浅埋近距离煤层群工作面上隅角贫氧致因及综防技术

2021-04-17潘荣锟李怀珍晁江坤

煤炭科学技术 2021年2期

潘荣锟，刘伟，李怀珍，晁江坤，王亮

（1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454000；2. 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南焦作 454003；3. 中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 221116）

0 引言

随着我国中东部地区煤炭资源逐渐枯竭，煤炭开采的主战场逐渐向西部地区转移，西部地区将成为我国能源供应的主要基地。近年来西部矿区相继建成了一批大型、特大型矿井，如神华集团的神东矿区、乌达矿区、中煤能源平朔井工矿区、大同矿区等，这些矿区目前的赋存条件大部分属于浅埋近距离煤层群开采。根据GB 8959—2006《缺氧危险作业安全规程》，矿井为缺氧危险作业场所中的地下有限空间，缺氧危险作业氧气报警体积分数为19.5%。当氧气体积分数为17%时，现场人员从事一般劳动强度工作会出现呼吸困难等情况，氧气体积分数低于12%时，工作人员会休克甚至死亡［1］。因此，对贫氧致因及防治的研究具有重要意义。

在贫氧致因及防治方面，国内学者做了很多研究。如梁栋林［2］利用改良后的大直径钻孔配合套管护孔抽采技术有效防控上覆采空区有害气体向本工作面下泄。王新成［3］利用本煤层向上覆采空区施工短布距截流抽采钻孔抽采，从根本上提高了工作面上隅角氧浓度。叶庆树等［4］通过采空区气体浓度变化模拟试验，提出了导致低氧的原因可能是N2的涌出稀释或者O2被煤体物理吸附。聂含张［5］采取OF25—190 型手提风动式风机配合临时导风障的方法使工作面氧气浓度稳定在了规定范围。贾宝财等［6］针对采面隅角为采空区风流汇合处的低氧原因，采用设置采面隅角挡风帘等措施较好地处理了上隅角瓦斯超限。路志堂等［7］采用安设大流量风水引射器等方法，增加了上隅角处空气流动量。钱竹响［8］分析上隅角瓦斯积聚的原因及规律，针对性地提出了高位裂隙钻孔抽采等措施，对防治上隅角瓦斯积聚超限提供了参考。周巨钦［9］从分析低氧机理入手，提出了顶抽巷反风等方法，有效解决了上隅角低氧对安全生产的制约和影响。菅跃荣［10］对隅角氧气浓度低的原因进行充分分析，提出了回风隅角管理，优化通风管理等综合治理措施，确保了综采工作面的安全生产。杨俊哲［11］从巷道支护及联络巷密闭施工等方面阐述了解决回风隅角氧气浓度低的主要措施。王伟［12］从低氧气体来源及涌出原因分析，采取了回风隅角安设专用抽排风机等综合措施确保了回风隅角氧气浓度处于正常水平。方保明［13］针对工作面漏风通道提出了提高采空区密闭规格和质量等措施。李玉福［14］在工作面应用卸压通风技术，减少了采空区有害气体涌出。文献［15-20］应用了系统均压通风技术，使工作面和采空区风压达到平衡，减少采空区有毒有害气体涌入工作面。但是针对地表裂隙与采空区贯通导致的工作面上隅角贫氧分析还少有涉及。

基于此，笔者从贫氧气体来源以及漏风通道等方面分析造成上隅角贫氧的原因，结合现场情况，采取相应防治措施以杜绝工作面贫氧。

1 工作面概况

91103 工作面位于井田西北部，正上方为42103、42108 工作面采空区；西侧北部为91101 工作面采空区，南部为设计的91102 工作面，东侧上部为42106 工作面采空区。 91103 工作面采用综采放顶煤采煤法，回采方式为后退式开采，采高为3.0 m。放煤高度为1.75 m。工作面采用一进一回U 型通风系统，全负压通风。自燃等级为Ⅱ级，属自燃煤层，煤尘有爆炸危险性，该矿井属瓦斯矿井。

2 贫氧致因分析

工作面上隅角贫氧现象是多种因素综合作用的结果，因此，分析造成贫氧现象的原因时，综合考虑了U 型通风方式的通风特点、贫氧气体的来源以及贫氧气体的涌入方式。根据大恒煤矿实际情况分析，工作面上覆地表损害严重，裂隙、沉降区域范围较大且明显，地表与工作面贯通，91103 工作面漏风严重，是隅角贫氧的主要致因，贫氧气体的产生、涌入方式以及通风方式等是贫氧的次要致因。

图1 地面与3 层煤之间关系Fig.1 Relationships between ground and three coal seams

2.1 U 型通风方式特点

91103 工作面采用U 型通风方式，因其系统简单、便于通风管理、巷道掘进量少、成本较低等优点，所以在矿井开采中广泛应用。但这种通风方式对工作面上隅角贫氧具有一定的影响：①上隅角为采空区风流的汇合处。在进、回风巷风流压差作用下，进入工作面的风流分为两部分，一部分直接从工作面流过，另一部分流入采空区，在采空区内部沿一定的流线方向流动，进入采空区的风流其氧气成分经过气流交换发生变化，在工作面的后半部分，逐渐返回工作面，最后汇集于采煤工作面上隅角。 ②上隅角局部处于涡流状态。采煤工作面上隅角靠近煤壁和采空区，风流经过工作面上端头时，巷道突然垂直转弯，使靠近煤壁的风速降低，工作面上隅角出现涡流现象。当采空区贫氧气体运移至上隅角后，由于风速低，只能在涡流区处于旋转状态，无法进入主风流，如图2 所示。综合以上2 点，可知U 型通风方式容易在工作面上隅角形成贫氧气体的积聚和CO 超限。

2.2 贫氧气体来源

2.2.1 浅埋煤层赋存条件

浅埋煤层赋存条件是贫氧气体形成的客观条件。 91103 工作面处在瓦斯分带的N2带、N2-CH4带，煤体所含气体以N2为主，N2体积分数为67.30%～70.78%， CH4体积分数为 13. 22% ～20.13%，CO2体积分数为12.53%～15.97%。煤炭开采过程中，采煤机切煤及放煤过程中，吸附在煤体中的N2和CO2等气体随着大量煤块破碎析出，稀释了氧气浓度，析出的混合气体是贫氧气体的组成部分。这些贫氧气体因不能及时被风流吹散，进入低风速涡流状态的上隅角积聚，从而造成上隅角贫氧，所以煤体本身的赋存条件是贫氧气体产生的主要来源。

图2 风流经过采空区汇入上隅角时的涡流状态Fig.2 Eddy current of airflow when it flows into upper corner through goaf

2.2.2 采空区贫氧气体溢出

近距离煤层群开采的上覆采空区、邻近采空区和本层采空区遗煤氧化是工作面贫氧气体产生的次要来源。受采煤工艺、顶底板特性及煤质等因素影响，各采空区遗留有30 m 煤柱及大量呈破碎状态的遗煤，遗煤解吸产生贫氧气体，稀释氧浓度。同时，9-1号煤层属自燃煤层，吸氧量为0.58 cm3/g，在采空区内部良好蓄热环境条件下，破碎的遗煤增加了与氧气的接触面，加速煤低温氧化，在这一过程中采空区内部遗煤吸附并消耗氧气，进行煤氧复合反应，释放CO、CO2、烃类等气体产物以及物理、化学吸附热、化学反应热等热量，引起采空区压力上升，导致采空区内贫氧气体从上隅角溢出，出现贫氧现象。

式中:y1为更换元件的质量，kg;y2为固定所更换元件的紧固件数;y3为连接所更换元件的连接件数;x2为更换元件前需拆卸的紧固件数;x3为更换元件前需拆卸的连接件数.

2.2.3 采空区防灭火注入的氮气

采空区防灭火注入的氮气也是造成贫氧的重要因素。 9 号煤为Ⅱ级自燃煤层，为了防止采空区遗煤自燃，在回采过程中，工作面采用埋管注氮工艺，连续、开放注氮方式进行采空区防灭火，开采9-1号煤层注氮量为463.7 m3/h，开采4-1号煤层注氮量为406.2 m3/h，开采4-2号煤层注氮量为234.0 m3/h，因此，开采9-1号煤层过后的采空区留下了大量高浓度氮气，氮气扩散到层间采空区漏风流中稀释了漏风流中的氧气浓度。

2.3 贫氧气体涌入方式

2.3.1 漏风通道的影响

地表与上覆采空区、工作面贯通后形成的漏风通道是贫氧气体涌出的主要途径，工作面漏风严重是贫氧的主要原因。由于大恒煤矿为浅埋近距离煤层群开采，地表受重复采动的影响，工作面容易形成采动裂隙，在矿井周期来压作用下，会使得裂隙进一步发育，直达上层采空区及地表，形成良好的漏风通道。图3 为91103 工作面地表裂隙实拍图，图中红色虚线中间是较为明显的裂隙、沉降区域。

图3 工作面上覆地表裂隙及沉降Fig.3 Surface fissures and settlement in overlying working face

宏观方面通过采用数值模拟及SF6漏风测试，验证了裂隙发育及漏风通道的存在。微观方面从漏风通道分析了O2降低的置换机理。

利用CDEM 数值模拟，通过拉格朗日系统建立严格的控制方程，利用动态松弛法显示迭代求解，实现了连续——非连续的统一描述，模拟煤层从连续变形到断裂直至运动的全过程。根据常见煤系地层条件，建立二维层状数值模型，采用四边形网格，共含块体33 500 个，节点33 885 个，块体采用摩尔-库仑本构模型，节理采用脆断模型。模型尺寸x＝500 m，y＝238.26 m，共划分36 层。数值模拟分为3 个状态阶段，4-1煤开采后裂隙分布，4-1煤、4-2煤双煤层开采后裂隙分布以及4-1煤、4-2煤、9-1煤三煤层开采后裂隙分布。通过CDEM 数值模拟软件得出：①煤层回采后，工作面前后方出现应力集中现象，由于工作面不断推进，煤壁和采空区不断向前移动，导致工作面前后方支承应力是移动型支承应力；煤层回采后，地表变形逐渐增大。 ②随着工作面的推进，采空区上方上覆岩层塑性破坏区范围越来越大，上覆岩层发生拉伸破坏和剪切破坏的区域主要集中在靠近进回风侧内。结合大恒煤矿U 型通风方式分析，地面气体通过裂隙，在负压作用下向上隅角汇集、积聚。随着开采逐渐增加，受采动影响，裂隙更加发育，漏风通道及漏风量逐渐增加，如图4—图6 所示。

为掌握工作面的漏风规律，利用连续定量释放SF6示踪气体在工作面进行漏风测定，利用逐点释放，逐点采集的方案，以回风巷作为起始点，在每一取样点的上风侧释放，间距20 m，在沿程释放SF6的过程中保证释放量相同，采集气体编号填写释放点及采样点位置信息。沿程测试完成后取样，利用SF6专用色谱进行分析，确定SF6的气体含量，然后根据测试数据及井下测样点位置，分析工作面的风量分布，进而确定漏风量。漏风测试的裂隙测点漏风分布，如图7 所示，根据实测数据可得到各个漏风分布测点的漏风量，如图8 所示。

图4 4-1煤开采后裂隙分布Fig.4 Fracture distribution of No.4-1 coal seam after coal mining

图5 4-1煤、4-2煤双煤层开采后裂隙分布Fig.5 Fracture distribution of No.4-1 coal seam and No.4-2 coal seam after mining

图6 4-1煤、4-2煤、9-1煤三煤层开采后裂隙分布Fig.6 Fracture distribution of No.4-1 coal seam，No.4-2 coal seam and No.9-1 coal seam after mining

图7 裂隙测点漏风分布Fig.7 Air leakage distribution at crack detection points

由图8 知，工作面下隅角漏风较大，测点5 距离进风巷80 m 范围内，风量逐渐降低，表明工作面部分进风流通过支架后方垮落带及上覆岩层裂隙进入采空区。测点4 处风量较测点5 有所增大，随后风流逐渐呈增大趋势，这说明漏入采空区的风流在工作面后半段进入工作面，在工作面上隅角及工作面回风巷达到最大值。但可看到工作面总回风大于工作面进风，由此说明部分风流通过邻近采空区或地表裂隙流入工作面。证实了漏风现象及漏风通道的存在。

图8 漏风分布测点的漏风量Fig.8 Air leakage at each measuring point

微观方面从漏风通道入手，分析了地表气体通过地表裂隙发生吸附、置换，气体中氧气浓度降低后进入工作面，造成隅角贫氧，如图9 所示。煤是由碳、氢、氧以及氮原子为主体，组成结构极其复杂的大分子，煤作为一种复杂的孔隙性介质，具有发达的孔隙和裂隙，形成了庞大的孔隙表面与微空间，据测定，1 g 无烟煤的微孔表面积达200 m2以上，为气体赋存提供了条件［21-22］。当地面气体通过地表裂隙进入，在负压作用下运移至工作面的过程中，由于煤体对气体吸附能力强弱不同，煤体对氧气的吸附能力强于CO2、N2、CH4及CO 等，因此氧气会被煤体大量吸附，同时置换出CO2、N2、CH4及CO 等，成为游离状态，在漏风作用下进入工作面，造成上隅角贫氧现象。

图9 气体置换机理示意Fig.9 Gas displacement mechanism diagram

此外，工作面与邻近采空区联络巷数量多，每隔50 m 有1 个联络巷，由于两巷道联络巷间密闭以砖石材料为主，受采动影响易被压裂甚至垮塌，为邻近高压采空区的贫氧气体涌出提供了良好的通道。同时，本井田断层较发育，91103 工作面邻近主要断层为运输巷东侧断层F1，落差11 m，轨道巷掘进过程中揭露的F2落差3.5 m，F3落差0.7 m，断层带也成为贫氧气体进入工作面的通道。

2.3.2 负压通风的影响

复合采空区气体在负压作用下，通过漏风通道进入工作面。回采工作面采空区与邻近采空区、上覆采空区因为裂隙形成超大面积多层复合采空区。91103 工作面通风方式为U 型负压通风，此时与地表贯通的大面积采空区绝对压力高于工作面压力，又由于综放工作面上隅角是采空区的漏风汇集处，大量贫氧气体从上隅角涌出，造成工作面贫氧。

2.3.3 大气压力的影响

工作面贫氧受大气压力影响严重。当采空区与地表通过地表裂隙导通后，采空区与综采工作面之间时刻处于动态状态，地面大气压力变化幅度较小时，采空区贫氧气体的涌出量较小且呈均匀态势。当季节更替或昼夜温差较大时，大气压力变化明显，贫氧现象严重，工作面开始出现贫氧，随着大气压力下降幅度的增加，贫氧的范围随之扩大，造成采空区气体的大量涌出，从而引起工作面上隅角O2浓度偏低、CO 超限，易引起窒息事故。

3 工作面贫氧区防治技术

3.1 井上下堵漏技术

由于所采煤层为浅埋近距离煤层群开采，工作面开采过程中，覆岩垮落破断，形成采动裂隙直达地表，导致地表与采空区联通，裂隙对上隅角氧气浓度影响明显，因此对地表采动裂隙要及时回填封堵，减少采空区气体涌入回采工作面。堵漏包括地表堵漏和井下堵漏，地表堵漏是指安排专人每天对地表巡查，发现裂隙立即回填，不得滞后工作面100 m。由于已回填的地表会受到重复采动等客观原因影响，会再次形成新的裂隙，因此需要对己回填地表进行2 次、3 次甚至多次回填。

井下堵漏一般采用充填上、下隅角的方法，使用无机膨胀堵漏风加固材料，在进、回风巷后部采空区形成有效的封堵墙；使用高水水凝胶防灭火材料，以在工作面后部采空区有效地充填裂隙，如图10 所示。通风负压和大气压力的变化通过地表裂隙直接影响采空区气体含量及运移，进而影响综采工作面气体分布，因此充填堵漏对贫氧窒息灾害事故的防治具有较大作用。

图10 隅角充填示意Fig.10 Sketch of corner filling

3.2 安设挡风帘和导风帘技术

在工作面上、下隅角安设挡风帘减少流向采空区的漏风量，同时在靠近上隅角5 台支架的范围内安设导风帘，引导较多的风流流经上隅角稀释贫氧气体。此方法对于综放工作面放煤口、架顶的局部积聚也有很好效果。

3.3 上隅角埋管抽采技术

上隅角埋管抽采就是在上隅角垒挡风墙进行封堵后，采用管路穿过封堵墙埋进上隅角，连接在回风巷的负压抽采管路上，通过上隅角埋管抽采，在工作面上隅角处形成一个负压区，使该区域的贫氧气体通过抽采管路被抽走，如图11 所示，避免因采空区贫氧气体涌出而造成上隅角贫氧气体超限事故的发生。此方法配合上、下隅角截堵共同使用效果良好，能有效降低上隅角贫氧气体浓度。