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1、太原理工大学 硕士学位论文 大柳塔矿综采工作面采空区氮气涌出原因分析及控制技术研究 姓名：郭凯 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师：邬剑明 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 大柳塔矿综采工作面采空区氮气涌出原因分析 及控制技术研究 摘 要 近年来，随着煤矿生产规模的不断扩大，矿井开采深度的不断增加， 工作面氮气异常涌出，造成氧气浓度偏低的高氮窒息现象时有发生，与瓦 斯事故一样，成为煤矿安全生产的一个重点和难点，其中，防止氧气浓度 过低是通风管理的重中之重。采空区氮气是工作面氮气涌出的主要部分， 采空区氮气的大量涌出往往导致工作面氮气浓度上升，氧含量降低，被迫 停产，甚者酿成重大恶性事故。研
2、究工作面氮气涌出分布规律，探讨其防 治技术已成为煤矿研究人员的重要课题。 本文针对两进一回通风系统在高产高效综采工作面应用的实际，较详 细论述了综采采空区氮气分布规律及其特点，在不改变原有通风方式的条 件下，在采动空间流体运移理论的指导下，结合大柳塔矿 12612 工作面参 数和采空区气体监测数据，对该工作面进行了数据分析，得出了工作面采 空区氮气分布规律和重点聚集区域。同时，在现场进行了 SF6示踪气体试 验，很好地验证了数据分析的结果，为采空区氮气异常涌出的治理提供了 可靠的科学依据。 由数据分析和实测数据的拟合分析得出，确定了引起综采工作面氮气 涌出、引起氧气浓度偏低的主要相邻采空区及其
3、附近采空区的大量氮气在 通风负压作用下涌入综采工作面上隅角；另外受大气压的波动加剧了氮气 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 涌出。因此采用对采空区氮气涌出量较大的综采面进行合理通风和密闭堵 漏相结合的综合治理是防止工作面高氮窒息的有效方法。 本文通过研究综采面氮气浓度与工作面推进距离的内在关系，依据研 究结果提出了治理神华集团大柳塔矿 12612 综采工作面氮气异常涌出的综 合治理方案，确保了工作面的生产安全。 关键词：大气压变化，采空区，氮气涌出，现场监测 太原理工大学硕士研究生学位论文 III STUDY ON ANALYSIS AND CONTROL OF NITROGEN EMIS
4、SION FROM GOB IN DALIUTA MINE ABSTRACT In recent years, with the constant expansion of coal production and the increase of mining depth the abnormal nitrogen emission occurs on the working face, resulting in a low oxygen concentration and nitrogen asphyxia which is an important and difficult problem
5、 in the coal mine production safety like the gas accident. So how to prevent too low oxygen concentration is the key in the ventilation management. Nitrogen emission from the gob is the main part of that from the working face, and leads to the increase of nitrogen concentration and the decrease of o
6、xygen content, , causing off production even a fatal accident. The study on the nitrogen emission distribution laws on the working face and its control technology have become an important topic in coal mines. In this paper, the nitrogen distribution laws and characteristics in the U ventilation syst
7、em were detailed discussed. Without changing the ventilation conditions, the nitrogen distribution laws and the gathering areas were obtained under the guidance of fluid migration theory in the gob and the combination of gas monitoring data on 12612 working face in Daliuta mine gob and. Meanwhile, S
8、F6 tracer gas test on-site agreed well with the results of data analysis, providing a reliable scientific basis for the nitrogen emission control. KEY-WORDS：Atmospheric pressure changes, Gob, Nitrogen emission, On-site monitoring 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪 论 煤炭作为我国的重要能源之一， 它在国民经济发展中具有举足轻重的作用， 国务院关于促进煤炭
9、工业健康发展的若干意见指出： “煤炭是我国重要的基 础能源和原料，在国民经济中具有重要的战略地位。在我国一次能源结构中， 煤炭将是我国的主要能源” 。 我国以煤为主要能源的生产和消费特征在今后相当 长的时间内都不会改变。 我国能源探明储量中，煤炭占 94，石油占 5.4，天然气占 0.6，这种 富煤贫油少气的能源资源特点决定了我国能源生产以煤为主的格局长期不会改 变。2009 年全国原煤产量达到 19.56 亿吨，比 2008 年增加近 2 亿吨，同比增长 17.3；国内总需求约 18.2 亿吨，同比增长 14，总体上全年煤炭供需基本平 衡；2009 年我国煤炭价格涨势不断，煤炭行业表现良好的
10、发展态势。目前煤炭 在我国一次性能源的消费中占 70左右，在可以预见的未来较长时期内，煤炭 在国民经济中的地位不可替代。 煤炭工业在呈现强劲发展势头的同时，也暴露出许多不容乐观的问题。特 别是煤矿安全形势十分严重， 2004 年全国共发生煤矿安全事故 3639 起，死亡 6027 人， 其中一次死亡 10 人以上的特大事故 41 起， 死亡 979 人； 零星事故 3598 起，死亡 5048 人。 集约化生产是我国煤炭生产方式的一大飞跃，也是我国煤矿发展道路的一 个必然趋势。综合机械化采煤在条件适宜时，具有高产高效、成本低、经济效 益显著的特点，近年来，随着煤炭科学技术的发展，高产高效集约化
11、矿井数量 大大增加，在神华、充州、晋城、潞安、平顶山等矿区，一些矿井的年产量已 达 600 万吨以上。由于综合机械化采煤开采具有高强度、集中生产、推进速度 快的特点，从而使瓦斯涌出更为集中、不均衡，常常造成回风流及支架顶、上 隅角等处瓦斯超限，成为矿井安全生产的重大隐患。然而，随着集约化生产方 式的推广，煤矿生产中缺氧窒息事故时有发生，虽然大部分是由于 CH4或 CO2 涌出引起氧气浓度下降所致，但也有一部分是由于 N2涌出而造成的氮气缺氧， 例如，发生在徐州垞城矿、枣庄柴里矿、平顶山一矿的缺氧窒息事故即是如此。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1.1 问题的提出 以位于我国陕西省榆林市北
12、部和内蒙古自治区鄂尔多斯市南部地区的神东 矿区为例，2008 年以来，神东矿区的大柳塔矿 12612 工作面，补连塔矿 32302 工作面、榆家梁矿 45207 工作面等综采工作面上隅角及回风巷均出现不同程度 的氧气浓度偏低现象，严重威胁矿井安全生产。本文主要通过现场采空区气体 观测、工作面通风参数测定分析，研究采空区气体涌出的原因及变化规律，建 立采空区气体涌出的预报体系，提出预防采空区气体涌出的综合防治措施，确 保综采工作面上隅角氧气及各种有害气体浓度符合煤矿安全规程的有关规 定。 1.2 国内外研究现状 随着煤炭工业经济增长方式的转变， 煤矿生产方式和结构发生了大的变化， 生产机械化程度
13、的大幅度提高，高产高效矿井生产集中化程度的不断增强。这 种新的生产方式也出现了一些新的安全问题，煤矿生产中缺氧窒息事故时有发 生。但针对这类事故，缺少专门的系统的治理方法，而一般采用加强通风的方 式来加以解决，在具体措施上，与治理瓦斯类似。而在治理瓦斯涌出及其危害 方面，长久以来，是积累了大量的技术经验，取得了长足的技术进步的。 矿井氮气涌出量增大，采掘工作面产尘强度剧增，对矿井通风系统的可靠 性提出了更高的要求。也就是说，煤矿开采自然条件变化、生产技术的进步和 变革都会不断对煤矿安全保障技术提出新的更高的要求。 比如在枣庄矿区，煤层瓦斯成分独具特色,N2含量在各种气体中比例最高, 通常达90
14、 %以上,这样高的N2含量远非煤层本身所能形成,不仅超过了正常情况 下煤层气体成分比例,也远远超过了地壳岩石圈沉积岩中各种气体组合的比例。 由于长期缺乏对煤层气体中高氮现象的认识,致使区内柴里、八一等矿多次发生 高氮缺氧窒息事故,严重威胁人身安全与正常生产,因此弄清高氮低氧环境的分 布规律,采取针对性的防范措施,对于实现矿井安全生产有着非常重要的意义。 此处煤层原始气体成分中 N2含量占 94. 85 %左右,每吨煤含 N245 m3 。 另据东翼同类底板岩样分析,每吨岩石含 N2 2. 5 m3 左右。 事故发生之后,救护队 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 在溜煤眼顶部取气样化验, 结果
15、为: O2 5.13 % , N2 90. 93 %,CO2 2.06 %,CH4 0. 011 % ,CO 12.1510 - 6 。 在几十小时之内,溜煤眼内已被N2、 CO2等气体充满,O2 浓度急剧下降,已不能保证人体 O2的需求。 通常采用如下治理措施： 1、增强全员对高氮低氧这一特殊环境的认识,克服麻痹心理。 2、加强盲巷管理,杜绝盲巷的产生,消灭不合格的盲巷,强化对盲巷闭前气体 的检查。 3、科学合理地布置各类巷道,从设计中杜绝角联及不合理并联分支的存在, 改造当前存在的不合理分支。 4、强化对停风区域恢复通风的管理,严格程序,严格措施,严格监督,严格实 施。 5、实施多种气体检
16、查,瓦斯检测员要检查 CH4、CO2、O2、N2 的浓度,有自 然发火危险的还必须检查 CO 的浓度。 6、 依据目前所掌握的情况及对 N2 涌出规律的认识,建立高氮低氧区域带预 测预报制度,实施预警,制定特殊措施。 7、所有矿井在开采前后，都应对各水平各煤层的瓦斯赋存和涌出情况进行 认真考察分析，以便较准确地定出各煤层的氮气带。要掌握本矿氮气赋存和涌 出规律，以便酌情采取防治措施。 8、掘进工作面的局扇供电必须做到“三专”或采掘电源分开，局扇要坚持 专人负责管理，不准擅自停开，保证局扇正常运转。 9、因检修停电等原因，掘进工作面必需停风时，一般应及时封闭，否则必 须及时设栅栏和警标，严禁人员随便进入。要定期检查和取样分析停风巷道内 的空气成分，发现氮气涌出或氧气浓度降至 19%时，要立即处理。 10、通风人员进入盲巷内检查瓦斯，必须制定安全措施。一般应由两人进 行，且一前一后同时缓步进入盲巷内。在检查过程中，除检查沼气和二氧化碳 外。还应检查氧气浓度，若发现氧气浓度降至 19%或者稍感呼吸困难时，不管 沼气或二氧化碳浓度大小，必须立即退出盲巷，由矿
