王靜 余陶 吳義泉 盧平

摘 要：為解決自然發(fā)火期短的自燃煤層在深井高地溫條件下采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)程度高的問(wèn)題，基于能位測(cè)定和SF6示蹤氣體聯(lián)合檢測(cè)采空區(qū)漏風(fēng)原理，以朱集西煤礦為工程背景，研究了工作面和留巷側(cè)巷道風(fēng)流能位狀況，得出了采空區(qū)最大可能漏風(fēng)區(qū)域，并利用SF6示蹤氣體進(jìn)行檢驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，工作面漏出風(fēng)區(qū)域主要集中在工作面后段44～61#支架漏出；根據(jù)最小漏風(fēng)速度，留巷側(cè)距離工作面34m內(nèi)的采空區(qū)均為散熱帶，且距離工作面越遠(yuǎn)的漏風(fēng)點(diǎn)，收集到的氣體曲線峰值越小，峰值時(shí)間越長(zhǎng)，曲線越“低胖”，距離近的漏點(diǎn)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(jù)。

關(guān)鍵詞：自然發(fā)火期短；能位測(cè)定；SF6示蹤檢測(cè)；“兩進(jìn)一回”通風(fēng)

中圖分類號(hào)：X936；TD728 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1673-260X（2023）07-0015-04

引言

在煤礦生產(chǎn)工作面，采空區(qū)無(wú)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(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象，加之采空區(qū)遺煤，就有可能導(dǎo)致煤層自燃引發(fā)采空區(qū)瓦斯爆炸等煤礦嚴(yán)重安全事故的發(fā)生。目前我國(guó)具有煤自然發(fā)火危險(xiǎn)的高瓦斯礦井占32.3%，且隨著采深的增加會(huì)有越來(lái)越多的礦井面臨瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害的威脅[1]，對(duì)于在深井條件下地壓大，巷道變形嚴(yán)重，“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方式留巷側(cè)擋矸墻易受力開裂，從而增加采空區(qū)漏風(fēng)，因此我們需要更加重視采空區(qū)的災(zāi)害防治。

示蹤技術(shù)檢測(cè)采空區(qū)的漏風(fēng)狀態(tài)，在國(guó)內(nèi)外已獲得廣泛的應(yīng)用[2]。采用能位測(cè)定技術(shù)檢測(cè)井巷風(fēng)流能位關(guān)系，可定性判斷出漏風(fēng)源和漏風(fēng)匯的大致位置，為示蹤氣體檢測(cè)提供更加準(zhǔn)確的漏風(fēng)趨勢(shì)判斷。實(shí)踐證明采用能位測(cè)定與示蹤氣體檢測(cè)法的結(jié)合可以更有效、更快速地檢測(cè)采空區(qū)的漏風(fēng)通道，得出其漏風(fēng)方向、漏風(fēng)風(fēng)速[3]。本文在自然發(fā)火期短的自燃煤層、深井高地溫條件下，研究“兩進(jìn)一回”通風(fēng)條件下采空區(qū)的漏風(fēng)通道和漏風(fēng)方向等，以此為采空區(qū)的防滅火治理提供參考。

1 工作面概況

朱集西煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力400萬(wàn)t/a，為深部煤與瓦斯突出礦井?，F(xiàn)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(qū)首采工作面和被保護(hù)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(biāo)高為-919m～-991m，原巖溫度41.8～44.6℃，13-1煤的自燃傾向性等級(jí)為II類，最短自然發(fā)火期約42天。

為保證礦井生產(chǎn)接續(xù)，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(jìn)工程量，實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開采，避免出現(xiàn)孤島工作面，保證產(chǎn)量。工作面可采走向長(zhǎng)度1380m，傾斜長(zhǎng)114m，煤厚1.7～6.3m，平均厚度3.8m，采用后退式走向長(zhǎng)壁一次采全高綜采采煤法，全部垮落法管理頂板，工作面經(jīng)中期調(diào)整通風(fēng)方式后，采用“兩進(jìn)一回”型通風(fēng)方式，運(yùn)輸巷主進(jìn)風(fēng)，軌順留巷為輔助進(jìn)風(fēng)，軌道巷總回風(fēng)，通風(fēng)系統(tǒng)圖如圖1所示。

2 采空區(qū)周邊巷道能位測(cè)定

2.1 能位測(cè)定原理

井下空氣在風(fēng)機(jī)的動(dòng)力作用下流動(dòng)，空氣流動(dòng)就會(huì)在周邊通風(fēng)系統(tǒng)形成壓力差，通過(guò)壓力測(cè)定，定量確定其數(shù)值，可判定采空區(qū)周邊的漏風(fēng)趨勢(shì)，進(jìn)而為使用示蹤氣體SF6去更準(zhǔn)確測(cè)定采空區(qū)漏風(fēng)通道、漏風(fēng)速度等提供支撐。

能位測(cè)定依據(jù)Bernoulli方程，通過(guò)對(duì)靜壓、動(dòng)壓和位壓的數(shù)據(jù)計(jì)算，選取基準(zhǔn)點(diǎn)，計(jì)算各點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的壓力差。井下通風(fēng)系統(tǒng)中兩點(diǎn)之間的壓力差可按下式[4]計(jì)算。

式中：P1、P2—分別為測(cè)定儀器在1、2測(cè)點(diǎn)的靜壓讀數(shù)，Pa；？籽1、？籽2—分別為測(cè)定1、2兩測(cè)點(diǎn)的空氣密度，kg/m3；v1、v2—分別為1、2兩測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速，m/s；g—重力加速度，m/s2；Z12—1、2測(cè)點(diǎn)間的標(biāo)高差，m；？籽m12—1、2兩測(cè)點(diǎn)間的空氣平均密度，kg/m3。

其中空氣密度可由下式[5]計(jì)算：

式中：P—測(cè)得的大氣壓力，KPa；T—空氣絕對(duì)溫度，K；？漬—空氣相對(duì)濕度；Psat—飽和水蒸氣壓，KPa。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)13403工作面改通風(fēng)方式后“兩進(jìn)一回”的通風(fēng)系統(tǒng)特性，為較為全面的測(cè)定采空區(qū)漏風(fēng)狀態(tài)，采取在工作面每隔10架左右（17m）、留巷段平均間隔20m（共測(cè)150m）、進(jìn)回風(fēng)隅角往工作面推進(jìn)方向外側(cè)20m測(cè)量?jī)蓚€(gè)點(diǎn)，布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)量采空區(qū)周邊通風(fēng)風(fēng)流能位情況，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

2.3 能位測(cè)定結(jié)果分析

匯總計(jì)算采空區(qū)周邊測(cè)點(diǎn)的能位結(jié)果，將回風(fēng)隅角處測(cè)點(diǎn)設(shè)置為基準(zhǔn)點(diǎn)，其他各點(diǎn)所展示能位值均為與基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)能位差值。為方便觀察采空區(qū)周邊能位變化并與其他各點(diǎn)進(jìn)行對(duì)照，將工作面和留巷段測(cè)定能位結(jié)果標(biāo)識(shí)于圖1中，便于分析漏風(fēng)趨勢(shì)。

分析結(jié)果如下所示：

（1）氣體能位沿風(fēng)流方向逐漸降低，工作面進(jìn)風(fēng)隅角能位約50Pa、留巷段110m處采空區(qū)能位54Pa，均遠(yuǎn)比回風(fēng)隅角處能位17Pa要高，兩處測(cè)點(diǎn)與回風(fēng)隅角附近的能位差為采空區(qū)漏風(fēng)形成了動(dòng)力條件，采空區(qū)風(fēng)流主要由回風(fēng)隅角側(cè)流出。

（2）留巷段110m處采空區(qū)能位54Pa與進(jìn)風(fēng)隅角能位約50Pa相近，將進(jìn)風(fēng)隅角和留巷110m處距離用近似虛擬曲線相連接，即可構(gòu)建處采空區(qū)最大可能漏風(fēng)區(qū)域分布如圖1所示。

（3）留巷段130m、150m測(cè)點(diǎn)處能位比進(jìn)風(fēng)隅角處能位大，根據(jù)漏風(fēng)是從能位高處向能位低處流動(dòng)，在留巷側(cè)擋矸墻密封嚴(yán)實(shí)情況下，可以判定留巷段110m區(qū)域以后不存在風(fēng)流速度較大的漏風(fēng)。

3 SF6示蹤技術(shù)測(cè)量采空區(qū)漏風(fēng)

3.1 SF6示蹤氣體測(cè)定原理

SF6在常溫常壓下為穩(wěn)定的氣態(tài)，物理性質(zhì)透明、無(wú)味、無(wú)毒，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定不易與其他物質(zhì)反應(yīng)，遇高溫時(shí)不易分解或反應(yīng)，當(dāng)溫度達(dá)到500℃時(shí)才產(chǎn)生輕微分解現(xiàn)象，溫度達(dá)到800℃之前呈現(xiàn)惰性特性，因此SF6在可能發(fā)生煤炭自燃發(fā)火的采空區(qū)環(huán)境具有很大的適用性[6-8]。根據(jù)舒祥澤學(xué)者[9]在進(jìn)行多次示蹤技術(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí)的研究，用示蹤氣體峰值到達(dá)的時(shí)間來(lái)計(jì)算風(fēng)流流速，與實(shí)驗(yàn)實(shí)際風(fēng)流到達(dá)收集點(diǎn)時(shí)間相差很小，精度完全滿足要求。因此本次試驗(yàn)選擇以SF6測(cè)定曲線的峰值時(shí)間來(lái)計(jì)算采空區(qū)最小漏風(fēng)速度。

根據(jù)SF6在各峰值點(diǎn)的時(shí)間，計(jì)算各采集點(diǎn)漏風(fēng)通道的最小速度，計(jì)算式[10]如下：

式中V為最小漏風(fēng)速度，m/s；L為漏風(fēng)源到漏風(fēng)匯的直線距離，m；t為從釋放SF6氣體到檢測(cè)到SF6氣體峰值的時(shí)間間隔，s。

3.2 SF6示蹤氣體測(cè)定方案

本次實(shí)驗(yàn)采用SF6瞬時(shí)釋放法，即在漏風(fēng)源（能位高）處一次釋放一定量的示蹤氣體，同時(shí)在漏風(fēng)匯（能位低）處每間隔一定時(shí)間取樣分析，根據(jù)分析結(jié)果中有無(wú)SF6可以確定該處有無(wú)漏風(fēng)以及漏風(fēng)方向和漏風(fēng)速度[11]。試驗(yàn)時(shí)由于回風(fēng)隅角治理瓦斯原因留巷側(cè)149～141#插管帶有少量負(fù)壓抽采，因此本次測(cè)定結(jié)果是基于留巷側(cè)插管帶有少量負(fù)壓情況下的結(jié)果。試驗(yàn)采用地面取氣并使用氧氣袋作為儲(chǔ)存裝置，采取在進(jìn)風(fēng)隅角處風(fēng)障內(nèi)深入采空區(qū)5～10m釋放SF6氣體150L，氣體釋放時(shí)間為20min，測(cè)量進(jìn)風(fēng)隅角向采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)狀況。在工作面30～63#架后、留巷側(cè)50m范圍內(nèi)每間隔10m使用留巷段插管149～141#取樣分析。

3.3 SF6氣體測(cè)定結(jié)果分析

3.3.1 工作面支架架后氣體測(cè)定情況

氣體在進(jìn)風(fēng)隅角深入采空區(qū)釋放的同時(shí)使用SF6測(cè)定儀器在架后對(duì)氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要測(cè)定與工作面交接的采空區(qū)的漏風(fēng)風(fēng)流，判斷工作面的漏出風(fēng)情況。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)30～43#架架后氣體數(shù)值波動(dòng)在5.3-7.4之間，44～61#架架后氣體數(shù)值在11.4-15.4之間波動(dòng)，62～63#架氣體檢測(cè)濃度2-4之間。

分析可得以下結(jié)論：

（1）由30～43#架氣體測(cè)定情況數(shù)值波動(dòng)在5.3-7.4之間，分析可知邊釋放邊測(cè)定的方法無(wú)法避免氣體經(jīng)進(jìn)風(fēng)隅角釋放經(jīng)與空氣混合后，隨渦流流出采空區(qū)經(jīng)工作面架后區(qū)域沿工作面流出，使得在工作面前段漏進(jìn)風(fēng)區(qū)域也能測(cè)出部分SF6，30～43#架數(shù)值亦受此因素影響。

（2）分析44～61#架后數(shù)據(jù)與30～43#對(duì)比可知，去除部分SF6氣體由工作面漏出外，SF6測(cè)定數(shù)據(jù)變高說(shuō)明有另一部分SF6示蹤氣體經(jīng)淺部采空區(qū)在工作面后段支架間漏出，可據(jù)此判定44～61#架為工作面主要漏出風(fēng)區(qū)域。

（3）62～63#位于機(jī)尾與留巷側(cè)交界處，氣體易受工作面風(fēng)流和留巷側(cè)風(fēng)流的混合影響，導(dǎo)致儀器測(cè)定數(shù)值降低。

3.3.2 留巷側(cè)擋矸墻各插管氣體測(cè)定情況

將留巷擋矸墻側(cè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)情況匯總于表1中，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)測(cè)定距工作面34、44m處的SF6氣體濃度基本為0，說(shuō)明采空區(qū)風(fēng)流基本未能流動(dòng)到此區(qū)域或更深區(qū)域，因此調(diào)整為測(cè)試距離工作面50m范圍內(nèi)的留巷側(cè)區(qū)域。將149～143#插管氣體數(shù)據(jù)整理于圖2所示，表2為根據(jù)直角三角形勾股定理計(jì)算出來(lái)的采空區(qū)各個(gè)收集點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最小漏風(fēng)速度。

分析以上數(shù)據(jù)，可得到以下結(jié)論：

（1）按時(shí)間軸分析SF6示蹤氣體釋放1小時(shí)后，擋矸墻149#插管開始出現(xiàn)測(cè)量值，之后149、147和145#插管分別在150min、180min和210min出現(xiàn)峰值，數(shù)值大小逐漸減小。4個(gè)小時(shí)后所有觀察孔全部顯現(xiàn)示蹤氣體，隨后6小時(shí)后逐漸歸零。

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

（3）按計(jì)量大小分析各個(gè)插管收集示蹤氣體SF6濃度隨與工作面距離越遠(yuǎn)越低，工作面越遠(yuǎn)漏風(fēng)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(lái)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(rèn)為是由于各插管帶有小負(fù)壓抽采會(huì)增加采空區(qū)的漏風(fēng)，使得氣體混量中示蹤氣體量少時(shí)，更難被檢測(cè)出來(lái)。

綜合分析得各插管收集到的SF6氣體曲線均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，各個(gè)插管的曲線圖對(duì)比可知，從149#插管開始，隨著距離工作面越遠(yuǎn)，各個(gè)插管收集到的示蹤氣體峰值逐漸減少，峰值時(shí)間也更偏后，分析認(rèn)為由于覆巖運(yùn)動(dòng)冒落巖石被壓實(shí)，留巷側(cè)采空區(qū)深部孔隙率較工作面附近變小，深部氣體運(yùn)移的阻力增大，能位差減小，因此SF6氣體的運(yùn)移所需時(shí)間越久，且距離工作面越遠(yuǎn)，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(xué)者的研究結(jié)果較為一致。

從采空區(qū)三帶的角度來(lái)看，143#插管的最小漏風(fēng)速度為0.43m/min，大于采空區(qū)自燃帶的邊界速度0.24m/min[12]，由此可以判定留巷側(cè)采空區(qū)實(shí)際散熱帶區(qū)域應(yīng)比34m距離稍遠(yuǎn)，34m區(qū)域之內(nèi)為散熱帶區(qū)域，可為CO指標(biāo)氣體異常時(shí)，提供借鑒判斷，漏風(fēng)區(qū)域示意圖如圖3所示。

4 結(jié)論

應(yīng)用能位測(cè)定技術(shù)和示蹤氣體SF6聯(lián)合檢測(cè)采空區(qū)漏風(fēng)的方法，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)定性和定量測(cè)定漏風(fēng)的結(jié)合，可獲得較準(zhǔn)確可靠的漏風(fēng)測(cè)定結(jié)果。

（1）根據(jù)能位測(cè)定結(jié)果可知13403工作面“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方式回風(fēng)隅角附近能位最低，漏風(fēng)主要從進(jìn)風(fēng)隅角漏入，回風(fēng)隅角漏出，同時(shí)可獲得采空區(qū)最大可能漏風(fēng)區(qū)域，為示蹤氣體測(cè)定提供基礎(chǔ)。

（2）SF6示蹤氣體測(cè)量可更準(zhǔn)確的表征采空區(qū)漏風(fēng)通道和漏風(fēng)方向，留巷側(cè)漏風(fēng)點(diǎn)距離工作面越遠(yuǎn)，所收集到的氣體曲線峰值越小，峰值時(shí)間越長(zhǎng)，且距離遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)曲線越“低胖”，距離近的曲線形狀越“高窄”。

（3）根據(jù)能位測(cè)定與示蹤氣體SF6聯(lián)合測(cè)定結(jié)果，工作面漏出風(fēng)區(qū)域主要集中在工作面后段44～61#液壓支架間漏出；留巷側(cè)漏出風(fēng)區(qū)域根據(jù)最小漏風(fēng)速度，距離工作面34m處最小漏風(fēng)速度為0.43m/min，表明留巷采空區(qū)側(cè)在距工作面34m區(qū)域之內(nèi)為散熱帶區(qū)域，研究結(jié)果可為朱集西礦采空區(qū)三帶測(cè)定和完善相應(yīng)的防滅火措施提供依據(jù)。

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