工作面回风隅角氧气参数测定与低氧治理

顾 冲

（大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037003）

同煤集团部分矿井综采工作面回采过程中回风隅角出现氧气浓度低于19.5%[1]的现象，威胁此区域工作人员生命安全。如何有效的消除综采工作面回风隅角低氧隐患，需要对综采工作面回风隅角低氧形成原因进行分析。综采工作面回风隅角低氧环境是由煤层赋存条件、煤层自燃特性、工作面布置、采煤工艺、通风系统、采空区漏风及工作面推进速度等多种因素综合作用的结果。要彻底解决采煤工作面回风隅角低氧问题，需分析低氧产生的具体原因，有针对性的制定专项低氧治理措施，解决综采面回风隅角低氧隐患。

1 工作面概况

马道头矿8404工作面主采石炭二叠系5（3-5）号煤层，煤层赋存稳定，平均倾角为4°，煤层厚度10.89～24.58 m，平均18.61 m，属特厚煤层。工作面开采标高在+1 134 m～+1 235 m之间。5（3-5）号煤层自燃倾向性等级为Ⅱ，最短自然发火期为83天；煤尘具有爆炸性。8404工作面采用“U”型通风。工作面走向长4 137 m，倾斜长220 m，机采高度3.9 m，平均放煤高度为14.71 m。采煤方法为单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤开采，采用自然垮落法管理采空区。该工作面进风量2 527 m3/min、回风量2 622 m3/min、采空区注氮量1 726 m3/h。

8404工作面四邻均为实煤区，对应上部无采空区。8404采煤工作面布置见图1。

图1 8404采煤工作面布置

2 回风隅角低氧原因及治理

为了掌握综放工作面回风隅角氧气浓度与综采面安全通道宽度等参数之间的关系，项目组2019年7月10日—7月22日在马道头矿8404综放工作面回风隅角设置测点，对各测点氧气浓度进行了测定，随后对测定数据进行处理、分析，得出造成低氧隐患的原因，以此为依据，提出了有效防治低氧隐患的措施。

2.1 原因分析

（1）工作面主要气体成分为氮气。在8404工作面取煤样进行化验分析，煤层气体组成成分如下；氮气成分为92.51%～96.31%，平均94.65%，二氧化碳成分为0%～1.81%，平均1.02%，甲烷成分为2.14%～6.51%，平均4.19%。

（2）工作面煤层氧化耗氧量较大，5（3-5）号煤层经实验室测试，自身耗氧量为0.7 cm3/g,由于采煤工作面长度较长，机道宽度较大，底板浮煤、煤壁以及采空区浮煤等与空气接触面随之增大。

（3）工作面放顶煤作业时二氧化碳涌出量增加，（平均绝对涌出量为3.25 m3/min）。尤其在尾部30架范围内，后部溜子尾影响通风断面，致使通风风流不畅，不能有效的排除和稀释二氧化碳和涌出的氮气量；工作面靠尾部支架后摆梁在巷道压力的作用及老塘侧垮落煤岩挤压的影响下，导致后摆梁不能升到预定高度或尾部过渡架错架期间漏煤的影响，造成通风断面减小以及头、尾端头里段顶板未及时垮落造成采空区漏风加大；回采工作组织不合理导致支架或前后溜串尾或煤壁炸帮，导致回风隅角安全通道宽度不够影响风流正常流动；以及采空区顶板异常冒落时，造成采空区内气体大量涌出。

（4）工作面回采过程中煤层释放出大量氮气。工作面在回采过程中，煤层固体结构遭到破坏，煤层气体由吸附状态变为游离状态，以氮气为主的煤层气体大量涌出，在工作面风流负压的作用下，向上隅角位置聚集，由于工作面回风隅角通风负压作用较小，风流大部为层流状态，形成涡流区域[2]，不能有效的排除有害气体。

（5）向采空区注氮气降低了氧气含量。为了防治采空区遗煤自然发火，向采空区大量注氮也是回风隅角低氧的原因之一。

回风隅角立体空间内氧浓度分布测定及对比见表1。

经实际测定，8404工作面回风隅角在一定空间范围内氧气浓度分布是不均衡的，同时在机组下尾割煤后及老塘垮落效果不佳时，后溜子尾通风断面受到影响，也会对回风隅角空气氧含量造成影响。具体数据见表1（宽度、高度均为回风隅角区域数值）。

表1 8404工作面回风隅角立体空间内氧浓度分布测定

回风隅角立体空间内氧气浓度在各项参数变化情况下的对比曲线（曲线部分为高度，以下同）见图2、图3、图4、图5。

图2 射流器正常运转（左图）、停运（右图）、支架后摆梁高度在0.6 m左右、机组未下尾割煤

图3 射流器正常运行（左图）、停运（右图）时，后溜断面受到影响、机组未下尾割煤、后摆梁未升至0.6 m

图4 射流器正常运行（左图）、停运（右图）时，机组下尾割煤

图5 射流器正常运转时（左图），采空区存在漏风通道；安全通道宽度一定时（右图），后溜尾至前溜尾段氧气浓度变化

2.2 回风隅角低氧范围确定

根据8404工作面回采期间现场实际测定结果并作图分析，可初步得出以下结论：

（1）8404综放工作面回风隅角区域采空区侧属于层流区和过渡区，风流不稳定，由采空区侧向回风巷口，氧浓度呈上升趋势。

（2）回风隅角区域氧气浓度随安全通道宽度变化而变化，并且在立体空间内氧气分布不均，回风隅角氧气浓度随安全通道宽度及高度变化呈抛物线型，回风隅角宽度在1.5～2 m、高度在1.5～1.8 m立体空间范围内氧气浓度最大。

（3）在安全通道宽度一定时，当后溜子尾通风断面受到影响、机组下尾及采空区存在漏风通道时，回风隅角立体空间内氧气浓度基本呈整体下降趋势。

（4）通过测定数据对比，在未使用射流器情况下回风隅角立体空间中间区域氧浓度有所下降（0.3%～0.4%左右），但边缘区域变化不明显。

（5）采空区顶板异常跨落，会造成回风隅角立体空间内氧浓度整体间歇性下降。

2.3 治理措施

针对以上原因，采取针对性措施，具体如下

（1）采空区钻孔泄压。采空区空气压力高于工作面压力是低氧发生的主要原因。采空区混合气体（瓦斯、氮气等低氧气体）在流场的作用下流向回风隅角，导致回风隅角低氧。因此合理降低采空区压力是治理低氧的有效手段。钻孔泄压指在临近巷道施工通向采空区的钻孔，钻孔上安设控制阀门，当工作面低氧现象发生时及时开启控制阀门，使采空区内的气体溢出，降低采空区内的压力。

（2）利用抽放系统在回风隅角抽放瓦斯。利用瓦斯抽放系统的抽放负压改变回风隅角气体流场，使回风隅角局部区域风流向采空区方向流动。

（3）在回风隅角区域设置导风风筒。利用主扇负压，将回风隅角低氧气体通过导风风筒引流至回风大巷，以减少回风隅角低氧气体涌出。

（4）通过两巷封堵漏风减少回风隅角低氧气体涌出，同时加强监测监控措施及时调整治理方案等治理综合措施，逐步消除采煤工作面低氧问题。

（5）要求工作面最后一个支架距煤壁距离控制在1.5～2 m左右。同时，应重点加强后溜子尾通风通道管理、机组下尾割煤时风流流场异常扰动时的管理，以及端头退锚、端头封堵措施的落实。

（6）加快回采进度降低采空区遗煤氧化时间。推行“快掘、快安、快采、快撤、快闭”的技术理念，将传统的散热带、氧化带、窒息带“三带”转变成散热带、窒息带“两带”；工作面回采期间向采空区喷洒阻化剂，使阻化剂在遗煤的外表面形成一层致密氧化膜，而将煤的外表面封闭、堵塞供给空气的通路，降低采空区遗煤与氧气的接触面积，减少采空区氧气的消耗。

（7）优化注氮工艺。合理调整注氮流量和注氮管路末端位置，既保证注氮防火效果又确保高浓度氮气不涌出至工作面冷却带或工作面，始终处于采空区的氧化带内。

3 结语

通过综合防治措施的实施，马道头矿8404面回风隅角低氧发生次数从每月约10次下降到2次左右，有效的保证了工作面的安全生产。

要彻底解决矿井综采工作面回风隅角低氧隐患，必须根据目前在治理低氧方面取得的经验，继续坚持源头把控及现场实施管控同步发力，综合采用采空区抽放改变低氧区流场、优化通风系统、改造端头支架、合理工作面支架布置、优化注氮工艺和密集施工封堵工程等措施，加强对工作面低氧的治理。