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，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山西組2#煤層，屬近水平至緩傾斜穩定可采厚煤層，煤層厚度2.40～3.40 m，平均2.98 m，含一層穩定夾矸，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，2#煤厚2.40 m左右，普氏硬度2.0，局部分岔，分岔區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#煤揮發分25.64%，自燃傾向性等級為Ⅱ類，為自燃煤層，自然發火期為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，發現12505工作面上隅角時有發生高溫低氧的現象，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漏風流，其中采空區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 采空區漏風流

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

采空區瓦斯稀釋的因素：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)的監測數據如圖1所示。

圖1 12505工作面采空區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遺煤較多，大量的遺煤耗氧降低了漏風的氧氣濃度。

采空區注氮量稀釋因素：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。

上覆臨近層采空區氣體下泄的稀釋因素：12505工作面采空區上覆煤層采空區為4#煤層11003工作面、43308工作面采空區，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。根據臨近工作面的生產經驗判斷采空區上覆巖層裂隙已與上部老采空區聯通，老空區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 工作面治理現狀

12505工作面于9月12日采取均壓通風措施，根據通風區的觀測數據、地面瓦斯抽采泵站監控數據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。回風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。回風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。上隅角最大瓦斯濃度較均壓前有所降低，由平均0.75%降低至平均0.55%。

根據現場查看結果，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采位處上覆采空區的放水孔的“U”壓差計讀數ΔP為-9.7 mH2O，12505工作面氣體壓力較上覆煤層采空區氣體壓力小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。

均壓通風系統優化：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氣體壓力低97 Pa。

由雙層采空區流場平衡條件可知，合理的工作面壓力應當使上下采空區間流場的平衡點位于雙層采空區間的巖層高度范圍內。從安全的角度出發，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間為[1 301 Pa，2 594 Pa]，馬蘭礦工作面最高升壓為1 400 Pa。從現場實際情況可知：工作面壓力越大，采空區危險性系數越高，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氣體下泄和減小采空區漏風量的目的。

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，將部分采空區涌出氣體通過風筒引排，降低采空區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。

加強后期觀測：在回采過程中，應當加強上隅角氣體的觀測，做好設備運行數據的統計，及時調整相關措施的參數，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定范圍，氧氣監測探頭未出現報警現象，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計，采取相應措施后氧氣濃度均大于18.5%，治理效果明顯。