告中提供的瓦斯成分測定結果，N2含量為36.61%～89.99%，平均含量為67.05%；CO2含量為1.55%～42.68%，平均為8.96%；CH4含量為3.03%～59.01%，平均為24.29%。因此，12505工作面所在3#～5#煤層為瓦斯風化帶中的N2—CH4帶，主要氣體成分為N2和CH4。在開采過程中煤體破碎析出的混合氣體是低氧氣體的組成部分之一。

1.2 采空區(qū)漏風流

氣體由下隅角進入采空區(qū)后氣體中氧氣的成分逐漸發(fā)生變化，誘導變化的主要因素有采空區(qū)遺煤解吸瓦斯、圍巖瓦斯涌出、臨近瓦斯涌出、遺煤自然氧化、采空區(qū)注氮、老空區(qū)有害氣體侵入等[6-7]。

采空區(qū)瓦斯稀釋的因素：在工作面回采過程中圍巖運動使得圍巖及3#煤層瓦斯向12505工作面采空區(qū)涌入，加上遺煤解吸的瓦斯擴散到漏風流中，稀釋了氧氣濃度。

采空區(qū)遺煤耗氧消耗因素：12505工作面目前日平均割煤6.5刀，日平均推進速度4.86 m，為正常推進。工作面直接頂為含礪粗砂巖及中砂巖，老頂為中細粗粒砂巖、泥巖及鋁土質泥巖，位于堅硬巖層，碎脹系數(shù)較大、透氣性較好，導致工作面漏風量較大。12505工作面尾巷埋入的束管在7月10日到9月8日(負壓通風時期)的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 12505工作面采空區(qū)氧氣濃度隨埋深變化趨勢

由圖1可以看出，12505工作面采空區(qū)散熱帶寬度約為100 m(CO2>18%)，氧化升溫帶寬度大于108 m(10%≤CO2≤18%)。放頂煤生產工藝致使采空區(qū)遺煤較多，大量的遺煤耗氧降低了漏風的氧氣濃度。

采空區(qū)注氮量稀釋因素：12505工作面為了防治采空遺煤自燃對采空區(qū)進行注氮，注氮量為1 665 m3/h，氮氣濃度為97%。氮氣擴散到采空區(qū)漏風流中對漏風流的氧氣濃度起稀釋作用，降低漏風的氧氣濃度。

上覆臨近層采空區(qū)氣體下泄的稀釋因素：12505工作面采空區(qū)上覆煤層采空區(qū)為4#煤層11003工作面、43308工作面采空區(qū)，層間距分別為209～243 m。12505工作面煤層厚度平均為13.95 m，目前已回采945 m。根據(jù)臨近工作面的生產經驗判斷采空區(qū)上覆巖層裂隙已與上部老采空區(qū)聯(lián)通，老空區(qū)氣體在負壓通風條件下存在有害氣體下泄。有害氣體下泄對漏風的氧氣濃度起稀釋作用，降低漏風的氧氣濃度。因此，采空區(qū)漏風流是低氧氣體的組成部分之一。

2 低氧治理技術

2.1 工作面治理現(xiàn)狀

12505工作面于9月12日采取均壓通風措施，根據(jù)通風區(qū)的觀測數(shù)據(jù)、地面瓦斯抽采泵站監(jiān)控數(shù)據(jù)均壓前后工作面風量、壓差如圖2所示，上隅角CO濃度、O2濃度的變化趨勢如圖3所示。

a-工作面巷道風量；b-均壓后壓差圖2 均壓前后工作面風量、壓差變化趨勢圖

從圖2可以看出，均壓前工作面進風量為3 000 m3/min左右，回風量為2 200 m3/min左右，頂回抽采量為1 300 m3/min左右?；仫L量與頂回抽采量之和為3 500 m3/min左右，比進風量大500 m3/min左右。

均壓后9月12日—9月21日，頭巷風門內外壓差為850 mmH2O，尾巷風門內外壓差為65 mmH2O，工作面頭尾兩側的壓差為20 mmH2O左右，工作面進風量為2 600 m3/min左右，回風量為1 700 m3/min左右，頂回抽采量為1 300 m3/min左右。回風量與頂回抽采量之和為3 000 m3/min左右，比進風量大400 m3/min左右。9月21日以后工作面調整作業(yè)的壓力，頭巷風門內外壓差為120 mmH2O，尾巷風門內外壓差為95 mmH2O，工作面頭尾兩側的壓差為25 mmH2O左右，工作面進風量為2 600 m3/min左右，回風量為1 600 m3/min左右，頂回抽采量為1 100 m3/min左右?；仫L量與頂回抽采量之和為2 700 m3/min左右，比進風量大100 m3/min左右。

a-CO；b-O2；c-CH4圖3 均壓前后上隅角CO、O2、CH4平均濃度變化趨勢圖

從圖3可以看出，均壓后上隅角CO濃度并未下降，CO2濃度出現(xiàn)大幅回升隨后逐漸下降，9月21日提高工作面壓力再次上升。上隅角最大瓦斯?jié)舛容^均壓前有所降低，由平均0.75%降低至平均0.55%。

根據(jù)現(xiàn)場查看結果，工作面頭巷風門內外壓差為1 200 Pa，尾巷風門內外壓差為1 020 Pa，頭尾壓差為180 Pa。

10月1日上午現(xiàn)場查看結果，工作面頭巷風門內外壓差為870 Pa，尾巷風門內外壓差為760 Pa，2309巷2 700 m采位處上覆采空區(qū)的放水孔的“U”壓差計讀數(shù)ΔP為-9.7 mH2O，12505工作面氣體壓力較上覆煤層采空區(qū)氣體壓力小97 Pa，壓差計的連接情況如圖4所示。

圖4 測壓孔壓差計連接圖

因此，均壓在治理上隅角低氧時有一定的效果，但也存在升壓不夠的問題。

2.2 治理技術優(yōu)化

為了解決12505工作面上隅角低氧的問題，在考慮礦方實際情況的條件下，建議采用以下措施。

均壓通風系統(tǒng)優(yōu)化：目前工作面頭巷風門內外壓差為870 Pa，尾巷風門內外壓差為760 Pa，工作面頭尾兩側的壓差為104 Pa，工作面氣體壓力較上覆采空區(qū)氣體壓力低97 Pa。

由雙層采空區(qū)流場平衡條件可知，合理的工作面壓力應當使上下采空區(qū)間流場的平衡點位于雙層采空區(qū)間的巖層高度范圍內。從安全的角度出發(fā)，上下兩端應設20%的安全余量，因此，輔運巷的“U”型水柱計壓差應滿足的條件為

式中：ρ—井下空氣密度，取1.073 kg /m3；g—重力加速度，取9.8 N/kg；H—上部煤層與本煤層的間距，取220 m。

通過計算可知，463 Pa≤ΔPA≤1 851 Pa，工作面的氣體壓力的理論區(qū)間為[1 301 Pa，2 594 Pa]，馬蘭礦工作面最高升壓為1 400 Pa。從現(xiàn)場實際情況可知：工作面壓力越大，采空區(qū)危險性系數(shù)越高，后期密閉越困難。

因此，結合安全性、經濟性建議將頭巷風門內外壓差提高至1 300 Pa。同時在滿足風量要求下盡量使工作面上下隅角保持合理的壓差。從而達到阻止上覆采空區(qū)氣體下泄和減小采空區(qū)漏風量的目的。

設置風障：工作面目前已撤去之前設置的風障，風障能夠改變工作面的流場，增加上隅角的供風量，提高上隅角的氧含量，因此，建議在工作面重新設置風障，風障與風流方向夾角設為45°。

設置引排風筒：在上述方法解決效果不明顯的條件下，建議在上隅角處安裝引排風筒，將部分采空區(qū)涌出氣體通過風筒引排，降低采空區(qū)低氧氣體對上隅角的影響。

頂抽巷反風：在以上3種方法都難以解決的情況下，建議斷開12505巷的抽采管路，安裝局扇進行反風，將頂回改為進風巷，采用“兩進一回”的通風方式。此種方法在用時應當注意的是12505巷末端壓力應低于進風巷末端壓力，合理調整兩進風巷的風量和風壓，避免在工作面形成無風區(qū)。

加強后期觀測：在回采過程中，應當加強上隅角氣體的觀測，做好設備運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，及時調整相關措施的參數(shù)，確保工作面安全。

3 結語

綜放工作面低氧主要是煤層地質賦存條件、工作面注氮、上覆采空區(qū)漏風、采煤工藝等一系列因素的綜合結果。經過采用以多種手段并舉的方法，對12505工作面上隅角氧氣濃度恢復到規(guī)定范圍，氧氣監(jiān)測探頭未出現(xiàn)報警現(xiàn)象，且達到了防治工作面上隅角有害氣體度超限的效果，整體實踐效果良好。對采取措施后的氧氣濃度的日平均值進行統(tǒng)計，采取相應措施后氧氣濃度均大于18.5%，治理效果明顯。