吳玉國 王涌宇

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024)

SF6示蹤氣體瞬時(shí)-連續(xù)聯(lián)合釋放法在工作面漏風(fēng)檢測中的應(yīng)用

吳玉國 王涌宇

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024)

針對平朔井工一礦4109工作面漏風(fēng)現(xiàn)象，基于SF6氣體的示蹤原理，采用瞬時(shí)-連續(xù)聯(lián)合釋放法對4109工作面內(nèi)-外漏風(fēng)進(jìn)行系統(tǒng)分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，4109綜放工作面外部漏風(fēng)通道主要是地表裂隙通道，內(nèi)部漏風(fēng)主要來自于采空區(qū)和回風(fēng)巷，并進(jìn)一步計(jì)算出漏風(fēng)量和漏風(fēng)率，為礦井火災(zāi)的防治提供了依據(jù)。

礦井漏風(fēng) SF6示蹤氣體 瞬時(shí)-連續(xù)聯(lián)合釋放法 內(nèi)-外漏風(fēng) 火災(zāi)防治

AbstractAiming at the air leakage problem in 4109 work face of Pingshuo Underground No. 1 Mine, based on the tracer principle of SF6gas, the instantaneous-continuous joint releasing method was used to systematically analyze the internal-external air leakage of 4109 work surface. The experimental results showed that the external air leakage channel of 4109 fully mechanized caving face was mainly surface fissure channel, while the internal air leakage channel was mainly from the gob and return air roadway. Besides, the air leakage amount and leakage rate were measured to provide the basis for prevention and control of mine fire.

Keywordsmine air leakage, SF6tracer gas, instantaneous-continuous joint releasing method, internal-external air leakage, fire prevention

礦井漏風(fēng)是井下通風(fēng)普遍存在的一種現(xiàn)象。礦井漏風(fēng)會浪費(fèi)通風(fēng)能量，降低礦井的有效風(fēng)量率，造成用風(fēng)地供風(fēng)不足，同時(shí)，連續(xù)的漏風(fēng)供氧加速了工作面、采空區(qū)、密閉內(nèi)遺煤的氧化，容易造成采空區(qū)內(nèi)煤炭自燃、瓦斯異常涌出等現(xiàn)象，甚至?xí)a(chǎn)生瓦斯爆炸等事故。礦井漏風(fēng)已經(jīng)成為影響礦井安全生產(chǎn)的一個(gè)重要隱患。

隨著機(jī)械化開采的普及，井下巷道交錯(cuò)，漏風(fēng)形式多種多樣，程度也不盡相同，因此必須采取有效、準(zhǔn)確的方法進(jìn)行漏風(fēng)檢測，找出漏風(fēng)通道，確定漏風(fēng)規(guī)律,為礦井火災(zāi)的防治提供依據(jù)。目前國內(nèi)外普遍使用基于SF6示蹤氣體的漏風(fēng)檢測技術(shù)對礦井漏風(fēng)進(jìn)行測定和定量計(jì)算。

1 示蹤氣體原理

示蹤技術(shù)測量礦井風(fēng)量的基本原理是示蹤氣體質(zhì)量守恒方程。示蹤氣體釋放后與巷內(nèi)空氣迅速而充分混合，當(dāng)巷道風(fēng)量一定，在一定時(shí)間后，接收點(diǎn)的示蹤氣體濃度將為常數(shù)。示蹤氣體測定漏風(fēng)技術(shù)可以分為瞬時(shí)釋放和連續(xù)定量釋放。

(1)瞬時(shí)釋放法。在漏風(fēng)源一次瞬時(shí)釋放一定數(shù)量的SF6氣體，同時(shí)在漏風(fēng)匯集處取樣分析(一般每間隔5～20 min取樣一次)，通過分析采集氣樣中是否含有SF6來確定是否存在漏風(fēng)、漏風(fēng)通道、漏風(fēng)速度和漏風(fēng)方向。

(2)連續(xù)定量釋放。在井巷進(jìn)風(fēng)流中，連續(xù)穩(wěn)定地釋放SF6氣體，然后分別在沿風(fēng)流方向設(shè)定的采樣點(diǎn)采集氣樣。如果沿途有風(fēng)漏入時(shí)，則井巷中風(fēng)量逐漸增加，風(fēng)流中SF6濃度逐漸下降。通過對采樣點(diǎn)SF6濃度變化的分析，即可求得漏風(fēng)量，從而找出漏風(fēng)規(guī)律。

圖1 連續(xù)穩(wěn)定釋放SF6測定漏風(fēng)原理

連續(xù)穩(wěn)定釋放SF6測定漏風(fēng)原理如圖1所示，設(shè)在1處連續(xù)穩(wěn)定釋放SF6氣體，在2處采集氣樣，假設(shè)環(huán)境中SF6濃度可以忽略不計(jì)，只需要在巷道沿風(fēng)流方向選擇多個(gè)采樣點(diǎn)，并同時(shí)采樣，測定氣樣中的SF6濃度，便可計(jì)算出各采樣點(diǎn)的風(fēng)量，從而求出漏風(fēng)量：

(1)

式中：ΔQ——漏風(fēng)量，m3/min；

Q1——流經(jīng)1點(diǎn)出的風(fēng)量，m3/min；

Q2——流經(jīng)2點(diǎn)出的風(fēng)量，m3/min；

q——1點(diǎn)處SF6氣體釋放量，m3/min；

C1——1點(diǎn)處SF6濃度，%；

C2——2點(diǎn)處SF6濃度，%。

同時(shí)可以進(jìn)一步求得漏風(fēng)率K：

(2)

2 漏風(fēng)檢測方法的確定

平朔井工一礦煤層屬于埋藏淺、近距離煤層，特別是4109工作面，其上部還存在小窯破壞區(qū)，漏風(fēng)成為4109工作面自燃火災(zāi)的重大隱患。通過勘探分析，4109工作面主要有地表漏風(fēng)、4109工作面上部小窯破壞區(qū)及鄰近工作面通過采動(dòng)裂隙的漏風(fēng)以及本層工作面內(nèi)部漏風(fēng)3個(gè)漏風(fēng)通道，按照漏風(fēng)通道的不同可以分為外部漏風(fēng)和內(nèi)部漏風(fēng)，因此本文利用瞬時(shí)-連續(xù)聯(lián)合釋放法，系統(tǒng)地對4109工作面內(nèi)-外漏風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2.1 瞬時(shí)釋放法

根據(jù)勘探分析，4109工作面唯一的漏風(fēng)匯在回風(fēng)隅角處，根據(jù)示蹤氣體漏風(fēng)測定技術(shù)的特點(diǎn)，利用SF6氣體瞬時(shí)釋放法對4109工作面外部漏風(fēng)進(jìn)行研究，具體步驟如下：

(1)在4109綜放工作面所處的井上位置靠近回風(fēng)巷一側(cè)選擇了2處較寬較深的地表裂縫作為SF6氣體釋放點(diǎn)，使SF6氣體最大可能地漏入井下采空區(qū)。

(2)在4109綜放工作面上部小窯底板處和南部4111工作面的回風(fēng)巷道處，分別選擇2處釋放SF6氣體。

為降低試驗(yàn)偶然性，在每個(gè)地方選定2個(gè)釋放點(diǎn)輪流釋放SF6氣體，首先在第一個(gè)釋放點(diǎn)釋放5 min，隨后在另一個(gè)釋放點(diǎn)繼續(xù)釋放5 min，輪流釋放完20 min后，在4109綜放工作面的回風(fēng)上隅角進(jìn)行采樣分析，每隔10 min采樣一次，共采氣樣球15個(gè)。

2.2 連續(xù)釋放法

為進(jìn)一步確定4109綜放工作面內(nèi)部的漏風(fēng)規(guī)律，采用連續(xù)釋放SF6氣體法對內(nèi)部漏風(fēng)通道、漏風(fēng)量、漏風(fēng)率等具體參數(shù)進(jìn)行研究。

(1)SF6氣體釋放量的大小取決于巷道的風(fēng)量和地表漏風(fēng)量及分析儀器的檢測濃度。其穩(wěn)定連續(xù)釋放流量可用式(3)估算：

q>(2.5～3.5)QM×C

(3)

式中：QM——巷道風(fēng)量，m3/min；

C——儀器的適應(yīng)檢測濃度，%。

將4109綜放工作面進(jìn)風(fēng)巷道風(fēng)量1436 m3/min代入式(3)，得SF6氣體釋放量為63 ml/min。

(2)采樣點(diǎn)的布置要滿足SF6氣體充分釋放且均勻混合。SF6示蹤氣體在巷道中沿徑向擴(kuò)散，距離釋放點(diǎn)越遠(yuǎn)，擴(kuò)散越均勻，當(dāng)巷道斷面中心的濃度是巷道壁面濃度的0.95倍時(shí)，可認(rèn)為示蹤氣體擴(kuò)散已經(jīng)達(dá)到均勻。通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，SF6在釋放120 m后，這個(gè)比值可以達(dá)到0.95，因此選擇在距釋放源120 m處開始布置采樣點(diǎn)。

4109綜放工作面進(jìn)回風(fēng)巷釋放點(diǎn)及采樣點(diǎn)的布置情況如圖2所示，釋放源距離工作面160 m，在距釋放源下風(fēng)流120 m，每隔20 m布置一個(gè)采樣點(diǎn)，共3個(gè)，編號1，2，3；然后在對應(yīng)的回風(fēng)巷道內(nèi)同樣布置3個(gè)采樣點(diǎn)，編號4，5，6。當(dāng)從釋放源釋放氣體后經(jīng)過1 h開始采樣，在各個(gè)采樣點(diǎn)分別采樣兩次，兩次采樣的時(shí)間間隔為10 min。

圖2 4109綜放工作面SF6釋放點(diǎn)及采樣點(diǎn)布置方式

3 漏風(fēng)檢測結(jié)果及分析

3.1 瞬時(shí)釋放法漏風(fēng)檢測結(jié)果及分析

在4109綜放工作面地表裂隙、小窯底板等區(qū)域進(jìn)行瞬時(shí)釋放SF6氣體后，監(jiān)測SF6氣體濃度變化趨勢如圖3所示。由圖3可以看出，在回風(fēng)隅角處檢測到的小窯底部破壞區(qū)和鄰近工作面所釋放的SF6氣體濃度很低，變化幅度小，表明這兩處所釋放的SF6氣體并未充分到達(dá)4109綜放工作面，也就是說從這兩處到4109綜放工作面并無明顯漏風(fēng)裂隙和通道；而地表裂隙處的SF6氣體濃度明顯高于其他兩處，其SF6氣體濃度呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定、最后迅速降低的趨勢，這主要是由于地表裂隙處釋放的SF6氣體通過裂隙通道逐漸到達(dá)4109綜放工作面處，然后在一段時(shí)間內(nèi)濃度保持穩(wěn)定，隨后隨著釋放的停止?jié)舛戎饾u降低。地表裂隙處SF6氣體濃度變化規(guī)律表明了從地表裂隙處到4109綜放工作面有明顯的漏風(fēng)通道，需要進(jìn)行有效治理。

圖3 瞬時(shí)釋放法SF6氣體濃度變化趨勢

3.2 連續(xù)釋放法漏風(fēng)檢測結(jié)果及分析

巷道內(nèi)各個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)兩次檢測SF6氣體的濃度值情況見表1。由表1可以看出，沿著風(fēng)向流動(dòng)的方向，SF6濃度逐漸降低，而采樣點(diǎn)的風(fēng)量卻逐漸增加，表明4109綜放工作面存在明顯漏風(fēng)。根據(jù)漏風(fēng)采樣地點(diǎn)的不同，可以將4109綜放工作面漏風(fēng)地點(diǎn)劃分為進(jìn)風(fēng)巷、采空區(qū)、回風(fēng)巷3個(gè)不同區(qū)域，3個(gè)不同區(qū)域的具體漏風(fēng)參數(shù)(平均值)見表2。

表1 4109綜放工作面內(nèi)部采樣點(diǎn)漏風(fēng)量測定結(jié)果

表2 4109工作面漏風(fēng)量及漏風(fēng)率

(1)進(jìn)風(fēng)巷道，采樣點(diǎn)1-2-3。結(jié)合表1和表2可以看出，進(jìn)風(fēng)通道內(nèi)部的采樣點(diǎn)SF6氣體與巷道內(nèi)空氣混合均勻，濃度變化不大，漏風(fēng)量及漏風(fēng)率很小。

(2)采空區(qū)，采樣點(diǎn)3-4。當(dāng)風(fēng)流從采樣點(diǎn)3流向4后，SF6氣體濃度急劇降低，漏風(fēng)量和漏風(fēng)率也明顯高于進(jìn)風(fēng)巷道，表明采空區(qū)內(nèi)存在明顯漏風(fēng)。由于4109綜放工作面構(gòu)造復(fù)雜，采空區(qū)漏風(fēng)主要來源于鄰近采空區(qū)及地表裂隙，通過瞬時(shí)釋放法也得出，地表裂隙向4109綜放工作面漏風(fēng)量明顯，造成采空區(qū)漏風(fēng)增加。

(3)回風(fēng)巷，采樣點(diǎn)4-5-6。經(jīng)檢測回風(fēng)巷道內(nèi)部的漏風(fēng)量在55 m3/min左右，漏風(fēng)率在3.5%左右，說明回風(fēng)巷道存在漏風(fēng)現(xiàn)象。這主要是由于在回風(fēng)巷道內(nèi)側(cè)留有一定的隔離煤柱，在礦壓的作用下，煤柱受壓變形出現(xiàn)裂隙，形成漏風(fēng)通道，導(dǎo)致回風(fēng)巷道出現(xiàn)較大漏風(fēng)。

工作面漏風(fēng)的存在會誘導(dǎo)浮煤的氧化自燃，通過利用瞬時(shí)-連續(xù)聯(lián)合釋放SF6法，對4109綜放工作面的內(nèi)外漏風(fēng)通道進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)4109綜放工作面外部漏風(fēng)通道主要是地表裂隙通道，內(nèi)部漏風(fēng)主要來自于采空區(qū)和回風(fēng)巷，針對主要漏風(fēng)通道，應(yīng)及時(shí)采取有效的堵漏措施，減少風(fēng)流通過漏風(fēng)通道，從根本處上切斷供氧源，防止4109綜放工作面的浮煤自燃。

4 結(jié)論

采用瞬時(shí)-連續(xù)聯(lián)合釋放法確定了4109綜放工作面外部漏風(fēng)通道主要是地表裂隙通道，通過合理布置了示蹤氣體釋放點(diǎn)與采樣點(diǎn)的位置，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的漏風(fēng)通道主要來自于采空區(qū)和回風(fēng)巷漏風(fēng)，并進(jìn)一步計(jì)算出漏風(fēng)量和漏風(fēng)率，為礦井火災(zāi)的防治提供了依據(jù)；采用瞬時(shí)-連續(xù)聯(lián)合釋放法避免了單一方法的局限性，具有一定的推廣意義。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Applicationofworkfaceairleakagemonitoringbythejointreleasingmethodofinstantaneous-continuousSF6tracergas

Wu Yuguo, Wang Yongyu

(College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

TD728

A

吳玉國，王涌宇. SF6示蹤氣體瞬時(shí)-連續(xù)聯(lián)合釋放法在工作面漏風(fēng)檢測中的應(yīng)用[J].中國煤炭，2017，43(9)：108-111. Wu Yuguo, Wang Yongyu. Application of work face air leakage monitoring by the joint releasing method of instantaneous-continuous SF6tracer gas [J]. China Coal, 2017, 43(9):108-111.

吳玉國(1978-)，男，湖南汨羅人，副教授，長期從事煤炭自燃火災(zāi)防治的研究。