綜采工作面漏風通道及漏風率測定技術

李永強

（晉能控股煤業集團泰山隆安煤礦，山西 保德 036600）

1 工程概況

泰山隆安煤礦11下301綜采工作面為11號煤三采區首采工作面，位于井田中南部，沿煤層走向布置，回采方位0°00′00″，工作面設計順槽長度1 297 m，回采寬度240 m。工作面頂部為砂質泥巖，煤層整體較穩定，11下301綜采工作面內的11號煤平均厚度4.3 m，煤層自然發火周期43 d，屬易自燃煤層。煤層含少量夾石，無斷層、節理、褶皺等地質構造類型，局部有沖刷帶構造存在。工作面北為11號煤西翼集中回風下山，南為原廢棄民采平硐采空區，東為原橋頭鎮辦煤礦采空區，西為實體煤，工作面埋藏淺，距離地面120～150 m，頂板上部覆蓋層較松散，孔隙率較大，上覆為原金義煤礦和原晉豫煤礦舊小窯采空區，兩煤層的層間距平均為30.56 m。因此，當11下301綜采工作面回采時，上部采空區發生垮落，形成裂隙貫通地表，易形成通風渠道。因工作面采用全負壓通風，回采期間出現地表裂縫向采空區漏風，發生采空區遺煤自燃現象，影響工作面安全生產以及礦井正常通風。基于此，需采取專業技術措施，驗證采空區漏風通道和漏風量，并根據漏風的嚴重程度制定相應的防范措施，以保證工作面安全生產及礦井正常通風。

2 礦井外部漏風的危害分析

回采工作面及礦井發生外部漏風，將對工作面及礦井產生諸多危害，具體危害分析如下：

1）工作面發生外部漏風，尤其是工作面回風側發生的外部漏風，將致使工作面有效風量減小，從而引起工作面瓦斯聚積、空氣溫度升高、氣候條件惡劣，不僅影響工作面作業人員的身體健康和工作效率，還對工作面安全生產造成一定影響。

2）工作面外部漏風，尤其是地表向工作面漏風，將使礦井的通風系統復雜化，無法保證礦井通風系統的穩定性和可靠性，對井下各用風地點的風流控制和調節造成不同程度的影響[4]。

3）因礦井采用抽出式負壓通風，出現地表漏風問題將致使礦井主通風機的效率低下，不僅浪費大量電力，還嚴重影響各用風地點的正常通風，甚至出現通風機能力不足，采用大功率風機仍不能滿足礦井正常通風的問題。

4）工作面存在漏風問題，主要發生在正在回采的工作面采空區連通上覆采空區及地表裂縫產生的漏風，因采空區內不可避免的存在遺留煤體，遺留煤體在長期接觸外部漏風情況下，易發生遺煤氧化甚至自燃，致使回采工作面溫度升高、CO濃度偏高等一系列安全問題[6]。

因此，一旦發現礦井或工作面發生外露漏風現象，必須及時檢測漏風通道及漏風量，分析漏風原因，便于采取針對性措施以解決漏風問題，確保礦井安全生產。

3 漏風通道的檢測

3.1 檢測方案設計

11下301工作面采用負壓通風方式，設計配風量為1 770 m3/min。截止6月7日，11下301工作面共推進約760 m，老頂已來壓垮落，工作面回采期間，出現進風順槽進風量明顯小于回風順槽的回風量，且發現工作面溫度及CO濃度偏高，已對工作面安全生產造成嚴重影響，初步判定為采空區內發生外部漏風，導致采空區遺煤自燃所致。因此，必須檢測導致工作面漏風的主要原因。

通過對11下301工作面地面進行觀察，在工作面進風順槽與回風順槽方向，出現與順槽方向平行的裂隙，在距離11下301切眼方向也出現與切眼平行的地面裂縫。地面裂縫帶最寬處約0.2 m，估計在0.1 m以上寬度的裂縫其深度達4 m以上，有的裂縫可以觀測到明顯的漏風現象，判斷漏風方向為地面向裂縫深處漏風。為確定漏風通道及其流經區域，采用示蹤氣體SF6對工作面的漏風情況進行測定[1-2]，具體實施步驟如下：

1）SF6示蹤氣體的釋放點在距離工作面的直線距離約110 m處的地表裂隙帶，根據工作面及采空區內氣體流向，釋放地點設置在工作面采空區偏工作面采空區下部位置。示蹤氣體SF6釋放點布置如圖1所示。

圖1 11下301工作面地面裂縫漏風測定示意圖

2）示蹤氣體SF6接收檢測點：氣樣取樣點分別布置在11下301工作面上隅角及距離上隅角60 m回風順槽處。

3）氣樣采集及檢測：在示蹤氣體釋放前，接收點安置示蹤氣體SF6檢測儀，以便隨時開始對氣體采樣。檢測儀安置完成后，6月7日下午1:30分，示蹤氣體以5L/min的穩定釋放速率開始釋放，25 min后，當日下午1:55分在工作面上隅角首次檢測到有該示蹤氣體，不過初始氣流狀態較弱，待氣流穩定之后，采3份氣樣。下午2:00在回風槽處60 m處檢測到示蹤氣體，采用方式同前者一樣。

4）氣樣采集結果：通過對各接收點的氣樣檢測可知：在11下301工作面上隅角及回風順槽處的示蹤氣體SF6平均濃度分別為92.37×10-9，89.31×10-9。

3.2 檢測結果分析

由11下301工作面上部地表裂隙和漏風通道檢測分析。通過2個接收點的檢測儀檢測的結果表明：所有接收點均可檢測到示蹤氣體，其中最先檢測到的接收點為工作面上隅角，并且測得示蹤氣體SF6濃度顯示大于距離上隅角60 m回風順槽處的值，說明地表空氣在負壓通風作用下由地表流向井下采空區，11下301工作面與金義煤礦、晉豫煤礦采空區之間隔離巖層破壞形成漏風通道，風流由地面流向工作面，主要漏風通道為工作面回采上方的地表塌陷形成貫通工作面采空區的裂縫。

4 工作面漏風量測定分析

4.1 測定方案

為防止示蹤氣體滯留在采空區，對工作面漏風量的測定結果產生干擾，故對于漏風量的測定時間定于6月15日，檢測步驟如下：

4.1.1 示蹤氣體SF6的釋放地點布置

由公式L≥32S/U可知氣體釋放點和取樣點的確切位置[3-4]，進而計算出漏風點與接收點、氣體釋放點和取樣點之間距離。工作面進風巷巷道斷面為3.4×5.4（m2），回風巷巷道斷面3.4×5.0（m2），代入公式可得：

Lj≥32S/U=32×5.4×3.4/（2×（5.4+3.4））=33.4 m

Lh≥32S/U=32×5.0×3.4/（2×（5.0+3.4））=32.4 m

式中：Lj、Lh分別為進風巷道、回風巷道，取Lj=Lh=35 m，確定釋放點R位于距工作面進風巷70 m處。

4.1.2 示蹤氣體SF6接收點

接收點設置需滿足距離要求，最終接收點的位置分別置于工作面進風巷方向35 m處和回風巷方向35 m處。工作面漏風測定示意圖如圖2所示。

圖2 工作面漏風示意圖

4.1.3 氣樣采集及檢測

6月15日下午4:30將示蹤氣體釋放裝置和檢測裝置分別安裝于釋放點和接收點，一切布置結束之后，開始釋放示蹤氣體SF6。示蹤氣體SF6以5L/min的穩定釋放速率開始釋放，等待氣流穩定之后進行取樣。下午4:50進風巷接收點S1出現檢測到示蹤氣體的信號，下午5:00回風巷接收點S2也有檢測顯示。S1、S2檢測點均待氣流穩定后進行取樣，每次取樣時間10 min，每個檢測點均采集4組樣品，并對每組樣品的示蹤氣體SF6氣體濃度進行均值統計及分析。

4.1.4 氣樣采集分析結果

由表1數據可知，其中S1檢測點第3組檢測數據計算的相對誤差數據異常，經分析是因為采用工序操作錯誤引起的結果。剩余組數據可用于漏風量的分析。排除干擾組，S1和S2平均值分別為34.62×10-6和32.13×10-6。根據物質能量守恒定律[5-6]，示蹤氣體總質量相等，使用公式Q1×C1=Q2×C2，最終計算工作面的漏風量為ΔQ=Q1-Q2=-109 m3/min，漏風率α=ΔQ/Q1×100%=7.78%。

表1 工作面漏風測定分析表

4.2 測定結果

最終通過對氣樣的分析可知，11下301工作面的漏風量是109 m3/min，漏風率是7.78%。在地面釋放的示蹤氣體SF6間隔20 min即可在工作面上隅角位置檢測到示蹤氣體SF6進入工作面，表明漏風通道較為暢通，工作面發生外部漏風現象較為明顯。因此，針對工作面發生外部漏風問題，必須采取針對性措施，防止地表裂縫繼續向工作面漏風。

5 防漏風措施

為防止工作面回采期間造成的地表塌陷形成裂縫向工作面漏風，致使礦井通風系統復雜化，影響礦井安全通風，工作面采空區內遺煤自燃，影響工作面安全生產，特制定工作面防漏風措施如下：

1）對工作面回采期間產生的地表塌陷情況安排專人進行日常排查，發現因回采導致的地表裂縫及時安排回填，堵塞漏風裂隙，最大限度的減少地表塌陷裂隙漏風。

2）針對11下301工作面為中厚煤層回采工作面，要保證回采速度及回采率，在保證工作面安全回采及割煤質量的前提下，達到中厚煤層回采率不低于95%的標準，盡量減少采空區遺留煤量。同時，回采期間應定期向上、下隅角及采空區撒布阻燃巖粉，減少遺煤自燃可能性。

3）針對工作面回采兩側的地表易產生較大地表裂縫引起的上、下隅角處漏風嚴重問題，需采取上、下隅角堵漏措施。工作面每推進20～30 m，在上、下隅角處采用沙袋堆砌不低于1.5 m以上的采空區隔離墻體，防止上、下隅角垮落形成的三角區直接與工作面形成漏風通道。

4）為減少工作面向采空區漏風，需在回采期間對上、下隅角處加裝防漏風擋風簾，引導風流沿工作面流動，減少工作面向采空區漏風的同時，也防止采空區高溫及有毒有害氣體向工作面釋放。

5）回采結束的工作面，必須及時封閉嚴實，防止發生停采工作面長期漏風，影響礦井正常通風。

6 現場實踐與效果分析

根據11下301工作面漏風通道及漏風率檢測結果可知，工作面存在長期漏風嚴重，影響工作面安全生產及礦井正常通風，在采取了針對性防漏風措施后，為驗證措施效果，繼續采用了示蹤氣體SF6進行的漏風通道及漏風量檢測技術，對采空區上部的地表裂隙向工作面采空區漏風通道及漏風量進行了檢測，采取相同流量的示蹤氣體SF6在設計位置進行釋放，并在2個設計接收檢測地點進行了氣體采樣分析。采取防漏風措施后的檢測結果顯示，S1和S2處的示蹤氣體SF6濃度平均值分別為7.38×10-6和5.42×10-6，在地表釋放示蹤氣體SF6后，首次在工作面上隅角處檢測到示蹤氣體SF6,時間為1小時37分鐘，較采取措施前時長減緩了1小時17分鐘，根據釋放點與2個接收點的濃度計算得知，通過地表裂隙進入工作面回風流的示蹤氣體SF6已不足地表釋放量的1/6，最終計算工作面的漏風量為ΔQ=-15 m3/min，漏風率α=1.37%。檢測結果表明，采取防漏風措施后，雖未完全避免工作面發生外部漏風，但措施效果顯著，漏風量得到大幅降低，采取防漏風措施后的漏風量及漏風率經通風系統評估，已基本不影響工作面正常通風。對工作面漏風造成的安全生產影響方面評估可知，采取防漏風措施后，回風巷風量一定情況下，經過回采工作面的風速有一定升高，工作面溫度較之前有明顯降低，CO濃度明顯降低，表明采取措施后，采空區遺煤自燃現象得到有效抑制，漏風量及漏風率均得到有效控制。

7 結論

1）11下301工作面回采過程中由于采空區冒落及上覆存在小煤窯采空區，造成地面出現裂縫，采空區與地面裂縫之間存在連通，在通風負壓作用下存在漏風，漏風方向為地面裂縫向工作面采空區漏風，工作面的漏風量為109 m3/min，漏風率為7.78 %，漏風情況較為嚴重。

2）漏風情況可能導致采空區遺煤自然發火，影響11下301工作面的安全生產，同時影響礦井正常通風。通過采取地表裂隙回填、保證工作面回采率、撒布巖粉、設置隅角隔離墻體、安裝擋風簾等防漏風安全措施，可使采空區遺煤自燃現象得到有效抑制，漏風量及漏風率均能夠得到有效控制，最大限度地減少地表裂隙漏風的同時，防止采空區遺煤自燃及有毒有害氣體向工作面擴散，以保證工作面安全生產及礦井正常通風。