青龙寺煤矿首采工作面低氧防治实践

邓 健

（榆林神华能源有限责任公司 青龙寺煤矿分公司，陕西 榆林719408）

氧气是人维持正常的生理活动所必须的气体，空气中氧气体积分数降低到正常浓度以下时，会让人出现多种不良生理反应，身体也表现出较多不适症状，严重会造成人缺氧窒息死亡[1]。矿井在生产过程中所出现的工作面低氧问题一直是煤矿企业安全生产所面临的灾害之一[2-3]，也是青龙寺煤矿安全开采工作的重点。青龙寺煤矿属浅埋藏煤层，5-2煤层瓦斯成分带属于二氧化碳-氮气带，同时采空区内遗煤在低温氧化过程中生成一定量的低氧气体，加之矿井在通风负压及大气压昼夜变化影响下，采空区内的低氧气体会大量涌出，严重威胁煤矿安全生产，因此采取了有效措施来防止青龙寺煤矿首采工作面出现低氧现象。

1 矿井概况

青龙寺煤矿位于陕北黄土高原东北部，地形切割较为严重，地貌属较为典型的黄土丘陵沟壑区，井田内整体地势为东北高，西南低，煤层所属瓦斯成分带为二氧化碳-氮气带，井下煤层近似水平状，煤质为不黏煤变质程度低。矿井通风方式为中央并列式，采用机械抽出式通风方法，有主、副平硐2个进风井，有1个回风井。现主采5-2煤层，煤层为I类自燃煤层，最短自然发火期30 d，煤尘具有爆炸性。

1）工作面概况。青龙寺煤矿5-20101工作面是5-2煤一盘区首采工作面，其西侧为石窑店煤矿井田，东侧是5-2煤中央大巷，南侧是5-2煤西翼大巷，北侧紧邻5-20102工作面。工作面走向长度3 767.3 m，工作面倾斜长度301.5 m。煤层地面标高1 158.9～1 261.9 m，底板标高1 006.1～1 030.2 m，煤厚1.83～3.02 m，设计采高2.38 m。煤层中所带有的夹矸较少，仅仅在中部含有1层厚度大约0.1 m的夹矸，平均倾角≤1°，煤层中存在局部地区倾角过大现象，开采方法是一次采全高综合机械化采煤方法。

2）工作面通风系统。5-20101工作面通风方式为U型全负压抽出式通风，工作面巷道与5-2煤中央大巷垂直布置，工作面切眼位于井田西侧边界线，北为设计5-20102工作面。5-20101工作面通风系统示意图如图1。具体为：主（副）斜井→5-2煤辅运大巷→5-2煤西翼辅运大巷、5-20101运输巷（单巷段）→5-20101工作面辅运巷→5-20101综采工作面→5-20101、5-20102回风巷→5-20102回风巷（单巷段）→5-2煤中央回风大巷→回风立井→地面。

图1 5-20101工作面通风系统示意图Fig.1 5-20101 ventilation system of working face

2 工作面低氧现象发生及原因分析

2017年8月25日—9月3日，青龙寺煤矿5-20101综采工作面回风隅角氧气传感器报警61次，最低氧气体积分数15.31%，报警时长共计1 h 42′8″。期间测定回风隅角CO体积分数最高为75×10-6，同时又调查以往气体数据，发现5-20101工作面在开采期间回风隅角氧气体积分数均维持在18.5%～20.1%之间，CO体积分数在12×10-6～30×10-6之间。

矿井生产过程中造成上隅角低氧是1个多种因素共同作用的结果[4-7]，工作面低氧现象原因为：

1）大气压变化对工作面低氧影响严重。5-2煤层瓦斯成分带属于二氧化碳—氮气带，采空区遗煤会解析出氮气和二氧化碳，造成积聚体积分数升高。且当时正在秋季，气温、大气压力昼夜变化相对较大，经研究显示，若大气压在1 d内下降幅度大于400 Pa时，工作面就容易出现低氧现象，当下降幅度再次增加时，低氧情况也变得更加严重，2017年8月26日，地面温度为5～27℃，当日测得大气压最高896 hPa，最低876.5 hPa，降幅1 950 Pa，5-20101工作面采空区内外压差由80 Pa升至480 Pa，采空区“呼吸作用”显著。内外压差变大，采空气高体积分数氮气向综采工作面负压最低点回风隅角涌出，导致风隅角出现氧气体积分数降低现象。工作面上隅角氧气体积分数与大气压力变化关系图如图2。

图2 工作面上隅角氧气体积分数与大气压力变化关系图Fig.2 Relationship between oxygen concentration atmospheric pressure in upper corner of working face

2）采空区遗煤低温氧化产生低氧气体。青龙寺煤矿现开采5-2煤为I类易自燃煤层，自然发火期短。工作面回采过程中机头、结尾端头支架架间存在浮煤，采空区内垮落后综采工作面副帮会存在片帮现象，片帮煤会掉落在采空区内，因此工作面两巷道和开切眼区域产生大量遗煤，这些煤在氧化过程中会消耗大量O2，并形成CO和CO2等有害气体，此时有害气体会随采空区内风流流向综采工作面回风隅角，导致综采工作面回风隅角氧气体积分数低。

3）采空区水气置换造成低氧气体涌出。青龙寺煤矿从2017年5月3日起将井下沉淀池的煤泥水向5-20101综采工作面采空区灌注2 400 m3，在7月10日又将地面污水处理厂的3 100 m3煤泥水灌注到5-20101综采工作面采空区，2次共灌注水5 500 m3。正值夏秋交替，煤矿所在地区雨水较多，通过地表裂隙部分雨水可能流入到采空区内，灌注的煤泥水和流入采空区的雨水同时作用，会将采空区内产生的低氧气体挤压出来，并流向综采工作面回风隅角，导致综采工作面回风隅角氧气体积分数低。

4）尾巷正压风机通风影响。由于5-20101综采工作面采空区需要灌注煤泥水和施工5-20101采空区防火密闭等工作，需要向5-20101辅运巷尾留巷道采用正压局部通风机供风，供风过程中就会加大5-20101辅运巷尾留巷道与5-20101综采工作面采空区之间的压差，导致5-20101辅运巷尾留巷道密闭向采空区内漏风加大，造成5-20101综采工作面回风隅角氧气体积分数低。

5）顶板大面积垮落。经过现场观察分析，近期5-20101工作面在回采过程中上下端头退锚不及时，导致悬顶面积达到5 m×15 m，在顶板大面积垮落瞬间会将采空区内低氧气体挤压排出，因此工作面上隅角会在瞬间产生低氧报警现象。

3 工作低氧治理技术措施

3.1 建立自然发火监测监控系统

通过不同的产物情况来对采空区内遗煤自燃进行预测预报[8-9]。5-20101工作面为首采工作面，其周边环境较为简单，随工作面推进本采空区成为自然发火监测的重点区域，采用火灾束管监测系统与人工取样相结合的方法，同时结合安全监测监控系统和便携式仪表监测的自然发火预测预报措施[10]。

1）工作面气体监测。通过安装传感器来对工作面气体进行实时监测，具体包括氧气、温度、一氧化碳、烟雾和瓦斯浓度传感器，5-20101工作面传感器布置图如图3。各传感器设置的报警值具体为：氧气传感器氧气体积分数≤18%、一氧化碳传感器一氧化碳体积分数≥24×10-6、温度传感器报警温度≥30℃、瓦斯浓度传感器≥1.0%。

图3 5-20101工作面传感器布置图Fig.3 5-20101 working face sensor layout

2）采空区内气体监测。在工作面回风巷内实施预埋束管对采空区气体进行监测，每根束管连接1个监测点，共布置监测点4个，各监测点相距50 m，这样可有效监测采空区内气体，准确判断采空区中遗煤所处氧化阶段和自燃发展趋势。所布测点会随工作面推进依次进入到5-20101采空区中，当监测点1距工作面50 m左右时，断开监测点4，重新布置监测点，依次循环至回采结束。同时在回风一侧通过5-20102回风巷联巷密闭观测孔进行人工取样实现对5-20101采空区气体监测分析。采空区监测点布置示意图如图4。

图4 采空区监测点布置示意图Fig.4 Layout of monitoring points in goaf

3.2 井上下封堵漏风

青龙寺煤矿属浅埋藏煤层，地形割裂现象较严重，在开采过程中采空区上部易出现严重的地表裂隙，因此要加强地表回填堵漏的管理，采空区地表裂缝要随采随填，不得滞后工作面回采线超过50 m。同时矿上要安排专门人员不少于每周1次的对回填工作进行巡查，发现裂缝立即通知施工部门回填，降雨后第2 d要对整个采空区进行检查，发现被雨水冲开的裂缝要及时回填掩埋，从而减小通过地表缝隙向采空区内漏风。

减少采空区上下端头向工作面漏风，在综采工作面上、下隅角必须设置挡风帘并维护到位，挡风帘必须严格沿工作面顶线悬挂，侧面紧贴巷道帮部。工作面两端头要及时退锚，两巷道退锚要做到超前工作面20 m，以便采空区内充分垮落，减小悬顶距离，从而减少采空区漏风。加强密闭管理，巷道之间连巷密闭时要严格按照要求进行施工，若发现漏风情况及时进行封堵，降低采空区漏风。

3.3 降低矿井通风负压

通过改善矿井内通风系统结构、风量有效合理配置、封闭无用的巷道等措施来提高矿井风量利用率。通过采用降阻法调节井下通风系统，消除主要回风大巷局部风阻较大地点设施，减少矿井内总阻力来降低2个风井两端的通风负压。将主要通风机叶片的安装角度调到合理位置，保证主要通风机在最佳工况点运行。

3.4 加快工作面推进速度及减少采空区遗煤

1）加快工作面的推进速度。其月最低推进度vmin可按照公式vmin=L/d来计算（式中：L为所采工作面采空区中最大氧化带宽度，根据青龙寺煤矿采空区“三带”划分结果显示，L取329 m；d为煤层最短自然发火期，取28 d），经计算，在工作面推进过程中，必须保证综采工作面日推进度至少为12 m，采空区才会没有自然发火的危险。

2）减少采空区遗煤。在回采过程中采用沿顶沿底的割煤方法来提高回采率，每割1刀煤要及时清理支架间的浮煤，防止留煤进入采空区内。同时对“两道两线”区域与上下隅角中的浮煤进行喷洒阻化剂，阻止煤与氧气接触抑制煤氧化自燃反应的发生。

3.5 采空区注氮及惰化浮煤

在矿井生产中通常会采取预防性注氮措施来抑制采空区内浮煤的氧化自燃。氮气是一种惰性气体，注入采空区内不仅可以有效降低氧气含量来抑制浮煤氧化，还可以增大采空区内的静压强来减小两巷道与采空区之间的漏风压差，从而减少由巷道进入采空区中的漏风量。另外注入的氮气可有效起到降温作用，吸收遗煤在缓慢氧化中产生的热量，降低遗煤氧化升温速度。

3.6 低氧防治效果

通过采取建立自然发火监测监控系统、降低矿井通风负压、加强井上下封堵漏风、加快工作面推进速度、减少采空区遗煤、采空区注氮及惰化浮煤等治理措施，5-20101工作面上隅角氧气体积分数恢复至18%以上，一氧化碳体积分数降至30×10-6以下，低氧现象得到解决，治理效果显著。

4结论

1）初步判定大气压力变化影响、采空区遗煤低温氧化、顶板大面积垮落是导致5-20101综采工作面回风隅角低氧的主要因素。

2）采取井上下封堵漏风、降低矿井通风负压可对低氧问题进行有效控制，实现工作面安全回采。

3）控制低氧气体的产生是防治工作面出现低氧现象的根本，减少采空区遗煤、加快工作面推进度并惰化遗煤可以有效控制低氧气体的产生。