近距离上覆特大采空区综采工作面低氧综合应急处置技术

田 臣，李 斌

（国家能源集团神东煤炭集团 补连塔煤矿，内蒙古 鄂尔多斯017209）

当超大采高、超长走向的综采工作面开采结束后形成了特大面积采空区。随着各大煤田开采的深入，下层煤综采工作面便须在上覆特大面积采空区的条件下进行开采作业，随之出现的综采工作面低氧问题成了威胁采矿安全的技术问题[1-3]。为此神东矿区采矿人在深入理论研究的基础上，结合现场生产实际，研究出了一套针对近距离上覆特大采空区综采工作面低氧综合应急处置技术。

1 矿井概况

补连塔煤矿位于东胜煤田神东矿区东南部，行政辖区隶属伊金霍洛旗乌兰木伦镇。补连塔煤矿是神东煤炭集团所属骨干矿井之一，井田面积106.578 9 km2，2015 年矿井核定生产能力为2 800 万t/a，目前实际生产能力达到2 800 万t/a。矿区构造为简单的单斜构造，地层倾向基本为向西偏南倾斜，地层倾角一般1°～3°左右，断层不发育，地质条件简单。矿井采用分煤层盘区大巷布置方式，水平内布置集中辅运、运输、回风大巷，工作面采煤工艺为一次采全高，采煤方法为倾斜长壁后退式全部垮落综合机械化采煤法。井田可采煤层7 层，当前主要开采煤层为12 煤、22 煤。

12 煤层位于延安组上岩段，煤层埋深16.56～352.12 m，平均为197.10 m。煤层厚度0.20～9.00 m，平均厚3.85 m，属厚煤层，变异系数为29%，煤层厚度变化不大；可采煤厚0.8～9.39 m，平均3.92 m；煤层结构较简单，大多含0～1 层夹矸，少数含2～5 层夹矸，厚度0.01～2.7 m，岩性多为砂质泥岩。煤层厚度在井田中南部达到最厚，向西北、向东部逐渐变薄，总体上为南部最厚，东部次之，西北最薄，变化规律明显。22 煤层位于延安组中岩段的上部，煤层埋深10.56～387.12 m，平均为256.09 m。煤层厚度1.25～8.15 m，平均厚5.79 m，属于厚煤层，变异系数24%，煤层厚度变化不大；可采煤厚1.25～8.15 m，平均厚5.79 m；该煤层结构中等，大多含0～2 层夹矸，个别煤层含3～7 层夹矸，夹矸厚度0.01～1.41 m，岩性多以泥岩、砂质泥岩为主。煤层东南最厚，由东南而北、由东向西逐渐变薄，规律明显。煤层顶板岩性主要为砂质泥岩和泥岩。

22 煤层距12 煤层21.35～51.42 m 之间，平均37.06 m。当前22 煤三盘区上覆12 煤三盘区采空区面积达到1 810 km2，22 煤四盘区上覆12 煤四盘区采空区面积达到2 207 km2。由此分析，22 煤的开采为典型的近距离上覆特大采空区综采工作面开采。

2 综采工作面低氧危害及低氧现象

2.1 不同较低浓度的氧环境对人体伤害

研究发现：氧气体积分数在17.0%时，人员静止无影响，工作时会出现喘息、呼吸困难现象；氧气体积分数在15.0%时，人员呼吸、脉搏急促，感觉及判断能力减弱以致失去劳动能力；氧气体积分数在10.0%～12.0%时，人员失去理智，时间稍长就有生命危险；氧气体积分数在6.0%～9.0%时，人员立即失去知觉，呼吸停止，几分钟内心脏尚能跳动，抢救不及时会导致死亡。

2.2 同一煤层不同盘区工作面低氧现象

补连塔煤矿22 煤三盘区煤层平均厚度7.2 m，共布置10 个综采工作面。22 煤三盘区上覆12 煤三盘区采空区，煤层间距30.2～62.5 m，上覆12 煤三盘区开采完毕后，形成近距离上覆特大面积采空区。

22 煤三盘区多个综采工作面在回采过程中，回风隅角氧气体积分数低至10.0%，回风风流流氧气体积分数低至14.0%，工作面架间氧气体积分数低至16.0%，低氧问题一直威胁着工作面的安全生产。例如22306 综采工作面共布置160 台7.0 m 大采高液压支架, 工作面在生产过程中曾经出现90#～160#支架氧气体积分数均低于18.0%的大面积低氧现象，回风隅角氧气体积分数最低达10.0%，低氧问题严重影响了矿井的安全生产。

2.3 同一煤层相同盘区相邻工作面低氧现象

补连塔煤矿22411 综采工作面为22 煤四盘区首采工作面，采高6.2 m，工作面共布置150 台7.0 m 大采高液压支架，22411 采空区与22410 综采工作面相邻，其开采环境及条件与22 煤三盘区类似，上覆12 煤四盘区开采完毕后，形成近距离上覆特大面积采空区。

22411 综采工作面在回采过程中，曾经出现120#～150#支架氧气体积分数均低于18.0%的大面积低氧现象，回风隅角氧气体积分数低至13.0%，回风风流流氧气体积分数低至15.0%，低氧问题同样威胁着矿井的安全生产。

3 综采工作面低氧现象分析及呈现规律

3.1 综采工作面低氧现象的表现形式

通过对22 煤三盘区综采工作面及22 煤四盘区的22411 综采工作面低氧现象的总结，根据综采工作面低氧现象的影响范围，低氧分为局部低氧和大面积低氧。局部低氧一般表现为：综采工作面回风隅角低氧、综采工作面机尾后1～3 台支架架间低氧、机尾回风行人通道低氧。大面积低氧一般表现为：综采工作面架间至回风巷段呈现“L”形工作面及回风巷道低氧。

3.2 综采工作面低氧呈现规律

通过对22 煤三盘区综采工作面及22 煤四盘区的22411 综采工作面低氧现象总结及数据记录分析，其低氧现象主要呈现如下规律[4-6]：

1）年度季节规律。春、秋2 季综采工作面出现低氧现象最为频繁，夏季综采工作面出现低氧现象频率次之，冬季综采工作面出现低氧现象频率最低。

2）当天时间规律。在1 d 之内，12：00—18：00时间段，综采工作面出现低氧现象最为频繁；18：00—20：00、8：00—12：00 时间段，综采工作面出现低氧现象频率次之；20：00—8：00 时间段，综采工作面出现低氧现象频率最低。

3）特殊天气规律。当1 d 之内出现自然大风、暴雨、暴热等特殊天气导致大气压力急剧变化时，综采工作面一般会出现低氧现象。例如补连塔煤矿的22煤三盘区综采工作面及22 煤四盘区的22411 综采工作面，当1 d 之内大气压降低幅度达到500 Pa时，22306～22310、22411 综采面机尾后3 架一般会出现低氧现象，如果大气压降低幅度更大，低氧范围随之扩大。

4 工作面低氧综合应急处置技术

4.1 局部低氧应急处置技术

1）关键岗位人员管控。①综采队为综采工作面低氧防治的第1 责任单位，当班跟班队长是现场管理第1 负责人，负责组织、协调低氧期间相关工作及低氧处置措施落实；②瓦检员负责对工作面气体进行全面检查，对易低氧区域重点检查，发现气体异常及时汇报生产指挥中心启动处置措施；③生产指挥中心监测值班人员每隔1 h 对大气压力情况测定，随时对综采工作面气体情况监测。当工作面回风隅角O2体积分数低于18.0%或同1 d 内大气压差变化超过450 Pa 时，立即通知综采队、通风队启动低氧处置措施，同时，综采队跟班队长在机尾安全出口处、低氧区域上风侧20 m 处设置警戒，悬挂“低氧区域、禁止入内”警示牌；④进入综采回风隅角区域的所有人员必须携带1 套便携式氧气、一氧化碳、甲烷便携仪并正常开启，否则不得进入，工作面全员监督；⑤正常情况下，严禁任何非通风岗位人员在综采回风隅角及后3 台支架内停留；⑥当综采机尾后3 台支架内O2体积分数接近18.0%且有下降趋势时，机尾后3 台支架及行人过道内严禁安排作业；⑦综采工作面瓦检员及跟班队干每班动态检查上隅角气体情况，发生低氧时立即组织撤人并给通风队及调度指挥中心汇报。

2）高概率低氧区域气体实时监测。根据综采工作面低氧发生规律，补连塔煤矿22411 综采工作面在生产过程中对高概率低氧区域做出气体实时监测措施：①综采工作面每隔30 台支架安设1 组氧气、一氧化碳、甲烷便携仪，实时监测工作面气体情况并及时报警；②综采工作面机尾后3 台支架各安设1台氧气便携仪，机尾行人通道煤帮距上隅角3、10 m处各安设1 组氧气、一氧化碳、甲烷便携仪，实时监测机尾区域气体情况并及时报警；③综采工作面上隅角安设1 组氧气、一氧化碳、甲烷传感器，通过矿井KJ90X 型安全监控系统在线实时监测工作面上隅角气体变化情况并及时报警；④综采工作面上隅角设置1 套低氧预警系统，即在最后1 台支架内1.2 m 高处吊挂1 台氧气传感器，在倒数第5 台支架安设声光报警装置，发生低氧后警示人员请勿进去低氧区域；同时，该系统将低氧报警信息传输至地面调度指挥中心，方便地面对井下安全注意事项作出指导。

3）关键区域设施设备配备。①综采工作面进、回风隅角通采空区区域安设严密挡风装置，阻止采空区低氧气体涌入工作面；②综采工作面机尾后3 台支架安设“L”型导风帘，将工作面正常风流引流至上隅角及机尾三角区；③综采工作面机尾倒数第3台支架空间内安设2 台引风器，用来将自然空气引入高概率低氧区域。引风器必须使用足够风源，正常情况开启1 台引风器，出现局部低氧时开启2 台引风器减缓低氧程度。

4）低氧预警及处置措施。当工作面回风隅角O2体积分数低于18.0%或同1 d 内大气压差变化超过450 Pa 时，调度监测值班人员立即安排专职瓦检员到上隅角进行低氧盯防，并通知综采队、通风队启动低氧处置措施。同时，综采队跟班队长在机尾安全出口处、低氧区域上风侧20 m、综采回风口处设置警戒，禁止任何人员进去低氧区域。

4.2 大面积低氧应急处置技术

4.2.1 均压通风技术

均压通风技术是通过在工作面应用均压和泄压通风技术,以调整工作面和采空区压力差,从而减少采空区有害气体涌出量[7-10]。当综采工作面出现大面积低氧现象现场无法处理时，经矿总工程师及矿长批准，立即启用日常处于热备用状态的均压通风系统。

1）均压通风设施设备布置。在22409 均压硐室内安设3 台75 kW 均压风机；在22409 回风巷口施工3 道均压风门，其中2 道为自动风门，1 道为手动行车风门，正常情况下风门处于开启状态，均压系统应用时可远程控制开启；在22410 回风巷2-3 联巷之间施工3 道均压风门，其中2 道为自动风门，1 道为手动行车风门，正常情况下风门处于关闭状态；22410 回风巷0 至回风巷1 联巷之间施工3 道均压调节闭；在22410 回风巷3 联巷通22411 运输巷处施工2 道均压调节密闭，正常情况下均压调节闭保持“长开”状态，均压系统应用时可远程控制通风断面及均压系统内外压力。22410 综采工作面均压通风设施设备布置图如图1。

图1 22410 综采工作面均压通风设施设备布置图Fig.1 22410 fully mechanized mining face pressure equalization ventilation equipment layout

2）均压风机选型。根据风量和工作风压，选择3台（两用一备）FBCZ-6-№16/75 型75 kW 压入式轴流风机即可满足工作面供风要求，均压风机技术特征表见表1。

表1 均压风机技术特征表Table 1 Technical characteristics table of equalizing fan

3）风量分配。如果22410 综采工作面启用均压通风，综采工作面配风量不变，各主要地点风量分配表见表2。

4.2.2 “三网融合”应急联动技术

所谓的“三网”指的是KJ761 人员定位系统、KT590 矿用IP 网络广播系统、KJ90X 安全监控系统。通过矿井自动化网络的优化完善，完成了矿井安全监控、人员定位、语音广播系统的“三网融合”应急联动功能。当综采工作面发生大面积低氧现象时，“三网融合”系统可以自动发出报警信号、播放报警语音，精准快速的提醒、警示井下危险区域作业人员疏散和撤离。

表2 各主要地点风量分配表Table 2 Air volume distribution table of main locations

22410 综采工作面机头控制台处、机尾超前支架处各存放30 台ZYX-45 型压缩氧自救器，当综采工作面发生大面积低氧时，各岗位员工迅速佩戴好自救器，按照以下路线撤离：作业地点→22410 综采工作面→22410 主运巷→22409 回风巷→22 煤四盘区辅运巷→22406 回风巷→22 煤辅运大巷→1#、2#辅运平硐→地面。

在撤离的路线上，每隔1 000 m 安设1 个自救器过渡站，自救器过渡站可以实现与外界的完全空气隔离，过渡站内存放足够15 个人生存96 h 的空气、食品、水灯、照明矿灯等生活必须品。员工在撤离的过程中可以到自救器过渡站内更换随身携带的自救器，也可以进行段时间的休息。

4.2.3 紧急救护

矿井每年与神东矿山救护大队签订救护协议，井下发生事故后10 min 即可内抵达矿井开展救援工作。同时，矿井成立了由21 人组成的兼职矿山救护队，所有救护队人员体检合格，均持证上岗。每个队员配备1 台由德国生产的BG4 型正压氧气呼吸器，每个小队配备2 台MZS-30 型自动苏生器，以及其他必要的技术装备。

当综采工作面发生大面积低氧现象时有人员受伤或者被困时，经矿总工程师及矿长的批准，神东矿山救护大队及兼职矿山救护队可以第一时间前往现场对受伤人员进行急救，并解救被困人员。

5 结 语

近距离煤层上覆特大采空区综采工作面在开采过程中极易出现低氧问题，该问题严重威胁着矿井的安全生产；综采工作面低氧现象分为局部低氧和大面积低氧，低氧现象有规律可循，根据其呈现的规律预测可评估类似开采条件综采工作面的低氧问题；根据综采工作面低氧现象的分类，可采取局部低氧应急处置技术、大面积低氧应急处置技术降低低氧带来的风险，确保矿井安全生产。