浅埋深煤层工作面回风隅角低氧防治技术研究

朱寅生，王玉怀，高 嵩，李更川，牛瑞华，杨 浩

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

我国西北部矿区大多以浅埋深易自燃煤层为主，同时煤层与地表之间距离很近，所以较小的煤层层间距和采动矿压就会直接导致煤层顶板出现裂隙，这就是采空区内部有害气体涌出至工作面，回风隅角氧气浓度低的直接原因[1]。当人在低氧条件下持续工作，轻则出现呼吸困难等不适症状，重则使得人缺氧死亡，极大的威胁了矿井工作人员的生命安全[2]。另外,工作面回采时常伴随着缓慢的推进速度，这也为采空区遗煤缓慢氧化创造条件。针对回风隅角氧气浓度低的问题，我国众多学者也提出了很多解决办法。迟国铭等通过改变开采设计和巷道一般防火密闭设计减少大气压力对采空区内部的影响[3]。菅跃荣提出动力压风稀释隅角气体改善氧气浓度低的情况[4]。顾冲采取采空区钻孔泄压和改善注氮工艺降低采空区压力和N2的浓度以达到低氧问题缓解的目的[5]。潘荣锟使用埋管抽采配合上下隅角截堵的方法抽采低氧气体以降低低氧气体浓度[6]。

根据《煤矿安全规程》采掘工作面的进风流中，氧气浓度不低于20%，二氧化碳浓度不超过0.5%[7]。一般情况下，回风隅角处氧气浓度不得低于18%。针对6012在回采过程中回风隅角处氧气浓度低于18%的情况，可得出目前已出现低氧问题。因此，亟需对6102工作面回风隅角低氧问题进行处理。

1 工作面概况

6102综放工作面位于水平一盘区6煤层，工作面以北为回风大巷保护煤柱；以东无采掘工程。以西为6103采空区。以南无工程，为6煤层风化带。上覆5煤层，5煤层为5102采空区。下覆煤层无采掘工程。至于与地面相对位置则位于井田中部，串草圪旦西北侧474 m至南窑子。

本区域位于双枣沟向斜南翼，煤层宽缓，褶曲发育。切眼对应地表位置，接近地表沟谷低洼点，煤层顶板含水。煤层结构复杂，含1～3层夹矸，夹矸沉积不稳定，岩性变化较大。煤层走向10°～170°。倾角1°～10°，平均5°。煤层总体发育呈东北高，西南低。煤层倾角由南向北、由西向东逐渐增大。煤层厚度10.8 ～15.7 m，平均12.9 m。煤层抗压强度6.9 MPa。

6102工作面为左工作面，沿煤层底板布置两条巷道，即回风巷、进风巷。切眼位于主(辅)运巷与停采线交叉点往南2065.7 m处，顺煤层倾向布置。6102进风巷为进风巷，6102回风巷为回风巷，形成6102工作面通风系统。6102综放工作面采用“一进一回”的“U”型通风方式，工作面进风巷进风，回风巷回风，工作面通风系统图如图1。

图1 6102工作面通风系统图

2 工作面回风隅角低氧原因分析

(1) 工作面周围环境。6102综放工作面位于水平一盘区6煤层。工作面以北为回风大巷保护煤柱；以东无采掘工程。以西为6103采空区。以南无工程，为6煤层风化带。上覆4、5煤层，4煤层4103老巷道，5煤层为5102采空区。由于6102工作面上部有大面积的采空区，采空区遗煤氧化以及老空区CO涌出等都会影响着工作面回风隅角的氧气浓度。另外,内部遗煤的缓慢氧化和采空区积存CO浓度超限的问题也随之出现，如表1所示。经过使用SF6示踪测漏风法也验证了在采空区存在漏风情况。另外地表植被稀少，当开采煤层时地表产生裂隙导致采空区塌陷，使得采空区和地表之间形成了漏风通道，这就直接影响了地表的气压和工作面压力之间的压力差[8]，即采空区的压力，这也是漏风的主要原因之一。

表1 启动均压通风前上隅角CO浓度

(2) 浅埋深易自燃煤层。6102工作面对应地表有冲沟与工作面斜交，冲沟底部基岩裸露，无黄土层覆盖，冲沟方向为北偏东36°。因为其平均煤层埋藏深度较浅，导致工作面在进行回采时会受到一定的采动影响，由于直接与采空区相连接使得地表裂隙形成，进而导致了有害气体散发降低了回风隅角处的氧气浓度。

(3) 大气压力。回风隅角氧气浓度与大气压力变化关系如图2所示，由图可得48小时内由于昼夜温差较大导致大气压力变化显而易见，大气压力高时回风隅角的氧气浓度就会变低，例如6月21日～6月22日期间地面温度在16～30℃之间，最小和最大大气压分别为89.10 kPa和89.45 kPa，所以这进一步导致了矿井下大气压力变化较为明显，随之采空区的有害气体大量外泄，所以回风隅角处的氧气浓度变低。

图2 回风隅角氧气浓度与大气压力变化关系图

3 回风隅角低氧防治技术措施

3.1 均压通风技术

均压通风技术的目的是为了保持采空区漏风通道两端的压力相等，使得压差降低，进而有效减少漏风情况出现。

布置均压风机。在6102进风巷安设4台2×55 kW对旋风机，2台使用，2台备用，均压风机采用三专(专用开关、专用电缆、专用变压器)供电，主备风机能自动切换，专用和备用均压风机电源可靠。均压风机供风区域必须实行可靠的风电闭锁和甲烷电闭锁。并在6102进风巷外口构建两道调节风门，风门安装闭锁装置及开关传感器，沿6102进风巷敷设2趟直径1 m的风筒穿过两道调节风门，风筒出风口距离调节风门不少于40 m，并安设U型水柱压差计。在6102回风巷构建增阻风门，材料为木板结构，并安设U型水柱压差计。对6102回风绕道调节风窗进行加固，安设U型水柱压差计，依据现场测定的工作面进、回风量、漏风情况及CO涌出量调节此处的调节风窗，使6102工作面漏风量控制在1.0 m3/s以下。均压风机型号为FBDNO8/2×55 kW对旋风机，两台使用两台备用且能自动切换，风量为：450～980 m3/min。根据均压的需要采用单机或双机运转。

均压通风尝试。均压通风系统于6月22日安装完毕并启动通风，设备调试测量了回风巷、进风巷和采空区的具体漏风量数值，三者变化关系如图3所示。由图中变化关系可得，在启动均压通风系统之后，22号晚班漏风情况有明显的好转，漏风量从初始3 m3/s降到最后的0.3 m3/s，使得工作面和采空区之间的压力差得到有效缓解并趋于平衡；另外，启动均压通风系统也使得氧气浓度维持在18%以上，一氧化碳保持在5～10 ppm，保证了煤炭资源正常、安全的开采,见表2。

图3 进风及回风风量比较

表2 启动均压通风后上隅角O2浓度和CO浓度

3.2 安装挡风帘和氧气监测

回风隅角处挡风帘和导风帘可以使得风流向回风隅角处偏移，这样不但能够使得采空区漏风现象得到有效缓解，同时也要加强氧气监测，实现回风隅角氧气浓度实时监测实时调节的目的，达到氧气浓度增加的效果。另外在回风隅角处设置“禁止入内”的标识，避免造成人员伤亡。

4 结论

(1) 分析后可得6102工作面回风隅角处有害气体来源大致可归结为采空区存在遗煤，在低温氧化的同时消耗了大量的氧气，使得低氧环境的产生；另外工作面回风隅角处大量低氧有害气体的涌出原因也可以总结成两种：一是浅埋深易自燃煤层典型的赋存条件，开采工作时不可避免的产生与地表直接连接的裂隙，成为了漏风的主要原因，同时由于负压作用致使低氧气体从上隅角涌出，形成了低氧环境；二是大气压力的影响，当大气压力骤降时上隅角处的氧气浓度也随之降低，这是由于采空区的内外压差造成气体外泄，使得工作面氧气浓度降低。

(2) 通过现场实践操作可得出，对于浅埋深煤层和上覆采空区的工作面可以通过均压通风为主，导风帘和气体检测为辅的方式解决工作面回风隅角处氧气浓度过低的问题，保证安全回采工作的顺利进行。