近距離上覆特大采空區(qū)綜采工作面低氧綜合應(yīng)急處置技術(shù)

田 臣，李 斌

（國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán) 補(bǔ)連塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017209）

當(dāng)超大采高、超長走向的綜采工作面開采結(jié)束后形成了特大面積采空區(qū)。隨著各大煤田開采的深入，下層煤綜采工作面便須在上覆特大面積采空區(qū)的條件下進(jìn)行開采作業(yè)，隨之出現(xiàn)的綜采工作面低氧問題成了威脅采礦安全的技術(shù)問題[1-3]。為此神東礦區(qū)采礦人在深入理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際，研究出了一套針對(duì)近距離上覆特大采空區(qū)綜采工作面低氧綜合應(yīng)急處置技術(shù)。

1 礦井概況

補(bǔ)連塔煤礦位于東勝煤田神東礦區(qū)東南部，行政轄區(qū)隸屬伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)。補(bǔ)連塔煤礦是神東煤炭集團(tuán)所屬骨干礦井之一，井田面積106.578 9 km2，2015 年礦井核定生產(chǎn)能力為2 800 萬t/a，目前實(shí)際生產(chǎn)能力達(dá)到2 800 萬t/a。礦區(qū)構(gòu)造為簡單的單斜構(gòu)造，地層傾向基本為向西偏南傾斜，地層傾角一般1°～3°左右，斷層不發(fā)育，地質(zhì)條件簡單。礦井采用分煤層盤區(qū)大巷布置方式，水平內(nèi)布置集中輔運(yùn)、運(yùn)輸、回風(fēng)大巷，工作面采煤工藝為一次采全高，采煤方法為傾斜長壁后退式全部垮落綜合機(jī)械化采煤法。井田可采煤層7 層，當(dāng)前主要開采煤層為12 煤、22 煤。

12 煤層位于延安組上巖段，煤層埋深16.56～352.12 m，平均為197.10 m。煤層厚度0.20～9.00 m，平均厚3.85 m，屬厚煤層，變異系數(shù)為29%，煤層厚度變化不大；可采煤厚0.8～9.39 m，平均3.92 m；煤層結(jié)構(gòu)較簡單，大多含0～1 層夾矸，少數(shù)含2～5 層夾矸，厚度0.01～2.7 m，巖性多為砂質(zhì)泥巖。煤層厚度在井田中南部達(dá)到最厚，向西北、向東部逐漸變薄，總體上為南部最厚，東部次之，西北最薄，變化規(guī)律明顯。22 煤層位于延安組中巖段的上部，煤層埋深10.56～387.12 m，平均為256.09 m。煤層厚度1.25～8.15 m，平均厚5.79 m，屬于厚煤層，變異系數(shù)24%，煤層厚度變化不大；可采煤厚1.25～8.15 m，平均厚5.79 m；該煤層結(jié)構(gòu)中等，大多含0～2 層夾矸，個(gè)別煤層含3～7 層夾矸，夾矸厚度0.01～1.41 m，巖性多以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。煤層?xùn)|南最厚，由東南而北、由東向西逐漸變薄，規(guī)律明顯。煤層頂板巖性主要為砂質(zhì)泥巖和泥巖。

22 煤層距12 煤層21.35～51.42 m 之間，平均37.06 m。當(dāng)前22 煤三盤區(qū)上覆12 煤三盤區(qū)采空區(qū)面積達(dá)到1 810 km2，22 煤四盤區(qū)上覆12 煤四盤區(qū)采空區(qū)面積達(dá)到2 207 km2。由此分析，22 煤的開采為典型的近距離上覆特大采空區(qū)綜采工作面開采。

2 綜采工作面低氧危害及低氧現(xiàn)象

2.1 不同較低濃度的氧環(huán)境對(duì)人體傷害

研究發(fā)現(xiàn)：氧氣體積分?jǐn)?shù)在17.0%時(shí)，人員靜止無影響，工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)喘息、呼吸困難現(xiàn)象；氧氣體積分?jǐn)?shù)在15.0%時(shí)，人員呼吸、脈搏急促，感覺及判斷能力減弱以致失去勞動(dòng)能力；氧氣體積分?jǐn)?shù)在10.0%～12.0%時(shí)，人員失去理智，時(shí)間稍長就有生命危險(xiǎn)；氧氣體積分?jǐn)?shù)在6.0%～9.0%時(shí)，人員立即失去知覺，呼吸停止，幾分鐘內(nèi)心臟尚能跳動(dòng)，搶救不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致死亡。

2.2 同一煤層不同盤區(qū)工作面低氧現(xiàn)象

補(bǔ)連塔煤礦22 煤三盤區(qū)煤層平均厚度7.2 m，共布置10 個(gè)綜采工作面。22 煤三盤區(qū)上覆12 煤三盤區(qū)采空區(qū)，煤層間距30.2～62.5 m，上覆12 煤三盤區(qū)開采完畢后，形成近距離上覆特大面積采空區(qū)。

22 煤三盤區(qū)多個(gè)綜采工作面在回采過程中，回風(fēng)隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)低至10.0%，回風(fēng)風(fēng)流流氧氣體積分?jǐn)?shù)低至14.0%，工作面架間氧氣體積分?jǐn)?shù)低至16.0%，低氧問題一直威脅著工作面的安全生產(chǎn)。例如22306 綜采工作面共布置160 臺(tái)7.0 m 大采高液壓支架, 工作面在生產(chǎn)過程中曾經(jīng)出現(xiàn)90#～160#支架氧氣體積分?jǐn)?shù)均低于18.0%的大面積低氧現(xiàn)象，回風(fēng)隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)最低達(dá)10.0%，低氧問題嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)。

2.3 同一煤層相同盤區(qū)相鄰工作面低氧現(xiàn)象

補(bǔ)連塔煤礦22411 綜采工作面為22 煤四盤區(qū)首采工作面，采高6.2 m，工作面共布置150 臺(tái)7.0 m 大采高液壓支架，22411 采空區(qū)與22410 綜采工作面相鄰，其開采環(huán)境及條件與22 煤三盤區(qū)類似，上覆12 煤四盤區(qū)開采完畢后，形成近距離上覆特大面積采空區(qū)。

22411 綜采工作面在回采過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)120#～150#支架氧氣體積分?jǐn)?shù)均低于18.0%的大面積低氧現(xiàn)象，回風(fēng)隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)低至13.0%，回風(fēng)風(fēng)流流氧氣體積分?jǐn)?shù)低至15.0%，低氧問題同樣威脅著礦井的安全生產(chǎn)。

3 綜采工作面低氧現(xiàn)象分析及呈現(xiàn)規(guī)律

3.1 綜采工作面低氧現(xiàn)象的表現(xiàn)形式

通過對(duì)22 煤三盤區(qū)綜采工作面及22 煤四盤區(qū)的22411 綜采工作面低氧現(xiàn)象的總結(jié)，根據(jù)綜采工作面低氧現(xiàn)象的影響范圍，低氧分為局部低氧和大面積低氧。局部低氧一般表現(xiàn)為：綜采工作面回風(fēng)隅角低氧、綜采工作面機(jī)尾后1～3 臺(tái)支架架間低氧、機(jī)尾回風(fēng)行人通道低氧。大面積低氧一般表現(xiàn)為：綜采工作面架間至回風(fēng)巷段呈現(xiàn)“L”形工作面及回風(fēng)巷道低氧。

3.2 綜采工作面低氧呈現(xiàn)規(guī)律

通過對(duì)22 煤三盤區(qū)綜采工作面及22 煤四盤區(qū)的22411 綜采工作面低氧現(xiàn)象總結(jié)及數(shù)據(jù)記錄分析，其低氧現(xiàn)象主要呈現(xiàn)如下規(guī)律[4-6]：

1）年度季節(jié)規(guī)律。春、秋2 季綜采工作面出現(xiàn)低氧現(xiàn)象最為頻繁，夏季綜采工作面出現(xiàn)低氧現(xiàn)象頻率次之，冬季綜采工作面出現(xiàn)低氧現(xiàn)象頻率最低。

2）當(dāng)天時(shí)間規(guī)律。在1 d 之內(nèi)，12：00—18：00時(shí)間段，綜采工作面出現(xiàn)低氧現(xiàn)象最為頻繁；18：00—20：00、8：00—12：00 時(shí)間段，綜采工作面出現(xiàn)低氧現(xiàn)象頻率次之；20：00—8：00 時(shí)間段，綜采工作面出現(xiàn)低氧現(xiàn)象頻率最低。

3）特殊天氣規(guī)律。當(dāng)1 d 之內(nèi)出現(xiàn)自然大風(fēng)、暴雨、暴熱等特殊天氣導(dǎo)致大氣壓力急劇變化時(shí)，綜采工作面一般會(huì)出現(xiàn)低氧現(xiàn)象。例如補(bǔ)連塔煤礦的22煤三盤區(qū)綜采工作面及22 煤四盤區(qū)的22411 綜采工作面，當(dāng)1 d 之內(nèi)大氣壓降低幅度達(dá)到500 Pa時(shí)，22306～22310、22411 綜采面機(jī)尾后3 架一般會(huì)出現(xiàn)低氧現(xiàn)象，如果大氣壓降低幅度更大，低氧范圍隨之?dāng)U大。

4 工作面低氧綜合應(yīng)急處置技術(shù)

4.1 局部低氧應(yīng)急處置技術(shù)

1）關(guān)鍵崗位人員管控。①綜采隊(duì)為綜采工作面低氧防治的第1 責(zé)任單位，當(dāng)班跟班隊(duì)長是現(xiàn)場管理第1 負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)組織、協(xié)調(diào)低氧期間相關(guān)工作及低氧處置措施落實(shí)；②瓦檢員負(fù)責(zé)對(duì)工作面氣體進(jìn)行全面檢查，對(duì)易低氧區(qū)域重點(diǎn)檢查，發(fā)現(xiàn)氣體異常及時(shí)匯報(bào)生產(chǎn)指揮中心啟動(dòng)處置措施；③生產(chǎn)指揮中心監(jiān)測值班人員每隔1 h 對(duì)大氣壓力情況測定，隨時(shí)對(duì)綜采工作面氣體情況監(jiān)測。當(dāng)工作面回風(fēng)隅角O2體積分?jǐn)?shù)低于18.0%或同1 d 內(nèi)大氣壓差變化超過450 Pa 時(shí)，立即通知綜采隊(duì)、通風(fēng)隊(duì)啟動(dòng)低氧處置措施，同時(shí)，綜采隊(duì)跟班隊(duì)長在機(jī)尾安全出口處、低氧區(qū)域上風(fēng)側(cè)20 m 處設(shè)置警戒，懸掛“低氧區(qū)域、禁止入內(nèi)”警示牌；④進(jìn)入綜采回風(fēng)隅角區(qū)域的所有人員必須攜帶1 套便攜式氧氣、一氧化碳、甲烷便攜儀并正常開啟，否則不得進(jìn)入，工作面全員監(jiān)督；⑤正常情況下，嚴(yán)禁任何非通風(fēng)崗位人員在綜采回風(fēng)隅角及后3 臺(tái)支架內(nèi)停留；⑥當(dāng)綜采機(jī)尾后3 臺(tái)支架內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)接近18.0%且有下降趨勢時(shí)，機(jī)尾后3 臺(tái)支架及行人過道內(nèi)嚴(yán)禁安排作業(yè)；⑦綜采工作面瓦檢員及跟班隊(duì)干每班動(dòng)態(tài)檢查上隅角氣體情況，發(fā)生低氧時(shí)立即組織撤人并給通風(fēng)隊(duì)及調(diào)度指揮中心匯報(bào)。

2）高概率低氧區(qū)域氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測。根據(jù)綜采工作面低氧發(fā)生規(guī)律，補(bǔ)連塔煤礦22411 綜采工作面在生產(chǎn)過程中對(duì)高概率低氧區(qū)域做出氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測措施：①綜采工作面每隔30 臺(tái)支架安設(shè)1 組氧氣、一氧化碳、甲烷便攜儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測工作面氣體情況并及時(shí)報(bào)警；②綜采工作面機(jī)尾后3 臺(tái)支架各安設(shè)1臺(tái)氧氣便攜儀，機(jī)尾行人通道煤幫距上隅角3、10 m處各安設(shè)1 組氧氣、一氧化碳、甲烷便攜儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)尾區(qū)域氣體情況并及時(shí)報(bào)警；③綜采工作面上隅角安設(shè)1 組氧氣、一氧化碳、甲烷傳感器，通過礦井KJ90X 型安全監(jiān)控系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測工作面上隅角氣體變化情況并及時(shí)報(bào)警；④綜采工作面上隅角設(shè)置1 套低氧預(yù)警系統(tǒng)，即在最后1 臺(tái)支架內(nèi)1.2 m 高處吊掛1 臺(tái)氧氣傳感器，在倒數(shù)第5 臺(tái)支架安設(shè)聲光報(bào)警裝置，發(fā)生低氧后警示人員請(qǐng)勿進(jìn)去低氧區(qū)域；同時(shí)，該系統(tǒng)將低氧報(bào)警信息傳輸至地面調(diào)度指揮中心，方便地面對(duì)井下安全注意事項(xiàng)作出指導(dǎo)。

3）關(guān)鍵區(qū)域設(shè)施設(shè)備配備。①綜采工作面進(jìn)、回風(fēng)隅角通采空區(qū)區(qū)域安設(shè)嚴(yán)密擋風(fēng)裝置，阻止采空區(qū)低氧氣體涌入工作面；②綜采工作面機(jī)尾后3 臺(tái)支架安設(shè)“L”型導(dǎo)風(fēng)簾，將工作面正常風(fēng)流引流至上隅角及機(jī)尾三角區(qū)；③綜采工作面機(jī)尾倒數(shù)第3臺(tái)支架空間內(nèi)安設(shè)2 臺(tái)引風(fēng)器，用來將自然空氣引入高概率低氧區(qū)域。引風(fēng)器必須使用足夠風(fēng)源，正常情況開啟1 臺(tái)引風(fēng)器，出現(xiàn)局部低氧時(shí)開啟2 臺(tái)引風(fēng)器減緩低氧程度。

4）低氧預(yù)警及處置措施。當(dāng)工作面回風(fēng)隅角O2體積分?jǐn)?shù)低于18.0%或同1 d 內(nèi)大氣壓差變化超過450 Pa 時(shí)，調(diào)度監(jiān)測值班人員立即安排專職瓦檢員到上隅角進(jìn)行低氧盯防，并通知綜采隊(duì)、通風(fēng)隊(duì)啟動(dòng)低氧處置措施。同時(shí)，綜采隊(duì)跟班隊(duì)長在機(jī)尾安全出口處、低氧區(qū)域上風(fēng)側(cè)20 m、綜采回風(fēng)口處設(shè)置警戒，禁止任何人員進(jìn)去低氧區(qū)域。

4.2 大面積低氧應(yīng)急處置技術(shù)

4.2.1 均壓通風(fēng)技術(shù)

均壓通風(fēng)技術(shù)是通過在工作面應(yīng)用均壓和泄壓通風(fēng)技術(shù),以調(diào)整工作面和采空區(qū)壓力差,從而減少采空區(qū)有害氣體涌出量[7-10]。當(dāng)綜采工作面出現(xiàn)大面積低氧現(xiàn)象現(xiàn)場無法處理時(shí)，經(jīng)礦總工程師及礦長批準(zhǔn)，立即啟用日常處于熱備用狀態(tài)的均壓通風(fēng)系統(tǒng)。

1）均壓通風(fēng)設(shè)施設(shè)備布置。在22409 均壓硐室內(nèi)安設(shè)3 臺(tái)75 kW 均壓風(fēng)機(jī)；在22409 回風(fēng)巷口施工3 道均壓風(fēng)門，其中2 道為自動(dòng)風(fēng)門，1 道為手動(dòng)行車風(fēng)門，正常情況下風(fēng)門處于開啟狀態(tài)，均壓系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)可遠(yuǎn)程控制開啟；在22410 回風(fēng)巷2-3 聯(lián)巷之間施工3 道均壓風(fēng)門，其中2 道為自動(dòng)風(fēng)門，1 道為手動(dòng)行車風(fēng)門，正常情況下風(fēng)門處于關(guān)閉狀態(tài)；22410 回風(fēng)巷0 至回風(fēng)巷1 聯(lián)巷之間施工3 道均壓調(diào)節(jié)閉；在22410 回風(fēng)巷3 聯(lián)巷通22411 運(yùn)輸巷處施工2 道均壓調(diào)節(jié)密閉，正常情況下均壓調(diào)節(jié)閉保持“長開”狀態(tài)，均壓系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)可遠(yuǎn)程控制通風(fēng)斷面及均壓系統(tǒng)內(nèi)外壓力。22410 綜采工作面均壓通風(fēng)設(shè)施設(shè)備布置圖如圖1。

圖1 22410 綜采工作面均壓通風(fēng)設(shè)施設(shè)備布置圖Fig.1 22410 fully mechanized mining face pressure equalization ventilation equipment layout

2）均壓風(fēng)機(jī)選型。根據(jù)風(fēng)量和工作風(fēng)壓，選擇3臺(tái)（兩用一備）FBCZ-6-№16/75 型75 kW 壓入式軸流風(fēng)機(jī)即可滿足工作面供風(fēng)要求，均壓風(fēng)機(jī)技術(shù)特征表見表1。

表1 均壓風(fēng)機(jī)技術(shù)特征表Table 1 Technical characteristics table of equalizing fan

3）風(fēng)量分配。如果22410 綜采工作面啟用均壓通風(fēng)，綜采工作面配風(fēng)量不變，各主要地點(diǎn)風(fēng)量分配表見表2。

4.2.2 “三網(wǎng)融合”應(yīng)急聯(lián)動(dòng)技術(shù)

所謂的“三網(wǎng)”指的是KJ761 人員定位系統(tǒng)、KT590 礦用IP 網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)、KJ90X 安全監(jiān)控系統(tǒng)。通過礦井自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化完善，完成了礦井安全監(jiān)控、人員定位、語音廣播系統(tǒng)的“三網(wǎng)融合”應(yīng)急聯(lián)動(dòng)功能。當(dāng)綜采工作面發(fā)生大面積低氧現(xiàn)象時(shí)，“三網(wǎng)融合”系統(tǒng)可以自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)、播放報(bào)警語音，精準(zhǔn)快速的提醒、警示井下危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)人員疏散和撤離。

表2 各主要地點(diǎn)風(fēng)量分配表Table 2 Air volume distribution table of main locations

22410 綜采工作面機(jī)頭控制臺(tái)處、機(jī)尾超前支架處各存放30 臺(tái)ZYX-45 型壓縮氧自救器，當(dāng)綜采工作面發(fā)生大面積低氧時(shí)，各崗位員工迅速佩戴好自救器，按照以下路線撤離：作業(yè)地點(diǎn)→22410 綜采工作面→22410 主運(yùn)巷→22409 回風(fēng)巷→22 煤四盤區(qū)輔運(yùn)巷→22406 回風(fēng)巷→22 煤輔運(yùn)大巷→1#、2#輔運(yùn)平硐→地面。

在撤離的路線上，每隔1 000 m 安設(shè)1 個(gè)自救器過渡站，自救器過渡站可以實(shí)現(xiàn)與外界的完全空氣隔離，過渡站內(nèi)存放足夠15 個(gè)人生存96 h 的空氣、食品、水燈、照明礦燈等生活必須品。員工在撤離的過程中可以到自救器過渡站內(nèi)更換隨身攜帶的自救器，也可以進(jìn)行段時(shí)間的休息。

4.2.3 緊急救護(hù)

礦井每年與神東礦山救護(hù)大隊(duì)簽訂救護(hù)協(xié)議，井下發(fā)生事故后10 min 即可內(nèi)抵達(dá)礦井開展救援工作。同時(shí)，礦井成立了由21 人組成的兼職礦山救護(hù)隊(duì)，所有救護(hù)隊(duì)人員體檢合格，均持證上崗。每個(gè)隊(duì)員配備1 臺(tái)由德國生產(chǎn)的BG4 型正壓氧氣呼吸器，每個(gè)小隊(duì)配備2 臺(tái)MZS-30 型自動(dòng)蘇生器，以及其他必要的技術(shù)裝備。

當(dāng)綜采工作面發(fā)生大面積低氧現(xiàn)象時(shí)有人員受傷或者被困時(shí)，經(jīng)礦總工程師及礦長的批準(zhǔn)，神東礦山救護(hù)大隊(duì)及兼職礦山救護(hù)隊(duì)可以第一時(shí)間前往現(xiàn)場對(duì)受傷人員進(jìn)行急救，并解救被困人員。

5 結(jié) 語

近距離煤層上覆特大采空區(qū)綜采工作面在開采過程中極易出現(xiàn)低氧問題，該問題嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)；綜采工作面低氧現(xiàn)象分為局部低氧和大面積低氧，低氧現(xiàn)象有規(guī)律可循，根據(jù)其呈現(xiàn)的規(guī)律預(yù)測可評(píng)估類似開采條件綜采工作面的低氧問題；根據(jù)綜采工作面低氧現(xiàn)象的分類，可采取局部低氧應(yīng)急處置技術(shù)、大面積低氧應(yīng)急處置技術(shù)降低低氧帶來的風(fēng)險(xiǎn)，確保礦井安全生產(chǎn)。