7 m大采高综采工作面低氧抽放技术研究与应用

2023-02-21秦清河韩文杰

中国煤炭 2023年1期

秦清河，韩文杰

(国能神东煤炭集团有限责任公司大柳塔煤矿，陕西省榆林市，719315)

1 煤矿概况

大柳塔煤矿目前正在回采的52506工作面是52号煤层五盘区第6个综采工作面，工作面沿煤层倾向布置，南侧为52号煤层五盘区52501～52505采空区、北侧为52507接续工作面。工作面长301 m，推进长度3 871 m，煤层倾角为1°～3°，埋深由开切眼向回撤通道方向逐渐递增，煤层为Ⅰ类易自燃煤层，自然发火期为52 d。工作面煤层厚度6.80～7.62 m，平均7.30 m，使用7 m支架回采，设计采高6.8 m。采用倾斜长壁一次采全高全部垮落法综合机械化开采。

工作面于2021年8月开始回采，采用“U”型负压通风方法，工作面配风量1 900 m3/min，回采期间回风隅角、机尾安全出口、工作面出现不同程度的低氧现象，最低O2浓度为17%，且根据邻近已回采工作面经验，随着工作面推进，采空区连通面积增加，低氧现象会呈持续下降态势，回风隅角最低O2浓度将降至14%左右。

目前，陕西、内蒙古、新疆等地区煤矿均出现类似的低氧问题，该致灾因素具有隐蔽性、时变性、突发性，和其他隐蔽致灾因素相比，其受采空区漏风大小、大气压变化影响较大，很难控制，易造成人员窒息、死亡，严重影响工作面安全生产。

依靠传统方法治理低氧问题已无法满足安全需要。反观神东北部矿区回风隅角抽放瓦斯的工作面，从未出现低氧现象，为回风隅角低氧治理提供了新思路，即利用瓦斯抽放原理，对研究回风隅角低氧治理新技术具有重要意义。

2 低氧原因分析

2.1 煤层瓦斯赋存处于CO2-N2带

根据神东中心矿区煤层瓦斯成分分析结果，N2含量为83.72%～99.14%，平均97.71%，CH4含量为1.67%～15.29%，CO2含量为0.85%～5.33%。根据采空区内气体成分分析，N2含量为91%～96%，CO2含量为2.1%～9.5%，CH4含量为0.1%～0.5%，O2含量为2.2%～5.4%，开采煤层处于瓦斯风化带内的CO2-N2带，瓦斯涌出的主要形式是N2涌出[1]。

2.2 本采空区遗煤氧化

工作面回采过程中，采空区遗煤厚度约为0.5 m；“两道两线”(进风巷、回风巷、开采线、终采线)遗煤厚度约为3.1 m，顶板垮落后煤体破碎，增加了氧接触面，加速氧化，氧化产生CO、CO2等有毒有害气体[2]。工作面采用“U”型负压通风，机尾回风隅角为工作面流场负压最低点，采空区内有毒有害气体从回风隅角涌出，造成回风隅角区域低氧[3-4]。

2.3 邻近采空区有害气体涌出

邻近的52505采空区与52506工作面回风巷留设20 m宽的安全煤柱，每50 m留设1个联巷，联巷内施工防火密闭，邻近采空区内最低O2浓度在2%左右，在52506工作面回采过程中，52506回风巷受二次采动影响，在负压通风的作用下，52505采空区内的有毒有害气体从采空区联巷密闭裂缝、煤柱裂隙涌出，造成回风隅角区域低氧[5]。

2.4 地表裂隙漏风影响

根据神东矿区实际生产经验，存在低氧现象的综采工作面埋深较浅，而52506工作面埋深65～180 m，上覆基岩和松散层厚度小，地表塌陷裂隙宽度为0.1～1.5 m。随着工作面推进，纵横交错的裂隙同步产生，经SF6漏风测试表明回采过程中采空区均有裂缝沟通地表，形成地表至采空区漏风通道[6-7]，漏风量约37 m3/min。在负压通风作用下，裂隙漏风进入井下，将采空区内的有毒有害气体带出，在工作面回风隅角形成漏风汇[8]，导致此区域低氧。

3 低氧抽放技术研究与应用

3.1 低氧抽放原理

通过上述分析可知，采空区有毒有害气体主要从回风隅角涌出，在隅角安设负压抽放管路，改变回风隅角气体流向[9]，均衡回风隅角和采空区之间压差，将原本涌出的有害气体直接抽排掉，从而在一定程度上减缓或抑制采空区内有毒有害气体的涌出，以达到预防低氧的目的[10-11]。

3.2 采空区有害气体抽放技术的实施

3.2.1 抽放设备选型及系统形成

(1)抽放泵站位置确定。抽放泵站硐室选择在52506设备列车斜巷内。新鲜风流由辅运大巷进入抽放硐室，污风经52506回风绕道进入52号煤层回风大巷，使抽放硐室形成独立通风系统。硐室内设置2个15 m3循环水池，水池墙高不得高于抽放泵的出水高度，为保证水质，供水管路出口加装过滤装置[12]。工作面采空区有害气体抽放系统如图1所示。

(2)抽放泵选型。通过对管路阻力进行计算，并根据抽放负压需要，结合现有水环真空泵的性能曲线，选用2台CBF530-2BG3水环真空泵型矿用移动式水环真空泵，其中1台运行，1台备用。瓦斯抽放泵额定抽放量为250 m3/min，电机功率为315 kW[13]。

(3)抽放管路选型。抽放管路直径D可采用下式计算得出[14]：

式中：D——抽放管路内径，mm；

Q——抽放管内混合流量，m3/min；

V——抽放管内气体平均流速，m/s。

工作面漏风量为37 m3/min，考虑2倍的富裕系数，取74 m3/min，气体平均流速本次取12 m/s，计算得到抽放管路内径为362 mm，选用规格为Φ400 mm的抽放管路。

(4)抽放系统的形成。抽放管路铺设在52506回风巷内，长度2 800 m，靠副帮铺设距底板高0.3 m，每5个联巷安设1个龙门，以方便车辆调头。管路至工作面回风隅角50 m段采用Φ600 mm负压风筒连接，并在上隅角端头架上固定1节6 m长抽放管路与风筒连接，管路深入采空区长度约3～4 m。随着工作面的推进，将负压风筒套在端头架固定的抽放管路上，防止负压风筒被吸扁[15]，工作面每推进50 m回收一次巷道内的抽放主管路，实现循环利用。

抽放管路排风口安设在52506回风绕道，将抽放出的有毒有害气体直接排至回风大巷，具体如图1所示。

图1 工作面采空区有害气体抽放系统

3.2.2 抽放量的确定原则

(1)抽放量计算。根据工作面漏风量大小确定抽放量，经实测地表漏风量约37 m3/min，工作面日推进度约15 m，支架后侧采空区因垮落不严重形成的扇形漏风量约60 m3/min，隅角托管抽放时挡风帘遮挡不严密导致的漏风量约10 m3/min，最终确定有害气体抽放量在110 m3/min左右。

(2)抽放管路深入采空区最佳长度。提前在工作面回风隅角副帮安设30 m管路，对接至抽放系统上，随着工作面推进，管路将逐步深入采空区，工作面每推进一刀，就测定一次回风隅角的O2浓度。不同埋管深度O2、CO浓度的抽放效果如图2所示。经现场试验得知：抽放管路深入挡风帘内15 m左右时，抽放效果最佳，回风隅角O2浓度可达到20%左右，考虑顶板垮落砸坏管路、管路回收安全及防止采空区自然发火等因素，最终确定抽放距离为3～4 m[17-18]。