不同季節條件下淺埋煤層采空區地表垂直漏風規律研究

朱興攀， 王洋， 任曉偉， 晏立， 張林江， 劉文永， 金永飛， 陳玉良

（1. 西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2. 陜西陜煤榆北煤業有限公司，陜西 榆林719000；3. 陜西陜煤曹家灘礦業有限公司，陜西 榆林 719000；4. 西安天河礦業科技有限責任公司，陜西 西安 710054）

0 引言

在采動影響下，淺埋煤層綜放工作面上覆巖層遭到破壞，容易產生裂隙，這些裂隙將地表與井下采空區和工作面連通，使地表空氣通過裂隙進入工作面和采空區，從而產生地表垂直漏風[1-3]。由于綜放采空區遺煤多，若地表垂直漏風情況嚴重，會使得采空區漏風規律紊亂、供氧充分[4-5]，導致采空區氧濃度增大、熱量積聚，最終可能發生遺煤自燃現象，對安全回采造成嚴重威脅[6]。掌握地表垂直漏風規律，減小井下采空區漏風，對礦井安全生產具有重要意義[7-8]。

通常采用數值模擬方法和SF6氣體示蹤法對地表垂直漏風規律進行研究[9]。數值模擬方法能夠較為準確地對地表漏風情況進行模擬[10]。李建偉[11]利用數值模擬方法，確定了煤礦不同埋深時地表漏風條件下采空區漏風流場分布規律。邢震[12]將數值模擬與現場實測相結合，對淺埋厚煤層地表漏風進行分析，以減小采空區漏風對煤自然發火的影響。張杰等[13]通過物理相似模擬實驗揭示了工作面煤層開采過程中上覆巖層垮落形成的裂隙對采空區漏風的影響，同時采取數值模擬的方法進行驗證，提出了封堵防治措施以解決工作面漏風問題。SF6氣體示蹤法適用于大范圍采空區，對于漏風位置的檢測較為準確[14-15]。趙啟峰等[16]通過采用“地表與井下采空區氣壓差、工作面進風巷與回風巷風量差、示蹤氣體地面瞬時釋放法”確定地表漏風各參數。饒孜[17]利用SF6氣體示蹤法查找煤礦漏風通道并分析漏風規律，為采取有效措施預防工作面層間漏風提供支持。王超群等[18]通過SF6氣體示蹤法及重點區域指標氣體數據分析法，對煤礦采空區漏風規律及其治理措施進行了研究。

但大多數學者只研究了一個時間維度的漏風規律。由于季節更替，引起氣候、溫度、大氣壓強等環境因子改變，造成采空區出現“呼吸效應”[19]，發生漏風現象。因此，本文分析了不同季節的溫度、大氣壓強變化及釋放點隨工作面推進的距離與地表垂直漏風之間的關系，并針對地表垂直漏風情況提出合理的治理措施，為礦井防治因漏風引起的煤自燃提供理論指導和依據。

1 工作面概況

陜西陜煤曹家灘礦業有限公司122108工作面為2-2煤層12盤區東翼第2個回采工作面，為Ⅰ類容易自燃煤層，煤層絕對瓦斯涌出量為2.90 m3/min，相對瓦斯涌出量為0.10 m3/t，煤塵具有爆炸性。礦區屬于地溫正常區，無地熱危害，地壓為大地靜力場型，在構造發育區應力集中。工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面布置Fig. 1 Working face layout

由于煤層埋藏較淺，采煤引起煤層上部巖層塌陷，巖石破裂形成的裂隙穿透地層直達地表，形成漏風通道。通過地表塌陷區實地觀測考察發現，地表松散堆積物主要為砂土，地表可見多條有規律的裂隙，分別沿工作面走向分布（圖2（a））、工作面傾向分布（圖2（b））及十字交叉分布（圖2（c））。

圖2 地表塌陷區裂隙分布Fig. 2 Distribution of cracks in surface subsidence area

2 不同季節的地表垂直漏風測定

2.1 測試方法

在不同季節對122108工作面采空區地表進行現場漏風測試。由于礦井采用負壓抽出式通風，地表處于相對正壓狀態，所以漏風方向是從地表裂隙進入井下采空區[20]。本次測試采用SF6氣體示蹤法對地表垂直漏風規律進行研究。測試所需儀器主要有便攜式SF6氣體檢測儀和漏風阻力測定儀。測試時需在地表釋放SF6氣體，在井下工作面回風隅角進行檢測。地表人員到達指定SF6氣體釋放點后，記錄地表溫度、大氣壓強數據；待井下人員就位后，從選定的氣體釋放點處按照一定的量釋放SF6氣體，記錄SF6氣體釋放時間及終止時間；地表釋放SF6氣體后，立即在井下接收點采用便攜式SF6氣體檢測儀檢測，分別記錄地表和井下的溫度、大氣壓強數據。

2.2 SF6氣體示蹤原理

SF6在天然石中不存在，且具有良好的穩定性和可測性，是一種常見的氣體示蹤劑[21]。利用SF6氣體測試地表垂直漏風時，如果存在漏風情況，SF6氣體能夠通過通道且在回風隅角處檢測到；如果不存在漏風情況，則在整個回風巷道中不會檢測出SF6氣體。

根據地表SF6氣體的釋放時間、井下SF6氣體的出現時間、釋放點與工作面回風隅角的相對距離，定量計算地表向采空區的漏風速率。由于風流在裂隙中向地層的流動不規則，可通過釋放點與工作面回風隅角之間的最長和最短距離來確定最大和最小漏風速率。

式中：Vmax，Vmin分別為最大、最小漏風速率，m/min；L為SF6氣體釋放點距工作面的水平距離，m；Hd為地表SF6氣體釋放點的標高，m；Hj為井下SF6氣體監測點的標高，m；t為SF6氣體釋放至終止的時間間隔，min。

2.3 SF6氣體釋放點布置

在不同季節對工作面地表塌陷區進行現場觀察及調研，并在地表選取漏風量相對較大、與工作面連通較好的主運輸巷道和回風巷道，以及由于工作面周期來壓導致裂隙較大的位置作為SF6氣體釋放點，SF6氣體釋放量為32 L。由于122108工作面北鄰122106工作面采空區，122106工作面采動塌陷產生的地表裂隙可能會與122108工作面貫通，所以在選擇地表SF6氣體釋放點時應考慮122106工作面及122108工作面地表裂隙的漏風情況。在選定的釋放點做好標記，并記錄每個季節各釋放點位置坐標。地表SF6氣體釋放點布置如圖3所示，其中A1—A6，B1—B6，C1—C6，D1—D5分別對應冬季、春季、夏季、秋季的SF6氣體釋放點。

圖3 SF6氣體釋放點布置Fig. 3 SF6 gas release point arrangement

3 結果分析

3.1 SF6氣體示蹤結果分析

不同季節地表和井下采空區溫度變化如圖4所示。可看出冬季地表和井下采空區的溫差最大，地表溫度為零度以下，井下采空區溫度均在20 ℃以上，最大溫差達37.7 ℃；夏季地表和井下采空區的溫差不大，最小溫差只有0.9 ℃。

圖4 不同季節地表和井下采空區溫度Fig. 4 Temperature of surface and underground goaf in different seasons

不同季節地表和井下采空區大氣壓強變化如圖5所示。可看出冬季地表和井下采空區之間的氣壓差相較于其他3個季節較大，6個SF6氣體釋放點中的最大氣壓差為40.37 hPa；夏季地表和井下采空區之間的氣壓差相較于其他3個季節較小，6個SF6氣體釋放點中的最大氣壓差為22.47 hPa；春季和秋季的地表和井下采空區氣壓差則相差不大。

圖5 不同季節地表和井下采空區大氣壓強Fig. 5 Pressure of surface and underground goaf in different seasons

由圖4和圖5可知，冬季地表和井下采空區之間的溫差、氣壓差均比夏季大。這是由于季節更替，地表受自然環境的影響，溫度和大氣壓強變化較大，而井下采空區屬于半密閉環境，溫度和大氣壓強變化相對較小，所以導致在不同季節地表和井下采空區的溫差和氣壓差均存在明顯差異。

通過式（1）和式（2）計算得到不同季節漏風速率，如圖6所示。可看出23個SF6氣體釋放點中有21個SF6氣體釋放點檢測出有漏風情況，漏風比例（存在漏風情況的釋放點數量與總釋放點數量的比值）高達91.3%。由于季節更替造成地表和井下采空區溫差、氣壓差變化較大，導致漏風速率有明顯不同。冬季時漏風速率普遍大于其他3個季節，最大漏風速率范圍為6.017～9.683 m/min，平均最大漏風速率為8.364 m/min，最小漏風速率范圍為4.301～6.871 m/min，平均最小漏風速率為5.948 m/min；夏季時漏風速率相對較小，最大漏風速率范圍為5.825～8.124 m/min，平均最大漏風速率為6.918 m/min，最小漏風速率范圍為4.175～5.895 m/min，平均最小漏風速率為4.966 m/min；春季與秋季時漏風速率相差不大。

圖6 不同季節漏風速率Fig. 6 Air leakage rate in different seasons

不同季節平均漏風速率隨SF6氣體釋放點距工作面距離變化如圖7所示。可看出SF6氣體釋放點距工作面較遠時，漏風速率相對較小；SF6氣體釋放點距工作面距離較近時，漏風速率相對較大。這是由于距工作面較遠的地表裂隙由于塌陷時間較長，可能被地表砂土填埋，裂隙相對較窄，所以漏風速率相對較小；距工作面較近的地表裂隙由于塌陷區初步形成，裂隙發育條件較好，數量相對較多，所以漏風速率相對較大。

圖7 不同季節平均漏風速率隨工作面距離變化Fig. 7 Variation of average air leakage rate with distance from working face in different season

3.2 防治措施

根據現場情況和測試結果綜合分析，122108工作面地表垂直漏風情況嚴重，可能影響煤礦安全開采，因此有必要采取一定的防治措施。

1） 針對季節變化，在井下采空區采取均壓措施，實時調整地表和井下采空區之間的氣壓差，盡可能使井下采空區與地表大氣壓強相等，以防采空區出現“呼吸效應”，減小地表漏風。

2） 根據季節不同對工作面進回風隅角處采取不同的封堵措施。冬季地表和井下采空區之間氣壓差較大，漏風情況嚴重，可采用黃土袋作為封堵材料，在進回風隅角處設置封堵墻；春秋季節漏風相對較小，可采用風筒布進行封堵；夏季地表和井下采空區之間氣壓差最小，漏風情況不嚴重，可不采取封堵措施。

3） 根據季節不同對地表裂隙采取不同的覆蓋措施。夏季地表和井下采空區之間氣壓差最小，對裂隙進行填平處理；春秋季應覆蓋裂隙高出地面0.5 m厚度；冬季氣壓差最大，應覆蓋裂隙高出地面1 m厚度。安排巡檢人員對地表進行定期檢查，發現裂隙應及時填埋。

4 結論

1） 122108工作面在不同季節條件下地表和井下采空區溫差、氣壓差存在明顯差異：冬季地表和井下采空區之間的溫差、氣壓差相對較大；夏季地表和井下采空區之間的溫差、氣壓差相對較小；春季和秋季地表和井下采空區之間的溫差、氣壓差則相差不大。

2） 采空區冬季漏風情況最嚴重，平均最大漏風速率達8.364 m/min；夏季漏風相對較小，平均最大漏風速率為6.918 m/min；春季與秋季的漏風速率相差不大。距工作面較近的地表漏風速率相對較大。

3） 針對季節變化提出漏風治理措施：在井下采空區采取均壓措施；在工作面進回風隅角處采取封堵措施；對地表近工作面的裂隙進行覆蓋。