基于示蹤氣體的綜放開采采空區漏風監測

張 嘎

（汾西礦業賀西煤礦，山西 柳林 033300）

綜放開采具有產量大、效益好等優點，但是受到開采工藝制約，采空區內遺煤量較大[1-2]。當開采煤層具有自燃發火傾向性時，如何實現采空區防滅火是綜放開采需要重點解決的問題，減少采空區漏風量是降低采空區遺煤自燃發火的主要技術途徑之一[3-4]。現階段綜采工作面采空區漏風監測的主要技術措施包括有現場側風、示蹤氣體監測、數值模擬等技術手段[5-6]。煤礦井下常用的示蹤氣體為SF6，該氣體具有礦井井下原始含量極低、性能穩定、不溶于水、監測靈敏度高等優點[7]。為此，文中就提出采用SF6 示蹤氣體對31506 綜放開采工作面采空區漏風情況進行監測，并結合數值模擬軟件確定采空區漏風深度，以期更好地指導采面采空區漏風控制以及采空區防滅火工作開展。

1 工程概況

山西某礦設計開采煤層為15 號煤，煤厚7.2 m，傾角8°，綜放開采，采放比1∶1。15 號煤層埋深平均380 m，采用走向推擠1 135 m、傾向220 m，采用U 型通風方式，額定配風量為2 150 m3/h。15 號煤層經鑒定為II 類自燃煤層，自燃發火期的最短為35 d。由于采面采用綜方開采工藝且開采范圍內局部位置地質構造發育，從而導致采空區內存在有一定遺煤，導致采空區自燃發火危險性增大。降低采空區漏風量并掌握采空區漏風規律，對遺煤自燃防治具有重要意義，為此提出采用示蹤氣體對采空區漏風進行監測。

2 采空區漏風現場監測

2.1 示蹤氣體監測基本原理

通過SF6 示蹤氣體對31506 綜放工作面采空區漏風進行監測，釋放裝置在采面設定位置釋放示蹤氣體，并使用CSH1000 測定儀對不同位置示蹤氣體濃度進行監測。31506 綜放工作面通風方式為U 型，通過穩定釋放示蹤氣體實現該采面漏風量監測。開始監測后即開始釋放示蹤氣體，采樣點人員間隔一段時間采集一次氣體，帶到地面對氣體成分進行分析。

采空區內漏風風速計算公式為：

式中：v 表示采空區漏風風速，m/s；L 表示流線長，取值220 m；n 表示采樣序數，共計13 次；t 為采樣時間間隔，s。

2.2 監測方案及結果分析

根據現場實際情況，制定的監測方案：

1）將SF6 示蹤氣體釋放點位置置于采面進風巷端頭支架與采空區交匯位置，并在釋放裝置末端與2 m 長束管連接，確保示蹤氣體可均勻釋放。示蹤氣體采集點位于回風巷端頭與采空區交匯位置處。

2）示蹤氣體采集時需要確定好采氣時間。示蹤氣體釋放裝置釋放時間設定為10 min，采氣時間為10 min，從而有效避免采樣點無法收集示蹤氣體問題。

采空區漏風與頂板垮落、液壓支架移架等因素密切相關，為降低后續分析難度，提出在采面檢修班釋放示蹤氣體并。具體采面內示蹤氣體釋放、采集點布置見圖1 所示。

圖1 示蹤氣體釋放、采集點布置示意圖

為了提高示蹤氣體測量精度，采用現場CSH1000 測定儀讀數以及采集氣體地面分析相結合方式進行示蹤氣體濃度分析。本次測定中共有4 次檢測發現示蹤氣體，具體不同時間點獲取到的示蹤氣體濃度分布情況見圖2 所示。從圖中看出，示蹤氣體濃度隨著采樣時間增加呈明顯降低趨勢；一定量的示蹤氣體隨著采空區淺部漏風從回風隅角位置涌出，部分示蹤氣體進入到采空區深部。示蹤氣體測定濃度隨測量時間增加而呈降低趨勢與采空區深度位置風速流動較慢趨勢一致。

圖2 示蹤氣體測定濃度與測定時間變化曲線

將采集到的示蹤氣體濃度、采集時間等帶入到公式（1）中，即可求得采空區漏風速度，具體計算得到的采空區漏風速度見表1 所示。從計算結果得到，31506 綜放工作面采空漏風速度介于0.04～0.20 m/s。

表1 采空區漏風速度

3 采空區漏風深度模擬分析

依據示蹤氣體監測得到的采空區漏風速度，通過ANSYS 軟件對采空區漏風情況進行分析，構建的模擬模型中回采巷道斷面均為5 500 mm×3 600 mm，采面斷面為6 000 mm×3 600 mm，采空區尺寸為220 m×300 m×7.2 m。具體采空區內風速分布模擬情況見圖3 所示。從模擬結果看出，采空區內風速分布呈現U 型，采面采空區進風巷風速大小、漏風深度明顯大于采空區回風巷側。采空區內風速過低則基本不會給采面正常回采帶來影響，根據相關研究成果將采空區內漏風下限確定為0.040 m/s，采空區內風速0.040 m/s、0.048 m/s、0.200 m/s 等值線與采面距離為13.55 m、12.36 m、3.59 m。采空區內風速0.20～0.04 m/s 漏風區間對應采空區漏風深度范圍介于3.59～13.55 m。

對采空區漏風速度、漏風深度進行擬合分析，具體擬合結果見圖3 所示。

圖3 采空區漏風速度、漏風深度擬合曲線

從圖3 中看出，隨著采空區深度增加，采空區內風速等值線速度呈明顯降低趨勢，該變化趨勢與示蹤氣體測定結果變化趨勢一致。

4 結論

1）31506 工作面受采煤工藝、地質構造等因素影響，采空區內遺煤量較大，存在一定的自燃發火風險。采空區遺煤自燃與采空區漏風密切相關，為此提出采用示蹤技術對采空區漏風進行監測，現場測定采空區漏風速度介于0.04～0.20 m/s。

2）采用數值模擬確定采空區漏風范圍、深度，漏風速度0.04 m/s、0.20 m/s 等值線深度等值線對應采空區深度分別為13.55 m、3.59 m；同時模擬發現采空區內進風巷側漏風顯著高于回風側，為此，在后續漏風防治中可通過強化采面進風巷側漏風通道封堵，降低漏風量。