潘榮錕，劉 偉，李懷珍，晁江坤，王 亮

（1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2. 煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；3. 中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

隨著我國中東部地區(qū)煤炭資源逐漸枯竭，煤炭開采的主戰(zhàn)場逐漸向西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，西部地區(qū)將成為我國能源供應(yīng)的主要基地。 近年來西部礦區(qū)相繼建成了一批大型、特大型礦井，如神華集團的神東礦區(qū)、烏達礦區(qū)、中煤能源平朔井工礦區(qū)、大同礦區(qū)等，這些礦區(qū)目前的賦存條件大部分屬于淺埋近距離煤層群開采。 根據(jù)GB 8959—2006《缺氧危險作業(yè)安全規(guī)程》，礦井為缺氧危險作業(yè)場所中的地下有限空間，缺氧危險作業(yè)氧氣報警體積分數(shù)為19.5%。當氧氣體積分數(shù)為17%時，現(xiàn)場人員從事一般勞動強度工作會出現(xiàn)呼吸困難等情況，氧氣體積分數(shù)低于12%時，工作人員會休克甚至死亡［1］。 因此，對貧氧致因及防治的研究具有重要意義。

在貧氧致因及防治方面，國內(nèi)學(xué)者做了很多研究。 如梁棟林［2］利用改良后的大直徑鉆孔配合套管護孔抽采技術(shù)有效防控上覆采空區(qū)有害氣體向本工作面下泄。 王新成［3］利用本煤層向上覆采空區(qū)施工短布距截流抽采鉆孔抽采，從根本上提高了工作面上隅角氧濃度。 葉慶樹等［4］通過采空區(qū)氣體濃度變化模擬試驗，提出了導(dǎo)致低氧的原因可能是N2的涌出稀釋或者O2被煤體物理吸附。 聶含張［5］采取OF25—190 型手提風(fēng)動式風(fēng)機配合臨時導(dǎo)風(fēng)障的方法使工作面氧氣濃度穩(wěn)定在了規(guī)定范圍。 賈寶財?shù)龋?］針對采面隅角為采空區(qū)風(fēng)流匯合處的低氧原因，采用設(shè)置采面隅角擋風(fēng)簾等措施較好地處理了上隅角瓦斯超限。 路志堂等［7］采用安設(shè)大流量風(fēng)水引射器等方法，增加了上隅角處空氣流動量。錢竹響［8］分析上隅角瓦斯積聚的原因及規(guī)律，針對性地提出了高位裂隙鉆孔抽采等措施，對防治上隅角瓦斯積聚超限提供了參考。 周巨欽［9］從分析低氧機理入手，提出了頂抽巷反風(fēng)等方法，有效解決了上隅角低氧對安全生產(chǎn)的制約和影響。 菅躍榮［10］對隅角氧氣濃度低的原因進行充分分析，提出了回風(fēng)隅角管理，優(yōu)化通風(fēng)管理等綜合治理措施，確保了綜采工作面的安全生產(chǎn)。 楊俊哲［11］從巷道支護及聯(lián)絡(luò)巷密閉施工等方面闡述了解決回風(fēng)隅角氧氣濃度低的主要措施。 王偉［12］從低氧氣體來源及涌出原因分析，采取了回風(fēng)隅角安設(shè)專用抽排風(fēng)機等綜合措施確保了回風(fēng)隅角氧氣濃度處于正常水平。方保明［13］針對工作面漏風(fēng)通道提出了提高采空區(qū)密閉規(guī)格和質(zhì)量等措施。 李玉福［14］在工作面應(yīng)用卸壓通風(fēng)技術(shù)，減少了采空區(qū)有害氣體涌出。 文獻［15-20］應(yīng)用了系統(tǒng)均壓通風(fēng)技術(shù)，使工作面和采空區(qū)風(fēng)壓達到平衡，減少采空區(qū)有毒有害氣體涌入工作面。 但是針對地表裂隙與采空區(qū)貫通導(dǎo)致的工作面上隅角貧氧分析還少有涉及。

基于此，筆者從貧氧氣體來源以及漏風(fēng)通道等方面分析造成上隅角貧氧的原因，結(jié)合現(xiàn)場情況，采取相應(yīng)防治措施以杜絕工作面貧氧。

1 工作面概況

91103 工作面位于井田西北部，正上方為42103、42108 工作面采空區(qū)；西側(cè)北部為91101 工作面采空區(qū)，南部為設(shè)計的91102 工作面，東側(cè)上部為42106 工作面采空區(qū)。 91103 工作面采用綜采放頂煤采煤法，回采方式為后退式開采，采高為3.0 m。放煤高度為1.75 m。 工作面采用一進一回U 型通風(fēng)系統(tǒng)，全負壓通風(fēng)。 自燃等級為Ⅱ級，屬自燃煤層，煤塵有爆炸危險性，該礦井屬瓦斯礦井。

2 貧氧致因分析

工作面上隅角貧氧現(xiàn)象是多種因素綜合作用的結(jié)果，因此，分析造成貧氧現(xiàn)象的原因時，綜合考慮了U 型通風(fēng)方式的通風(fēng)特點、貧氧氣體的來源以及貧氧氣體的涌入方式。 根據(jù)大恒煤礦實際情況分析，工作面上覆地表損害嚴重，裂隙、沉降區(qū)域范圍較大且明顯，地表與工作面貫通，91103 工作面漏風(fēng)嚴重，是隅角貧氧的主要致因，貧氧氣體的產(chǎn)生、涌入方式以及通風(fēng)方式等是貧氧的次要致因。

圖1 地面與3 層煤之間關(guān)系Fig.1 Relationships between ground and three coal seams

2.1 U 型通風(fēng)方式特點

91103 工作面采用U 型通風(fēng)方式，因其系統(tǒng)簡單、便于通風(fēng)管理、巷道掘進量少、成本較低等優(yōu)點，所以在礦井開采中廣泛應(yīng)用。 但這種通風(fēng)方式對工作面上隅角貧氧具有一定的影響：①上隅角為采空區(qū)風(fēng)流的匯合處。 在進、回風(fēng)巷風(fēng)流壓差作用下，進入工作面的風(fēng)流分為兩部分，一部分直接從工作面流過，另一部分流入采空區(qū)，在采空區(qū)內(nèi)部沿一定的流線方向流動，進入采空區(qū)的風(fēng)流其氧氣成分經(jīng)過氣流交換發(fā)生變化，在工作面的后半部分，逐漸返回工作面，最后匯集于采煤工作面上隅角。 ②上隅角局部處于渦流狀態(tài)。 采煤工作面上隅角靠近煤壁和采空區(qū)，風(fēng)流經(jīng)過工作面上端頭時，巷道突然垂直轉(zhuǎn)彎，使靠近煤壁的風(fēng)速降低，工作面上隅角出現(xiàn)渦流現(xiàn)象。 當采空區(qū)貧氧氣體運移至上隅角后，由于風(fēng)速低，只能在渦流區(qū)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，無法進入主風(fēng)流，如圖2 所示。 綜合以上2 點，可知U 型通風(fēng)方式容易在工作面上隅角形成貧氧氣體的積聚和CO 超限。

2.2 貧氧氣體來源

2.2.1 淺埋煤層賦存條件

淺埋煤層賦存條件是貧氧氣體形成的客觀條件。 91103 工作面處在瓦斯分帶的N2帶、N2-CH4帶，煤體所含氣體以N2為主，N2體積分數(shù)為67.30%～70.78%， CH4體 積 分 數(shù) 為 13. 22% ～20.13%，CO2體積分數(shù)為12.53%～15.97%。 煤炭開采過程中，采煤機切煤及放煤過程中，吸附在煤體中的N2和CO2等氣體隨著大量煤塊破碎析出，稀釋了氧氣濃度，析出的混合氣體是貧氧氣體的組成部分。這些貧氧氣體因不能及時被風(fēng)流吹散，進入低風(fēng)速渦流狀態(tài)的上隅角積聚，從而造成上隅角貧氧，所以煤體本身的賦存條件是貧氧氣體產(chǎn)生的主要來源。

圖2 風(fēng)流經(jīng)過采空區(qū)匯入上隅角時的渦流狀態(tài)Fig.2 Eddy current of airflow when it flows into upper corner through goaf

2.2.2 采空區(qū)貧氧氣體溢出

近距離煤層群開采的上覆采空區(qū)、鄰近采空區(qū)和本層采空區(qū)遺煤氧化是工作面貧氧氣體產(chǎn)生的次要來源。 受采煤工藝、頂?shù)装逄匦约懊嘿|(zhì)等因素影響，各采空區(qū)遺留有30 m 煤柱及大量呈破碎狀態(tài)的遺煤，遺煤解吸產(chǎn)生貧氧氣體，稀釋氧濃度。 同時，9-1號煤層屬自燃煤層，吸氧量為0.58 cm3/g，在采空區(qū)內(nèi)部良好蓄熱環(huán)境條件下，破碎的遺煤增加了與氧氣的接觸面，加速煤低溫氧化，在這一過程中采空區(qū)內(nèi)部遺煤吸附并消耗氧氣，進行煤氧復(fù)合反應(yīng)，釋放CO、CO2、烴類等氣體產(chǎn)物以及物理、化學(xué)吸附熱、化學(xué)反應(yīng)熱等熱量，引起采空區(qū)壓力上升， 導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)貧氧氣體從上隅角溢出，出現(xiàn)貧氧現(xiàn)象。

式中:y1為更換元件的質(zhì)量，kg;y2為固定所更換元件的緊固件數(shù);y3為連接所更換元件的連接件數(shù);x2為更換元件前需拆卸的緊固件數(shù);x3為更換元件前需拆卸的連接件數(shù).

2.2.3 采空區(qū)防滅火注入的氮氣

采空區(qū)防滅火注入的氮氣也是造成貧氧的重要因素。 9 號煤為Ⅱ級自燃煤層，為了防止采空區(qū)遺煤自燃，在回采過程中，工作面采用埋管注氮工藝，連續(xù)、開放注氮方式進行采空區(qū)防滅火，開采9-1號煤層注氮量為463.7 m3/h，開采4-1號煤層注氮量為406.2 m3/h，開采4-2號煤層注氮量為234.0 m3/h，因此，開采9-1號煤層過后的采空區(qū)留下了大量高濃度氮氣，氮氣擴散到層間采空區(qū)漏風(fēng)流中稀釋了漏風(fēng)流中的氧氣濃度。

2.3 貧氧氣體涌入方式

2.3.1 漏風(fēng)通道的影響

地表與上覆采空區(qū)、工作面貫通后形成的漏風(fēng)通道是貧氧氣體涌出的主要途徑，工作面漏風(fēng)嚴重是貧氧的主要原因。 由于大恒煤礦為淺埋近距離煤層群開采，地表受重復(fù)采動的影響，工作面容易形成采動裂隙，在礦井周期來壓作用下，會使得裂隙進一步發(fā)育，直達上層采空區(qū)及地表，形成良好的漏風(fēng)通道。 圖3 為91103 工作面地表裂隙實拍圖，圖中紅色虛線中間是較為明顯的裂隙、沉降區(qū)域。

圖3 工作面上覆地表裂隙及沉降Fig.3 Surface fissures and settlement in overlying working face

宏觀方面通過采用數(shù)值模擬及SF6漏風(fēng)測試，驗證了裂隙發(fā)育及漏風(fēng)通道的存在。 微觀方面從漏風(fēng)通道分析了O2降低的置換機理。

利用CDEM 數(shù)值模擬，通過拉格朗日系統(tǒng)建立嚴格的控制方程，利用動態(tài)松弛法顯示迭代求解，實現(xiàn)了連續(xù)——非連續(xù)的統(tǒng)一描述，模擬煤層從連續(xù)變形到斷裂直至運動的全過程。 根據(jù)常見煤系地層條件，建立二維層狀數(shù)值模型，采用四邊形網(wǎng)格，共含塊體33 500 個，節(jié)點33 885 個，塊體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，節(jié)理采用脆斷模型。 模型尺寸x＝500 m，y＝238.26 m，共劃分36 層。 數(shù)值模擬分為3 個狀態(tài)階段，4-1煤開采后裂隙分布，4-1煤、4-2煤雙煤層開采后裂隙分布以及4-1煤、4-2煤、9-1煤三煤層開采后裂隙分布。 通過CDEM 數(shù)值模擬軟件得出：①煤層回采后，工作面前后方出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，由于工作面不斷推進，煤壁和采空區(qū)不斷向前移動，導(dǎo)致工作面前后方支承應(yīng)力是移動型支承應(yīng)力；煤層回采后，地表變形逐漸增大。 ②隨著工作面的推進，采空區(qū)上方上覆巖層塑性破壞區(qū)范圍越來越大，上覆巖層發(fā)生拉伸破壞和剪切破壞的區(qū)域主要集中在靠近進回風(fēng)側(cè)內(nèi)。 結(jié)合大恒煤礦U 型通風(fēng)方式分析，地面氣體通過裂隙，在負壓作用下向上隅角匯集、積聚。隨著開采逐漸增加，受采動影響，裂隙更加發(fā)育，漏風(fēng)通道及漏風(fēng)量逐漸增加，如圖4—圖6 所示。

為掌握工作面的漏風(fēng)規(guī)律，利用連續(xù)定量釋放SF6示蹤氣體在工作面進行漏風(fēng)測定，利用逐點釋放，逐點采集的方案，以回風(fēng)巷作為起始點，在每一取樣點的上風(fēng)側(cè)釋放，間距20 m，在沿程釋放SF6的過程中保證釋放量相同，采集氣體編號填寫釋放點及采樣點位置信息。 沿程測試完成后取樣，利用SF6專用色譜進行分析，確定SF6的氣體含量，然后根據(jù)測試數(shù)據(jù)及井下測樣點位置，分析工作面的風(fēng)量分布，進而確定漏風(fēng)量。 漏風(fēng)測試的裂隙測點漏風(fēng)分布，如圖7 所示，根據(jù)實測數(shù)據(jù)可得到各個漏風(fēng)分布測點的漏風(fēng)量，如圖8 所示。

圖4 4-1煤開采后裂隙分布Fig.4 Fracture distribution of No.4-1 coal seam after coal mining

圖5 4-1煤、4-2煤雙煤層開采后裂隙分布Fig.5 Fracture distribution of No.4-1 coal seam and No.4-2 coal seam after mining

圖6 4-1煤、4-2煤、9-1煤三煤層開采后裂隙分布Fig.6 Fracture distribution of No.4-1 coal seam，No.4-2 coal seam and No.9-1 coal seam after mining

圖7 裂隙測點漏風(fēng)分布Fig.7 Air leakage distribution at crack detection points

由圖8 知，工作面下隅角漏風(fēng)較大，測點5 距離進風(fēng)巷80 m 范圍內(nèi)，風(fēng)量逐漸降低，表明工作面部分進風(fēng)流通過支架后方垮落帶及上覆巖層裂隙進入采空區(qū)。 測點4 處風(fēng)量較測點5 有所增大，隨后風(fēng)流逐漸呈增大趨勢，這說明漏入采空區(qū)的風(fēng)流在工作面后半段進入工作面，在工作面上隅角及工作面回風(fēng)巷達到最大值。 但可看到工作面總回風(fēng)大于工作面進風(fēng)，由此說明部分風(fēng)流通過鄰近采空區(qū)或地表裂隙流入工作面。 證實了漏風(fēng)現(xiàn)象及漏風(fēng)通道的存在。

圖8 漏風(fēng)分布測點的漏風(fēng)量Fig.8 Air leakage at each measuring point

微觀方面從漏風(fēng)通道入手，分析了地表氣體通過地表裂隙發(fā)生吸附、置換，氣體中氧氣濃度降低后進入工作面，造成隅角貧氧，如圖9 所示。 煤是由碳、氫、氧以及氮原子為主體，組成結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的大分子，煤作為一種復(fù)雜的孔隙性介質(zhì)，具有發(fā)達的孔隙和裂隙，形成了龐大的孔隙表面與微空間，據(jù)測定，1 g 無煙煤的微孔表面積達200 m2以上，為氣體賦存提供了條件［21-22］。 當?shù)孛鏆怏w通過地表裂隙進入，在負壓作用下運移至工作面的過程中，由于煤體對氣體吸附能力強弱不同，煤體對氧氣的吸附能力強于CO2、N2、CH4及CO 等，因此氧氣會被煤體大量吸附，同時置換出CO2、N2、CH4及CO 等，成為游離狀態(tài)，在漏風(fēng)作用下進入工作面，造成上隅角貧氧現(xiàn)象。

圖9 氣體置換機理示意Fig.9 Gas displacement mechanism diagram

此外，工作面與鄰近采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷數(shù)量多，每隔50 m 有1 個聯(lián)絡(luò)巷，由于兩巷道聯(lián)絡(luò)巷間密閉以磚石材料為主，受采動影響易被壓裂甚至垮塌，為鄰近高壓采空區(qū)的貧氧氣體涌出提供了良好的通道。 同時， 本井田斷層較發(fā)育，91103 工作面鄰近主要斷層為運輸巷東側(cè)斷層F1，落差11 m，軌道巷掘進過程中揭露的F2落差3.5 m，F(xiàn)3落差0.7 m，斷層帶也成為貧氧氣體進入工作面的通道。

2.3.2 負壓通風(fēng)的影響

復(fù)合采空區(qū)氣體在負壓作用下，通過漏風(fēng)通道進入工作面。 回采工作面采空區(qū)與鄰近采空區(qū)、上覆采空區(qū)因為裂隙形成超大面積多層復(fù)合采空區(qū)。91103 工作面通風(fēng)方式為U 型負壓通風(fēng)，此時與地表貫通的大面積采空區(qū)絕對壓力高于工作面壓力，又由于綜放工作面上隅角是采空區(qū)的漏風(fēng)匯集處，大量貧氧氣體從上隅角涌出，造成工作面貧氧。

2.3.3 大氣壓力的影響

工作面貧氧受大氣壓力影響嚴重。 當采空區(qū)與地表通過地表裂隙導(dǎo)通后，采空區(qū)與綜采工作面之間時刻處于動態(tài)狀態(tài)，地面大氣壓力變化幅度較小時，采空區(qū)貧氧氣體的涌出量較小且呈均勻態(tài)勢。當季節(jié)更替或晝夜溫差較大時，大氣壓力變化明顯，貧氧現(xiàn)象嚴重，工作面開始出現(xiàn)貧氧，隨著大氣壓力下降幅度的增加，貧氧的范圍隨之擴大，造成采空區(qū)氣體的大量涌出，從而引起工作面上隅角O2濃度偏低、CO 超限，易引起窒息事故。

3 工作面貧氧區(qū)防治技術(shù)

3.1 井上下堵漏技術(shù)

由于所采煤層為淺埋近距離煤層群開采，工作面開采過程中，覆巖垮落破斷，形成采動裂隙直達地表，導(dǎo)致地表與采空區(qū)聯(lián)通，裂隙對上隅角氧氣濃度影響明顯，因此對地表采動裂隙要及時回填封堵，減少采空區(qū)氣體涌入回采工作面。 堵漏包括地表堵漏和井下堵漏，地表堵漏是指安排專人每天對地表巡查，發(fā)現(xiàn)裂隙立即回填，不得滯后工作面100 m。 由于已回填的地表會受到重復(fù)采動等客觀原因影響，會再次形成新的裂隙，因此需要對己回填地表進行2 次、3 次甚至多次回填。

井下堵漏一般采用充填上、下隅角的方法，使用無機膨脹堵漏風(fēng)加固材料，在進、回風(fēng)巷后部采空區(qū)形成有效的封堵墻；使用高水水凝膠防滅火材料，以在工作面后部采空區(qū)有效地充填裂隙，如圖10 所示。 通風(fēng)負壓和大氣壓力的變化通過地表裂隙直接影響采空區(qū)氣體含量及運移，進而影響綜采工作面氣體分布，因此充填堵漏對貧氧窒息災(zāi)害事故的防治具有較大作用。

圖10 隅角充填示意Fig.10 Sketch of corner filling

3.2 安設(shè)擋風(fēng)簾和導(dǎo)風(fēng)簾技術(shù)

在工作面上、下隅角安設(shè)擋風(fēng)簾減少流向采空區(qū)的漏風(fēng)量，同時在靠近上隅角5 臺支架的范圍內(nèi)安設(shè)導(dǎo)風(fēng)簾，引導(dǎo)較多的風(fēng)流流經(jīng)上隅角稀釋貧氧氣體。 此方法對于綜放工作面放煤口、架頂?shù)木植糠e聚也有很好效果。

3.3 上隅角埋管抽采技術(shù)

上隅角埋管抽采就是在上隅角壘擋風(fēng)墻進行封堵后，采用管路穿過封堵墻埋進上隅角，連接在回風(fēng)巷的負壓抽采管路上，通過上隅角埋管抽采，在工作面上隅角處形成一個負壓區(qū)，使該區(qū)域的貧氧氣體通過抽采管路被抽走，如圖11 所示，避免因采空區(qū)貧氧氣體涌出而造成上隅角貧氧氣體超限事故的發(fā)生。 此方法配合上、下隅角截堵共同使用效果良好，能有效降低上隅角貧氧氣體濃度。

圖11 上隅角埋管抽采平面示意Fig.11 Drawing plane of the upper corner buried pipe

3.4 通風(fēng)機配合風(fēng)筒技術(shù)

將通風(fēng)機吊掛在工作面尾部5 ～6 個支架下，通過風(fēng)筒對上隅角貧氧區(qū)域進行供風(fēng)，打破上隅角渦流狀態(tài)，吹散有害氣體。 使上隅角氧氣濃度符合規(guī)定。 采用此方法治理上隅角后，91103 工作面上隅角氧氣體積分數(shù)穩(wěn)定在20.0%左右。

4 結(jié) 論

1）通過對綜放工作面上隅角貧氧現(xiàn)象進行分析，因為淺埋近距離煤層群受開采擾動影響，產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致工作面與上覆采空區(qū)及地表貫通，形成漏風(fēng)通道，造成工作面漏風(fēng)嚴重，是工作面上隅角貧氧的主要致因，貧氧氣體的產(chǎn)生、涌入方式以及通風(fēng)方式等是貧氧的次要致因。

2）貧氧氣體來自工作面割煤時煤體本身放出的貧氧氣體、采空區(qū)溢出的氧化衍生氣體以及采空區(qū)防滅火注入的惰性氣體；加之，煤是空隙性介質(zhì)，對氣體吸附能力不同，地面氣體通過地表裂隙使得煤體吸附氧氣，置換出貧氧氣體后進入工作面，造成隅角貧氧。

3）通過采取井上地表裂隙回填，井下使用無機膨脹堵漏風(fēng)加固材料配合高水水凝膠防滅火材料充填隅角、隅角安設(shè)擋風(fēng)簾及導(dǎo)風(fēng)簾、上隅角埋管抽采、風(fēng)機配合風(fēng)筒等技術(shù)，達到了防止工作面上隅角有害氣體濃度超限的效果，整體實踐效果良好。