淺埋藏近距離煤層群開采漏風規律研究

葉慶樹，胡 鑫，白 玉

（1.國家能源集團神東煤炭集團公司，陜西 神木719315；2.撫順正工礦業科技裝備有限公司，遼寧 撫順113122）

國家能源集團神東煤炭集團公司地跨陜、晉、蒙三省區，整體產能超過2 億t/a。礦區內煤層賦存條件優越，水文地質簡單，煤層傾斜角度小（1°～3°），埋藏深度較淺，上層煤一般30～180 m，煤層瓦斯含量低（0～0.5 m3/t）、自燃傾向性較強。礦區內各礦井主采煤層具有埋深淺、煤層間距小、煤層群賦存的典型特點。礦井的首采煤層已經基本回采完畢，現已開采第2 層煤，甚至部分礦井已開采第3 層煤[1]。隨著開發的深入，區內各礦井生產、通風系統逐漸復雜，形成了大面積、多煤層、立體式的采空區。由于煤層埋藏淺、采高大、機械化程度高，礦井生產推進度快，造成地表塌陷十分明顯，采空區形成的漏風維度多、漏風通道聯通復雜；加之煤層自燃傾向性強、自然發火期短，晝夜溫差大，采空區“呼吸”現象明顯，采空區煤炭自然發火風險高、防治難度較大。其次由于煤層間距離比較小，開采下層煤時，受二次垮落的影響，漏風通道變得復雜而無規律，給回填工作帶來了很大的困難，且上層煤開采時部分礦井采用房柱式開采，采空區內遺煤較多；在開采的過程中除了防止開采煤層的自燃威脅外，對相鄰上覆煤層采空區自燃也是防治的重點和難點。 通過選取對神東礦區不同層間距綜采工作面進行漏風的觀察，找尋近距離煤層群開采時的漏風規律，為今后采空區漏風控制提供科學依據和有效的防范措施[2]。

1 漏風影響因素

造成煤層群采空區漏風的主要因素有2 個方面：一是漏風通道，即開采時形成的溝通裂隙；二是漏風通道兩端的漏風壓差[3]。

1.1 構成裂隙發育的因素

根據神東礦區目前生產的布局，煤層開采由上而下逐層開采或同時開采；在第1 層煤回采結束后，依次回采下分層的煤層；煤層間距離越近，形成的裂隙將更加發育且不規則，遇到上覆覆蓋層較為堅硬時，裂隙寬度會逐漸變大而寬。根據礦井通風阻力計算公式可以得出[4]，裂隙發育程度的大小，直接影響著漏風的風阻大小；若工作面進回風側兩端的壓差保持不變的情況下，隨著地表裂隙通風阻力的不斷減小，其漏風量將會逐漸增大。由此可以得出，煤層間距越小，地表與采空區、鄰近層采空區漏風增大。

1.2 礦井綜采工作面進回間的壓差（即漏風壓差）

由通風阻力定律可知，綜采工作面進回之間的壓差的大小是影響采空區地表漏風的最重要因素，根據通風阻力公式可知，綜采工作面采空區兩端頭的漏風路線壓差或風阻與采空區的漏風量成正比關系，控制采空區漏風路線兩端的壓差就能有效的減少采空區地表的漏風量[5]。

礦井通風方式的不同，對綜采工作面采空區漏風同樣有一定的影響；礦井采用抽出式全負壓通風時，礦井漏風方向表現為由地表向井下采空區漏風。礦井采用壓入式全正壓通風時，礦井的漏風方向是由井下采空區向地表漏風。

自然風壓對綜采工作面的漏風有一定的影響，神東礦區位于毛烏素沙漠邊緣，晝夜溫差變化大，當礦井壓力與自然風壓的作用相反，綜采工作面的漏風方向根據兩者壓力的大小而定，若礦井壓力大于自然風壓，則井下采空區向地表漏風；若礦井壓力小于自然風壓，則地表向礦井采空區漏風。

2 示蹤氣體檢測原理

2.1 SF6示蹤氣體特性

六氟化硫（SF6）是一種無色、無味、無毒、無腐蝕性、不燃、不爆炸的氣體，密度是空氣的5 倍，極難溶于水，不易稀釋和擴散，純態下很難被分解，與空氣混合后分布均勻，具有較強的負電性和靈敏度等特點，在空氣中含量極少。所以，SF6通常被作為一種示蹤氣體在煤礦井上、井下漏風測定工作中得到了廣泛應用[6]。

2.2 漏風檢測的工作原理

SF6示蹤氣體檢測井上、下漏風的原理是：以礦井通風抽出式為例，在綜采工作面地表垮塌裂縫較大處選1 個點（漏風的進風處），定量釋放SF6氣體[7]，在井下綜采工作面回風巷距工作面10～15 處取樣分析，依據分析數據，判斷采空區漏風狀況，計算出采空區漏風量。

3 淺埋深藏近距離煤層群漏風規律

3.1 工作面概況

石圪臺煤礦31201 工作面于2013 年8 月19 日開始生產，該工作面為31 煤二盤區首采面，工作面設計寬度311.4 m，推進長度1 865 m，平均采高3.9 m，埋深108.08～147.94 m。 南側為31202 備采工作面，兩工作面間隔離煤柱寬15 m；北側為31 煤回風大巷；切眼和回風巷向外均為實體煤；上部為原天隆22 煤層旺采采空區，工作面布置為“品”字，設計尺寸為 采5 m 留5 m 煤柱；22 煤和31 煤層間距為30～49.1 m，平均為39 m；該工作面采用“U”型通風，計劃風量為1 500 m3/min。

上灣煤礦12302 工作面位于12 煤三盤區，該工作面是沿煤層傾向布置，沿走向推進。設計寬度為287 m，推進長度為5 009.2 m。 煤層傾角為1°～5°，煤層平均厚度4.57 m，設計采高4.5 m；上覆基巖厚度180～300 m，上部為12上煤采空區，12 煤與12上煤層間距平均16 m，可采期為13 個月，月推進度為428 m，采用“U”型通風方式。

3.2 漏風測定過程

為了研究31201 和12302 工作面采空區漏風規律，尋找31201 綜采工作面與22 煤旺采采空區的漏風通道、12302 工作面與12上煤采空區的漏風通道，通過釋放裝置在工作面地表垮塌裂縫較大處釋放一定量的SF6氣體，在工作面回風隅角采樣分析，計算出SF6示蹤氣體滲流的速度，研究地表漏風規律[8]。

1）石圪臺礦SF6釋放位置的選擇。石圪臺煤礦采用抽出式通風方法，礦井的漏風主要來源于工作面地表塌陷裂縫，故在31201 工作面上覆地表塌陷區選擇裂隙發育好、漏風大位置作為SF6的釋放點，用GPS 定位測量，距該工作面回風巷110 m、距切眼50 m 的地表塌陷裂縫作為釋放點，31201 工作面地表漏風測試位置示意圖如圖1。

圖1 31201 工作面地表漏風測試位置示意圖

2）上灣礦SF6釋放位置的選擇。上灣煤礦采用抽出式通風方法，礦井的漏風主要來源于工作面地表塌陷裂縫，故在12302 工作面上覆地表塌陷區選擇裂隙發育好、漏風大位置作為SF6的釋放點，用GPS定位測量，12302 工作面輔運巷13 聯巷為SF6示蹤氣體的釋放點，上灣煤礦漏風測定示意圖如圖2。

圖2 上灣煤礦漏風測定示意圖

3）石圪臺煤礦采用SF6氣體瞬時釋放法，從下午13：30 開始，以5 L/min 的釋放速度，持續釋放30 min。在井下回風隅角采用便攜式SF6氣體檢測儀檢測檢測示蹤氣體，用以驗證分析儀分析結果。地表釋放示蹤氣體10 min 之后，開始對31201 工作面回風隅角取氣樣，每隔5 min 采集1 個氣樣，共取6 個氣樣，采樣結束后將氣樣送至地面分析室進行分析。

4）上灣煤礦采用SF6氣體瞬時釋放法，從上午10：30，以5 L/min 的釋放速度，持續釋放30 min。在井下采樣點采用便攜式SF6氣體檢測儀檢測檢測示蹤氣體，用以驗證分析儀分析結果。地表釋放示蹤氣體10 min 之后，開始對12302 工作面回風隅角取氣，之后每隔5 min 鐘采集1 個氣樣，共取6 個氣樣，采樣結束后將氣樣送至地面分析室進行分析。

5）檢測結果。在13：55 時，井下31201 工作面檢測儀檢測到示蹤氣體。31201 工作面地表漏風測定結果見表1。在上午10：45，井下12302 工作面上隅角檢測到SF6示蹤氣體，12302 工作面地表漏風測定結果見表2。

表1 31201 工作面地表漏風測定結果

表2 12302 工作面地表漏風測定結果

3.3 測試結果分析

1）31201 工作面地表漏風風速為7.48 m/min。

2）31201 工作面采空區漏風路線為：地表裂隙→22 煤天隆旺采采空區→31201 綜采工作面采空區。

3）12302 工作面地表漏風風速在26 m/min。

4）12302 工作面與地表的漏風路線為：地表裂隙→12上煤采空區→12302 工作面采空區。

4 礦井采空區漏風規律

1）綜采工作面回采后采空區塌陷形成的裂縫是井下漏風的主要通道，同時受大氣壓和工作面的通風方式的影響，由地表向井下采空區漏風。

2）神東石圪臺煤礦31201 工作面煤層平均埋深為124 m，和22 煤層間距為40 m；神東上灣煤礦12302 工作面平均埋深為225 m，與12上層煤平均間距16 m。上灣煤礦12302 工作面漏風風速0.433 m/s，石圪臺煤礦31201 工作面漏風風速0.125 m/s。造成神東石圪臺煤礦31201 工作面和上灣煤礦12302 工作面漏風的主要原因在于上、下煤層間的距離小，下部煤層二次開采后上覆巖體經過基本頂初次來壓、周期來壓并垮落后將產生大量直達地面的可見裂隙，增加了地面與工作面采空區的漏風通道，因此近距離煤層群開采時漏風量較大，漏風風速較大。

5 礦井采空區漏風控制措施

1）為平衡漏風通道兩端風壓差，可對工作面實行均壓措施[9]，從而降低地表和采空區的壓差，減少漏風和采空區“呼吸”效應，確保工作面的安全生產。

2）加強地表裂隙回填，定期安排專人負責地表裂隙的巡查及回填、封堵工作。

3）回采首層煤時采取預防性注漿措施，預防回采下一煤層時上下煤層相互溝通，形成控制漏風通道，避免上層遺煤自燃。

4）改進采空區注漿材料，研究選用具有保水、保漿、膨脹、阻燃材料，提高注漿的封堵漏風、包裹遺煤效果。

5）對本采空區和上覆采空區注惰性氣體或液體，使采空區形成局部正壓，從而起到抑制地表向采空區漏風的作用[10]。

6 結 論

1）介紹了SF6示蹤氣體測定方法，制定了31201和12302 工作面漏風測定技術方案。

2）在31201 和12302 工作面進行了采空區漏風測定。31201 工作面采空區的漏風路線為：地表裂隙→22 煤天隆旺采采空區→31201 綜采工作面采空區；12302 工作面與地表的漏風路線為：地表裂隙→12上煤采空區→12302 工作面采空區。進而得出漏風規律：綜采工作面回采后采空區塌陷形成的裂縫是井下漏風的主要通道，同時受大氣壓和工作面的通風方式的影響，漏風方向為由地表向井下采空區漏風。