SF6示蹤氣體漏風測試技術在斜溝煤礦的應用

邊小峰

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602)

大采高綜采機械化采煤技術是一種高產高效的開采技術，回采率高，采空區丟煤少，但采場圍巖破壞范圍大，頂板難以管理，且不利于采空區瓦斯、遺煤自燃治理。尤其對于瓦斯與火雙重隱患共存的工作面，由于覆巖垮落高度大，造成采空區孔隙率高，漏風強度大，使遺煤氧化供氧充足，不利于采空區火災防治。

目前，示蹤氣體測定法已經成為一種成熟的礦井漏風測定技術，在國內外得到長期廣泛應用，具有較強的適用性與可靠性。示蹤技術就是選擇具有一定特性的氣體作為標準氣體，利用風流或漏風作載氣，在壓能較高的漏風源釋放，在其可能出現的漏風出口采集并分析氣體，以根據分析結果判斷漏風通道，計算漏風風速、風量。SF6作為示蹤氣體，在大氣及礦井環境中的本原含量極低，且具有化學性質穩定、擴散性較好、不溶于水、無沉降、不凝結、不為井下物料表面吸附、檢出靈敏度高等特點，是一種非常理想的示蹤氣體[1-2].

利用SF6示蹤氣體方法對斜溝煤礦18503工作面采空區漏風風速進行測試，結合FLUENT軟件模擬采空區漏風深度，最終形成采空區漏風規律，對該工作面堵漏控風等防滅火工作進行指導。

1 工作面概況

斜溝煤礦18503回采工作面開采15#煤層，煤層厚度4.53～6.00 m，平均厚度5.5 m，煤層傾角2°～14°，平均傾角8°，工作面標高為+860～+936 m，進回風巷道長1 113 m，工作面長220 m，工作面采用“一進一回”U型通風方式，工作面配風量約為2 100 m3/min. 工作面北東側為井田邊界煤柱；南東、北西側均為實煤體；西南側與15采區膠帶巷、軌道巷、回風下山巷相鄰。井田內15#煤層為Ⅱ級自燃煤層，最短自然發火期35 d. 工作面采用單一走向長壁采煤法，綜合機械化采煤，一次性采全高，全部跨落法管理頂板。

2 綜采工作面采空區漏風規律現場測試

2.1 測試原理及步驟

采用SF6示蹤氣體方法測試綜采工作面采空區漏風規律，采用由中國礦業大學自主設計研發的SF6釋放裝置，見圖1，通過現場取氣，由CSH1000型煤礦用SF6測定儀測試氣體SF6濃度。

圖1 SF6釋放裝置示意圖

18503工作面采空區屬于一源一匯的漏風方式，采用穩定連續釋放法測試該工作面漏風量。測定開始后開始釋放SF6氣體，氣體采樣點處的采氣人員以秒表計時，每隔一定時間采氣一次，采氣結束后妥善保管氣樣，帶至地面分析計算，采空區漏風風速按式(1)計算：

(1)

式中：

v—采空區漏風風速，m/s；

L—流線長度，m，取工作面長度220；

n—采樣序數，共采樣13次，取其為1～13；

t—采樣間隔時間，s.

2.2 現場測試方案實施

根據工作面實際情況制定具體的測試方案：

1) 進風巷端頭支架與采空區交界處設置為SF6釋放位置，回風巷端頭支架與采空區交界處設置為SF6氣體采集位置，SF6釋放點、取樣點布置圖見圖2. SF6釋放點、取樣點應布置在采空區一定深度位置，防止SF6氣體直接通過分子擴散方式運移至工作面。

圖2 回采工作面SF6釋放點與取樣點布置圖

2) 設置氣體采樣時間間隔，SF6氣體釋放時間預設為10 min，為了防止SF6氣體運移至采樣點時未采集到SF6示蹤氣體，首次采集氣樣時間為釋放SF6后5 min，第二次亦為5 min，之后以10 min間隔進行氣體采集。

3) 由于生產時采煤支架工序會影響測試工作,因此，測定選擇在2019年5月20日檢修期間進行，當日16:30釋放SF6氣體，18:30結束氣體采樣。

2.3 測定結果與分析

為了避免測試失誤，采用現場讀數與地面分析兩種方法分析現場采集氣樣，測試結果見表1. 本次測試中有4次檢測出SF6氣體，將4次采集氣樣的SF6氣體濃度值繪制成折線圖，見圖3，4次監測出SF6的采樣氣體中SF6濃度隨采樣時間呈現減速下降趨勢變化，一定量的SF6釋放進入采空區，大部分SF6隨淺部漏風流涌出快速到上隅角區域，剩余少部分SF6隨漏風進入采空區深部，經歷較長時間才能涌出到上隅角區域，與實測結果吻合，同時減速下降趨勢變化說明了采空區漏風風速隨采空區深度增大呈現加速降低趨勢。

表1 采空區漏風測試過程中SF6氣體濃度測試結果表

圖3 SF6氣體濃度隨采樣時間變化情況圖

將表1中檢測到的SF6氣體采樣時間帶入式(1)計算得到相應的漏風風速，見表2. 計算結果表明,該工作面采空區漏風風速為0.04～0.2 m/s.

表2 采空區漏風風速測試結果表

3 綜采工作面采空區漏風規律數值模擬

采用SF6示蹤氣體法只能夠測試采空區漏風風速，無法測試得到采空區漏風深度。因此，在上述研究的基礎上運用FLUENT流體動力學計算軟件對該工作面采空區漏風流場進行模擬計算，獲得采空區漏風深度。

3.1 數值模擬模型構建

基于工作面和采空區實際情況進行適當簡化構建幾何模型，進、回風巷道斷面為5.5 m×3.6 m，長15 m，工作面斷面為6 m×3.6 m，長220 m，采空區尺寸為220 m×300 m×3.6 m. 采空區近似為多孔介質區域，采空區滲透率參數用Carman-Konzeny公式計算，通過UDF函數編寫采空區內部滲透率分布函數，并導入計算模型中，進風巷入口風量為實際工作面配風量，回采工作面內空氣為湍流流動，采空區內空氣為層流流動，服從達西定律。

3.2 模擬結果及分析

采空區氣壓場分布模擬結果見圖4，采空區風速場分布模擬結果見圖5. 根據現場測試采空區漏風風速范圍確定采空區漏風深度，由圖5可得，采空區內風速等值線呈現U型形狀，工作面采空區進風巷一側漏風風速大小及漏風深度明顯大于采空區回風巷一側，說明進風隅角漏風強度大于回風隅角漏風強度。

圖4 采空區風壓分布情況圖

圖5 采空區風速分布情況圖

基于數值模擬結果，以工作面中間位置為原點，以工作面推進反方向為坐標軸方向，根據采空區漏風風速確定所對應的采空區漏風深度采空區內0.04 m/s風速等值線距離工作面為13.55 m，采空區內0.044 m/s風速等值線距離工作面約為12.34 m，采空區內0.057 m/s風速等值線距離工作面約為9.25 m，采空區內0.200 m/s風速等值線距離工作面約為3.52 m，緊挨工作面支架尾部，采空區主要漏風風速區間[0.04 m/s，0.2 m/s]所對應的采空區漏風深度區間為[3.52 m，13.55 m].

采用數值分析方法對采空區漏風深度與漏風風速之間關系進行非線性擬合(圖6)，擬合得到以采空區漏風風速為自變量的采空區漏風深度計算公式，該函數為負冪函數形式，由該函數可得采空區漏風風速隨采空區深度增大呈現加速降低趨勢，這一結果與SF6示蹤氣體測試結果一致。

圖6 采空區漏風風速與采空區漏風深度擬合曲線圖

4 結 論

1) 利用SF6示蹤氣體方法對斜溝煤礦18503工作面采空區漏風風速進行現場測定，實測得到該工作面采空區漏風風速在0.04～0.2 m/s，SF6濃度隨采樣時間增加呈現出下降趨勢，說明采空區漏風風速隨采空區深度增大呈現加速下降趨勢。

2) 由數值模擬結果得到，采空區主要漏風風速區間為[0.04 m/s，0.2 m/s]，其所對應的采空區漏風深度區間為[3.52 m，13.55 m]；工作面采空區漏風風速與采空區漏風深度之間為負冪函數關系，現場實測與數值模擬結果基本吻合。

3) 對比分析采空區漏風實測結果與模擬結果發現，在實際生產中可對工作面進回風隅角采取有效封堵措施以降低采空區漏風。