“兩進一回”通風系統能位與示蹤氣體聯合測定采空區漏風

王靜 余陶 吳義泉 盧平

摘 要：為解決自然發火期短的自燃煤層在深井高地溫條件下采空區煤自燃危險程度高的問題，基于能位測定和SF6示蹤氣體聯合檢測采空區漏風原理，以朱集西煤礦為工程背景，研究了工作面和留巷側巷道風流能位狀況，得出了采空區最大可能漏風區域，并利用SF6示蹤氣體進行檢驗。試驗結果表明，工作面漏出風區域主要集中在工作面后段44～61#支架漏出；根據最小漏風速度，留巷側距離工作面34m內的采空區均為散熱帶，且距離工作面越遠的漏風點，收集到的氣體曲線峰值越小，峰值時間越長，曲線越“低胖”，距離近的漏點曲線形狀越“高窄”，研究可為朱集西礦采取防滅火措施提供依據。

關鍵詞：自然發火期短；能位測定；SF6示蹤檢測；“兩進一回”通風

中圖分類號：X936；TD728 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2023）07-0015-04

引言

在煤礦生產工作面，采空區無法和工作面完全密封隔離，不可避免存在從工作面向采空區漏風現象，加之采空區遺煤，就有可能導致煤層自燃引發采空區瓦斯爆炸等煤礦嚴重安全事故的發生。目前我國具有煤自然發火危險的高瓦斯礦井占32.3%，且隨著采深的增加會有越來越多的礦井面臨瓦斯與煤自燃復合災害的威脅[1]，對于在深井條件下地壓大，巷道變形嚴重，“兩進一回”通風方式留巷側擋矸墻易受力開裂，從而增加采空區漏風，因此我們需要更加重視采空區的災害防治。

示蹤技術檢測采空區的漏風狀態，在國內外已獲得廣泛的應用[2]。采用能位測定技術檢測井巷風流能位關系，可定性判斷出漏風源和漏風匯的大致位置，為示蹤氣體檢測提供更加準確的漏風趨勢判斷。實踐證明采用能位測定與示蹤氣體檢測法的結合可以更有效、更快速地檢測采空區的漏風通道，得出其漏風方向、漏風風速[3]。本文在自然發火期短的自燃煤層、深井高地溫條件下，研究“兩進一回”通風條件下采空區的漏風通道和漏風方向等，以此為采空區的防滅火治理提供參考。

1 工作面概況

朱集西煤礦設計生產能力400萬t/a，為深部煤與瓦斯突出礦井。現主采的13煤位于上石盒子組中下部，與上覆16-2煤間距93.6～102.4m，平均間距98.9m，與下伏11-2煤間距66m～74m，平均間距71.2m。13403工作面為四采區首采工作面和被保護層工作面，最大原始瓦斯含量8.47m3/t，最大原始瓦斯壓力為1.36MPa。煤層標高為-919m～-991m，原巖溫度41.8～44.6℃，13-1煤的自燃傾向性等級為II類，最短自然發火期約42天。

為保證礦井生產接續，在13403軌道巷施行110工法切頂卸壓自成巷，可減少回采巷道掘進工程量，實現無煤柱開采，避免出現孤島工作面，保證產量。工作面可采走向長度1380m，傾斜長114m，煤厚1.7～6.3m，平均厚度3.8m，采用后退式走向長壁一次采全高綜采采煤法，全部垮落法管理頂板，工作面經中期調整通風方式后，采用“兩進一回”型通風方式，運輸巷主進風，軌順留巷為輔助進風，軌道巷總回風，通風系統圖如圖1所示。

2 采空區周邊巷道能位測定

2.1 能位測定原理

井下空氣在風機的動力作用下流動，空氣流動就會在周邊通風系統形成壓力差，通過壓力測定，定量確定其數值，可判定采空區周邊的漏風趨勢，進而為使用示蹤氣體SF6去更準確測定采空區漏風通道、漏風速度等提供支撐。

能位測定依據Bernoulli方程，通過對靜壓、動壓和位壓的數據計算，選取基準點，計算各點相對應的壓力差。井下通風系統中兩點之間的壓力差可按下式[4]計算。

式中：P1、P2—分別為測定儀器在1、2測點的靜壓讀數，Pa；？籽1、？籽2—分別為測定1、2兩測點的空氣密度，kg/m3；v1、v2—分別為1、2兩測點的風速，m/s；g—重力加速度，m/s2；Z12—1、2測點間的標高差，m；？籽m12—1、2兩測點間的空氣平均密度，kg/m3。

其中空氣密度可由下式[5]計算：

式中：P—測得的大氣壓力，KPa；T—空氣絕對溫度，K；？漬—空氣相對濕度；Psat—飽和水蒸氣壓，KPa。

2.2 測點布置

根據13403工作面改通風方式后“兩進一回”的通風系統特性，為較為全面的測定采空區漏風狀態，采取在工作面每隔10架左右（17m）、留巷段平均間隔20m（共測150m）、進回風隅角往工作面推進方向外側20m測量兩個點，布置測點，測量采空區周邊通風風流能位情況，測點布置如圖1所示。

2.3 能位測定結果分析

匯總計算采空區周邊測點的能位結果，將回風隅角處測點設置為基準點，其他各點所展示能位值均為與基準點的相對能位差值。為方便觀察采空區周邊能位變化并與其他各點進行對照，將工作面和留巷段測定能位結果標識于圖1中，便于分析漏風趨勢。

分析結果如下所示：

（1）氣體能位沿風流方向逐漸降低，工作面進風隅角能位約50Pa、留巷段110m處采空區能位54Pa，均遠比回風隅角處能位17Pa要高，兩處測點與回風隅角附近的能位差為采空區漏風形成了動力條件，采空區風流主要由回風隅角側流出。

（2）留巷段110m處采空區能位54Pa與進風隅角能位約50Pa相近，將進風隅角和留巷110m處距離用近似虛擬曲線相連接，即可構建處采空區最大可能漏風區域分布如圖1所示。

（3）留巷段130m、150m測點處能位比進風隅角處能位大，根據漏風是從能位高處向能位低處流動，在留巷側擋矸墻密封嚴實情況下，可以判定留巷段110m區域以后不存在風流速度較大的漏風。

3 SF6示蹤技術測量采空區漏風

3.1 SF6示蹤氣體測定原理

SF6在常溫常壓下為穩定的氣態，物理性質透明、無味、無毒，化學性質穩定不易與其他物質反應，遇高溫時不易分解或反應，當溫度達到500℃時才產生輕微分解現象，溫度達到800℃之前呈現惰性特性，因此SF6在可能發生煤炭自燃發火的采空區環境具有很大的適用性[6-8]。根據舒祥澤學者[9]在進行多次示蹤技術實驗時的研究，用示蹤氣體峰值到達的時間來計算風流流速，與實驗實際風流到達收集點時間相差很小，精度完全滿足要求。因此本次試驗選擇以SF6測定曲線的峰值時間來計算采空區最小漏風速度。

根據SF6在各峰值點的時間，計算各采集點漏風通道的最小速度，計算式[10]如下：

式中V為最小漏風速度，m/s；L為漏風源到漏風匯的直線距離，m；t為從釋放SF6氣體到檢測到SF6氣體峰值的時間間隔，s。

3.2 SF6示蹤氣體測定方案

本次實驗采用SF6瞬時釋放法，即在漏風源（能位高）處一次釋放一定量的示蹤氣體，同時在漏風匯（能位低）處每間隔一定時間取樣分析，根據分析結果中有無SF6可以確定該處有無漏風以及漏風方向和漏風速度[11]。試驗時由于回風隅角治理瓦斯原因留巷側149～141#插管帶有少量負壓抽采，因此本次測定結果是基于留巷側插管帶有少量負壓情況下的結果。試驗采用地面取氣并使用氧氣袋作為儲存裝置，采取在進風隅角處風障內深入采空區5～10m釋放SF6氣體150L，氣體釋放時間為20min，測量進風隅角向采空區內的漏風狀況。在工作面30～63#架后、留巷側50m范圍內每間隔10m使用留巷段插管149～141#取樣分析。

3.3 SF6氣體測定結果分析

3.3.1 工作面支架架后氣體測定情況

氣體在進風隅角深入采空區釋放的同時使用SF6測定儀器在架后對氣體進行實時監測，主要測定與工作面交接的采空區的漏風風流，判斷工作面的漏出風情況。試驗發現30～43#架架后氣體數值波動在5.3-7.4之間，44～61#架架后氣體數值在11.4-15.4之間波動，62～63#架氣體檢測濃度2-4之間。

分析可得以下結論：

（1）由30～43#架氣體測定情況數值波動在5.3-7.4之間，分析可知邊釋放邊測定的方法無法避免氣體經進風隅角釋放經與空氣混合后，隨渦流流出采空區經工作面架后區域沿工作面流出，使得在工作面前段漏進風區域也能測出部分SF6，30～43#架數值亦受此因素影響。

（2）分析44～61#架后數據與30～43#對比可知，去除部分SF6氣體由工作面漏出外，SF6測定數據變高說明有另一部分SF6示蹤氣體經淺部采空區在工作面后段支架間漏出，可據此判定44～61#架為工作面主要漏出風區域。

（3）62～63#位于機尾與留巷側交界處，氣體易受工作面風流和留巷側風流的混合影響，導致儀器測定數值降低。

3.3.2 留巷側擋矸墻各插管氣體測定情況

將留巷擋矸墻側測點數據情況匯總于表1中，現場試驗時測定距工作面34、44m處的SF6氣體濃度基本為0，說明采空區風流基本未能流動到此區域或更深區域，因此調整為測試距離工作面50m范圍內的留巷側區域。將149～143#插管氣體數據整理于圖2所示，表2為根據直角三角形勾股定理計算出來的采空區各個收集點對應的最小漏風速度。

分析以上數據，可得到以下結論：

（1）按時間軸分析SF6示蹤氣體釋放1小時后，擋矸墻149#插管開始出現測量值，之后149、147和145#插管分別在150min、180min和210min出現峰值，數值大小逐漸減小。4個小時后所有觀察孔全部顯現示蹤氣體，隨后6小時后逐漸歸零。

（2）按漏風風流方向分析SF6示蹤氣體首先到達149#架（最靠近工作面的插管）然后（沿留巷進風方向）逐漸向留巷段深部顯現，距離工作面越近采空區最小漏風速度越大，工作面越遠最小漏風速度越小，143#插管的最小漏風速度為0.43m/min。

（3）按計量大小分析各個插管收集示蹤氣體SF6濃度隨與工作面距離越遠越低，工作面越遠漏風越少，143#、141#插管（距工作面34m、44m）示蹤氣體濃度基本為0。

（4）從各插管曲線歸零的速率來看，各插管歸零的速度較快明顯快于示蹤氣體SF6上升階段，分析認為是由于各插管帶有小負壓抽采會增加采空區的漏風，使得氣體混量中示蹤氣體量少時，更難被檢測出來。

綜合分析得各插管收集到的SF6氣體曲線均呈現出先上升后下降的趨勢，各個插管的曲線圖對比可知，從149#插管開始，隨著距離工作面越遠，各個插管收集到的示蹤氣體峰值逐漸減少，峰值時間也更偏后，分析認為由于覆巖運動冒落巖石被壓實，留巷側采空區深部孔隙率較工作面附近變小，深部氣體運移的阻力增大，能位差減小，因此SF6氣體的運移所需時間越久，且距離工作面越遠，所收集的曲線越“矮、胖”，距離工作面越近，曲線形狀越“高、瘦”，與舒祥澤學者的研究結果較為一致。

從采空區三帶的角度來看，143#插管的最小漏風速度為0.43m/min，大于采空區自燃帶的邊界速度0.24m/min[12]，由此可以判定留巷側采空區實際散熱帶區域應比34m距離稍遠，34m區域之內為散熱帶區域，可為CO指標氣體異常時，提供借鑒判斷，漏風區域示意圖如圖3所示。

4 結論

應用能位測定技術和示蹤氣體SF6聯合檢測采空區漏風的方法，實現了采空區定性和定量測定漏風的結合，可獲得較準確可靠的漏風測定結果。

（1）根據能位測定結果可知13403工作面“兩進一回”通風方式回風隅角附近能位最低，漏風主要從進風隅角漏入，回風隅角漏出，同時可獲得采空區最大可能漏風區域，為示蹤氣體測定提供基礎。

（2）SF6示蹤氣體測量可更準確的表征采空區漏風通道和漏風方向，留巷側漏風點距離工作面越遠，所收集到的氣體曲線峰值越小，峰值時間越長，且距離遠的測點曲線越“低胖”，距離近的曲線形狀越“高窄”。

（3）根據能位測定與示蹤氣體SF6聯合測定結果，工作面漏出風區域主要集中在工作面后段44～61#液壓支架間漏出；留巷側漏出風區域根據最小漏風速度，距離工作面34m處最小漏風速度為0.43m/min，表明留巷采空區側在距工作面34m區域之內為散熱帶區域，研究結果可為朱集西礦采空區三帶測定和完善相應的防滅火措施提供依據。

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