基于示踪气体技术的采空区漏风规律分析研究

李建平

(太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024)



·试验研究·

基于示踪气体技术的采空区漏风规律分析研究

李建平

(太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024)

针对采空区漏风的危害大、治理难等特点，应用SF6示踪气体技术检测法对屯兰矿采空区的漏风情况进行了现场监测，分析找出了采空区的漏风通道、漏风方向，并通过计算得出了最大漏风风速，并得出了采空区的漏风规律。

采空区；漏风；示踪气体技术；煤层自燃

采空区漏风会引发煤层自燃，CO、SO2等有毒有害气体流向回采工作面，导致井下空气质量下降，从而引发一系列安全事故。因采空区漏风控制不好造成采空区煤炭自燃从而引发采空区火灾的现象屡见不鲜。如汾西某矿的保护煤柱存在漏风现象，致使自燃煤层在风流作用下范围扩大，最后酿成大火灾。因此，对矿井漏风地点进行严格排查，总结各个漏风地点的漏风规律，积极采取相应的矿井漏风封堵措施，为矿井安全高效生产提供必要的保障。

示踪气体技术，就是选取具有某种特殊物理化学性质的气体做为标志气体，在风流载体的作用下，在特定的地点释放出来，通过收集前期释放的标志气体，根据气体的流动路径来判断该部位的漏风通道，并且可以进一步计算其漏风量的大小，确定漏风的方向。

当前，针对矿井漏风检测技术的研究越来越多，存在各种各样的追踪手段，但矿井内部各种巷道与采空区错综复杂的连接关系，使得追踪采空区漏风规律的难度增大，不能通过某种单一的技术得出其漏风规律。

1 示踪气体的选择与检漏仪简介

1.1 示踪气体的选择

1.1.1 煤矿井下应用示踪气体的选择原则

1) 自然本底值低，一般要求在10-12以下。2) 在标准大气压下，该气体的物理化学性质保持稳定性。3) 仪器分析灵敏度高(要求能达到10-9，且用量少)。4) 双示踪气体能在同一色谱柱、检测器上分析，分析设备少、效率高、分析成本低。5) 无毒，无腐蚀，无放射性；不燃、不爆、不溶解于水。

1.1.2 示踪气体筛选

目前，国内外使用的示踪剂很多，如荧光素钠、氧化铟、六氟化硫(SF6)、二氟二溴甲烷(CF2Br2)、二氟一氯一溴甲烷(CF2CIBr)、二氟二氯甲烷(CF2Cl2)等。国内采用的一般是六氟化硫和二氟一氯一溴甲烷。

根据上面两种示踪气体的性质，考虑到气体购买以及测试的方便性，本次测试选用SF6作为示踪气体。

1.2 SF6气体检漏仪简介

1.2.1 功能和特点

本次采空区漏风通道测试采用脉冲释放方法，测试仪器采用美国TIF5750A型SF6气体检漏仪。

经过改进后的TIF 5750A型SF6卤素检漏仪灵敏度非常高。当打开工作按钮后，此检漏仪就会自动工作根据提前设置的属性对目标气体进行追踪，一旦确定了目标气体的运动轨迹，就会发出提示音，空气中气体的泄漏量和泄露速度越大，提示音的发出速度也会随之越快。同时，需要注意的是，即使空气中气体的成分比较混乱，也不会影响检测仪的检测速度。

1.2.2 主要技术规范

1) 灵敏度范围：0～4 g/a

2) 响应间隔：瞬间响应

3) 工作温度范围：0～51 ℃

4) 使用寿命：60小时以上

5) 准备时长：4～7 s

6) 重量：带电池20盎司

7) 探线长度：91 mm

8) 工作时间：连续，无限止

2 对采空区漏风进行检测

2.1 脉冲释放与应用

应用示踪气体检测矿井漏风有两种方法：示踪气体脉冲释放法和示踪气体连续稳定定量释放法。

脉冲释放是指在风流中通过极短的时间把示踪气体释放出去。利用示踪气体检测技术检测矿井漏风通常包括示踪气体的释放、观察取样、对样本的分析研究和相关资料的收集与整理等步骤。

1) 脉冲的释放方法。

在脉冲释放前，应做好一系列的准备工作。首先，必须要实际勘察与矿井采空区相连通巷道的风流的流动路径，并根据流动方向判断风流能量的高低。其次，确定与采空区相连的自燃煤层及漏风源与漏风风流交汇点。最后，选择风流能量较高的漏风地点释放SF6示踪气体。

脉冲释放时，通常通过注射器、充气管等装置，瞬间将SF6气体注入漏风源。

2) 样本的采集。

为了计算漏风风速，必须保证能顺利收集到纯度较高、浓度较大的示踪气体，因此样本的收集需要在示踪气体到达各个漏风汇之前完成。正确的操作方法是在提前选定的几个漏风汇处用注射器采集气样注入密封良好的塑料袋中，并用胶带密封好，或用硅胶直接封堵注射器针头，用胶布封好注射器针头处。每个采样点的采样时间可以根据漏风的风流速度和风量确定，一般的采样时间控制在10～20 min.

3) 示踪气体释放量的计算。

漏风量的大小和气体的检测浓度决定了示踪气体的释放量。示踪气体释放量的计算见式(1)：

q=kQCt

(1)

式中：

q—估算释放量，mL；

Q—释放点的漏风量，m3/min；

C—仪器的适宜检测浓度，C≈108；

t—示踪气体在风流中均匀分散所需要的时间，min，般取10～20；

k—漏风影响系数，通常取1.3～2.0.

4) 漏风区域风速的计算。

从示踪气体释放到在某个取样点第一次检测到示踪气体的时间记为t，气体在采空区内流动路径的总长度为L，则漏风风速见式(2)：

(2)

假如Lmax为示踪气体释放位置到取样地点之间的最大直线距离，则采空区漏风路径上的最大漏风风速见式(3)：

(3)

2.2 用示踪气体恒流释放技术检测矿井漏风

利用示踪气体恒流释放技术对矿井采空区的漏风情况进行追踪检测，其原理是在提前选定的与采空区相连通的巷道中恒流释放示踪气体，并且沿着风流的方向，在其风流路径上布点，通过对各个点的取样来分析示踪气体浓度的变化，根据不同点之间的浓度变化规律来计算矿井漏风量。见图1，设1～2为漏风段，在其上风侧A点(距漏风始1点较远)释放，则A点的风量为Q，1～2点间的漏风量为ΔQ，2点风量Q2=Q+ΔQ，分别在B、C号点取样分析(B点距漏风始1点一定距离，C点距漏风终点2点一定距离)，B点示踪气体浓度为CB，C点示踪气体浓度为CC，漏风量中示踪气体的本底浓度为C0.

设漏风率为x(%)，由漏风率定义得式(4)：

(4)

由质量守恒原理，得：

(5)

由式(4)、(5)可得：

(6)

若漏风量中无示踪气体，则C0=0

设通过释放点的风量为Q0(m3/s)，示踪气体释放量为q(mL/s)，漏风区间上风侧的示踪气体浓度为C，则：

(7)

运用以上公式可以计算连续两点之间的矿井漏风量，从而总结出整个采空区漏风风流路径上的漏风规律。

图1 示踪气体恒流释放技术图

在取样过程中，由于各个点的标高不同，导致其对应的大气压也不相同，如果某连续两点之间的气压差值非常大，可以根据以下公式对风量进行校正：

(8)

式中：

P1，P2—分别为1，2点大气压力，Pa；

T1，T2—分别为1，2点绝对温度，K.

在采空区漏风的检测中，可以根据特定的需要和环境灵活布设释放点和取样点。

2.3 结果及其分析

在西山煤电集团屯兰矿12408工作面进行SF6示踪气体释放与检测试验。上午9：00将SF6示踪气体释放到工作面进风风流中，同时安排人员用TIF 5750A型SF6检漏仪在12407工作面原旧巷密闭处检测。9：15 SF6检漏仪开始报警，表明在原密闭处检测到SF6，见图2.

图2 测点布置图

通过测量可知，从示踪气体释放点距12408工作面采空区密闭处的距离为500 m，漏风风速最大值为：

检测结果表明，12407工作面采空区与旧巷密闭

之间存在漏风，最大漏风风速达到0.333 m/s，该风速已经超过《煤矿安全规程》中对采煤工作面最低允许风速0.25 m/s的要求。

本次测试表明，TIF 5750A型SF6检漏仪检测精度较高，在定性检测漏风通道时，可以迅速检测到释放的SF6，及时发现采空区的漏风通道，及时消除采空区火灾隐患。

与收集气样然后用气相色谱分析方法相比，该方法简便快捷，可节省大量的人力、物力和财力，虽然这种方法的测试精度偏低，但通过有效地控制各种误差，完全可以满足煤矿现场的需要。

采空区漏风问题对煤矿井下的正常生产和生活带来了严重的安全隐患。采空区的漏风可促使自燃煤层在短时间内形成火灾，也会有有毒有害气体涌向回采工作面的通道，对作业人员造成伤害等重大安全事故。因此，通过示踪气体技术可以准确掌握采空区的漏风路径，推断出漏风规律，并及时采取有效的封堵措施，从而防止和抑制采空区煤炭自燃，为矿井安全生产提供强有力的保障。

3 结 论

1) 采空区存在漏风通道是导致采空区煤炭自燃的根本原因之一，示踪气体技术是检测复杂采空区漏风通道、判断漏风方向、估计漏风风速的有效可靠手段。

2) 采用释放SF6示踪气体技术检测到屯兰矿12407工作面的漏风通道，并得出了最大漏风风速。计算结果表明，漏风通道的最大漏风风速达0.333 m/s.

3) 本次测试表明，便携式SF6检漏仪使用方便，在定性检测漏风通道时，可以迅速检测到释放的SF6，及时发现采空区的漏风通道并采取补救措施，消除采空区火灾隐患。

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Analysis and Study on Air Leakage Law of Goaf Based on Tracer Gas Methods

LI Jianping

In this paper, the air leakage to the mined-out area in Tunlan coal mine is monitored by SF6 tracer gas detection method, and the air leakage passageway and its direction are analyzed and found out. The maximum air leakage speed is also calculated, and the air leakage law to the goaf side is obtained.

Goaf; Air leakage; Tracer gas methods; Coal spontaneous combustion

2017-03-15

李建平(1976—)，男，山西大同人，2014级太原理工大学在读工程硕士研究生，政工师，主要从事企业管理工作

(E-mail)64084158@qq.com

TD728

B

1672-0652(2017)05-0031-04