浅埋藏近距离煤层群开采漏风规律研究

叶庆树，胡 鑫，白 玉

（1.国家能源集团神东煤炭集团公司，陕西 神木719315；2.抚顺正工矿业科技装备有限公司，辽宁 抚顺113122）

国家能源集团神东煤炭集团公司地跨陕、晋、蒙三省区，整体产能超过2 亿t/a。矿区内煤层赋存条件优越，水文地质简单，煤层倾斜角度小（1°～3°），埋藏深度较浅，上层煤一般30～180 m，煤层瓦斯含量低（0～0.5 m3/t）、自燃倾向性较强。矿区内各矿井主采煤层具有埋深浅、煤层间距小、煤层群赋存的典型特点。矿井的首采煤层已经基本回采完毕，现已开采第2 层煤，甚至部分矿井已开采第3 层煤[1]。随着开发的深入，区内各矿井生产、通风系统逐渐复杂，形成了大面积、多煤层、立体式的采空区。由于煤层埋藏浅、采高大、机械化程度高，矿井生产推进度快，造成地表塌陷十分明显，采空区形成的漏风维度多、漏风通道联通复杂；加之煤层自燃倾向性强、自然发火期短，昼夜温差大，采空区“呼吸”现象明显，采空区煤炭自然发火风险高、防治难度较大。其次由于煤层间距离比较小，开采下层煤时，受二次垮落的影响，漏风通道变得复杂而无规律，给回填工作带来了很大的困难，且上层煤开采时部分矿井采用房柱式开采，采空区内遗煤较多；在开采的过程中除了防止开采煤层的自燃威胁外，对相邻上覆煤层采空区自燃也是防治的重点和难点。 通过选取对神东矿区不同层间距综采工作面进行漏风的观察，找寻近距离煤层群开采时的漏风规律，为今后采空区漏风控制提供科学依据和有效的防范措施[2]。

1 漏风影响因素

造成煤层群采空区漏风的主要因素有2 个方面：一是漏风通道，即开采时形成的沟通裂隙；二是漏风通道两端的漏风压差[3]。

1.1 构成裂隙发育的因素

根据神东矿区目前生产的布局，煤层开采由上而下逐层开采或同时开采；在第1 层煤回采结束后，依次回采下分层的煤层；煤层间距离越近，形成的裂隙将更加发育且不规则，遇到上覆覆盖层较为坚硬时，裂隙宽度会逐渐变大而宽。根据矿井通风阻力计算公式可以得出[4]，裂隙发育程度的大小，直接影响着漏风的风阻大小；若工作面进回风侧两端的压差保持不变的情况下，随着地表裂隙通风阻力的不断减小，其漏风量将会逐渐增大。由此可以得出，煤层间距越小，地表与采空区、邻近层采空区漏风增大。

1.2 矿井综采工作面进回间的压差（即漏风压差）

由通风阻力定律可知，综采工作面进回之间的压差的大小是影响采空区地表漏风的最重要因素，根据通风阻力公式可知，综采工作面采空区两端头的漏风路线压差或风阻与采空区的漏风量成正比关系，控制采空区漏风路线两端的压差就能有效的减少采空区地表的漏风量[5]。

矿井通风方式的不同，对综采工作面采空区漏风同样有一定的影响；矿井采用抽出式全负压通风时，矿井漏风方向表现为由地表向井下采空区漏风。矿井采用压入式全正压通风时，矿井的漏风方向是由井下采空区向地表漏风。

自然风压对综采工作面的漏风有一定的影响，神东矿区位于毛乌素沙漠边缘，昼夜温差变化大，当矿井压力与自然风压的作用相反，综采工作面的漏风方向根据两者压力的大小而定，若矿井压力大于自然风压，则井下采空区向地表漏风；若矿井压力小于自然风压，则地表向矿井采空区漏风。

2 示踪气体检测原理

2.1 SF6示踪气体特性

六氟化硫（SF6）是一种无色、无味、无毒、无腐蚀性、不燃、不爆炸的气体，密度是空气的5 倍，极难溶于水，不易稀释和扩散，纯态下很难被分解，与空气混合后分布均匀，具有较强的负电性和灵敏度等特点，在空气中含量极少。所以，SF6通常被作为一种示踪气体在煤矿井上、井下漏风测定工作中得到了广泛应用[6]。

2.2 漏风检测的工作原理

SF6示踪气体检测井上、下漏风的原理是：以矿井通风抽出式为例，在综采工作面地表垮塌裂缝较大处选1 个点（漏风的进风处），定量释放SF6气体[7]，在井下综采工作面回风巷距工作面10～15 处取样分析，依据分析数据，判断采空区漏风状况，计算出采空区漏风量。

3 浅埋深藏近距离煤层群漏风规律

3.1 工作面概况

石圪台煤矿31201 工作面于2013 年8 月19 日开始生产，该工作面为31 煤二盘区首采面，工作面设计宽度311.4 m，推进长度1 865 m，平均采高3.9 m，埋深108.08～147.94 m。 南侧为31202 备采工作面，两工作面间隔离煤柱宽15 m；北侧为31 煤回风大巷；切眼和回风巷向外均为实体煤；上部为原天隆22 煤层旺采采空区，工作面布置为“品”字，设计尺寸为 采5 m 留5 m 煤柱；22 煤和31 煤层间距为30～49.1 m，平均为39 m；该工作面采用“U”型通风，计划风量为1 500 m3/min。

上湾煤矿12302 工作面位于12 煤三盘区，该工作面是沿煤层倾向布置，沿走向推进。设计宽度为287 m，推进长度为5 009.2 m。 煤层倾角为1°～5°，煤层平均厚度4.57 m，设计采高4.5 m；上覆基岩厚度180～300 m，上部为12上煤采空区，12 煤与12上煤层间距平均16 m，可采期为13 个月，月推进度为428 m，采用“U”型通风方式。

3.2 漏风测定过程

为了研究31201 和12302 工作面采空区漏风规律，寻找31201 综采工作面与22 煤旺采采空区的漏风通道、12302 工作面与12上煤采空区的漏风通道，通过释放装置在工作面地表垮塌裂缝较大处释放一定量的SF6气体，在工作面回风隅角采样分析，计算出SF6示踪气体渗流的速度，研究地表漏风规律[8]。

1）石圪台矿SF6释放位置的选择。石圪台煤矿采用抽出式通风方法，矿井的漏风主要来源于工作面地表塌陷裂缝，故在31201 工作面上覆地表塌陷区选择裂隙发育好、漏风大位置作为SF6的释放点，用GPS 定位测量，距该工作面回风巷110 m、距切眼50 m 的地表塌陷裂缝作为释放点，31201 工作面地表漏风测试位置示意图如图1。

图1 31201 工作面地表漏风测试位置示意图

2）上湾矿SF6释放位置的选择。上湾煤矿采用抽出式通风方法，矿井的漏风主要来源于工作面地表塌陷裂缝，故在12302 工作面上覆地表塌陷区选择裂隙发育好、漏风大位置作为SF6的释放点，用GPS定位测量，12302 工作面辅运巷13 联巷为SF6示踪气体的释放点，上湾煤矿漏风测定示意图如图2。

图2 上湾煤矿漏风测定示意图

3）石圪台煤矿采用SF6气体瞬时释放法，从下午13：30 开始，以5 L/min 的释放速度，持续释放30 min。在井下回风隅角采用便携式SF6气体检测仪检测检测示踪气体，用以验证分析仪分析结果。地表释放示踪气体10 min 之后，开始对31201 工作面回风隅角取气样，每隔5 min 采集1 个气样，共取6 个气样，采样结束后将气样送至地面分析室进行分析。

4）上湾煤矿采用SF6气体瞬时释放法，从上午10：30，以5 L/min 的释放速度，持续释放30 min。在井下采样点采用便携式SF6气体检测仪检测检测示踪气体，用以验证分析仪分析结果。地表释放示踪气体10 min 之后，开始对12302 工作面回风隅角取气，之后每隔5 min 钟采集1 个气样，共取6 个气样，采样结束后将气样送至地面分析室进行分析。

5）检测结果。在13：55 时，井下31201 工作面检测仪检测到示踪气体。31201 工作面地表漏风测定结果见表1。在上午10：45，井下12302 工作面上隅角检测到SF6示踪气体，12302 工作面地表漏风测定结果见表2。

表1 31201 工作面地表漏风测定结果

表2 12302 工作面地表漏风测定结果

3.3 测试结果分析

1）31201 工作面地表漏风风速为7.48 m/min。

2）31201 工作面采空区漏风路线为：地表裂隙→22 煤天隆旺采采空区→31201 综采工作面采空区。

3）12302 工作面地表漏风风速在26 m/min。

4）12302 工作面与地表的漏风路线为：地表裂隙→12上煤采空区→12302 工作面采空区。

4 矿井采空区漏风规律

1）综采工作面回采后采空区塌陷形成的裂缝是井下漏风的主要通道，同时受大气压和工作面的通风方式的影响，由地表向井下采空区漏风。

2）神东石圪台煤矿31201 工作面煤层平均埋深为124 m，和22 煤层间距为40 m；神东上湾煤矿12302 工作面平均埋深为225 m，与12上层煤平均间距16 m。上湾煤矿12302 工作面漏风风速0.433 m/s，石圪台煤矿31201 工作面漏风风速0.125 m/s。造成神东石圪台煤矿31201 工作面和上湾煤矿12302 工作面漏风的主要原因在于上、下煤层间的距离小，下部煤层二次开采后上覆岩体经过基本顶初次来压、周期来压并垮落后将产生大量直达地面的可见裂隙，增加了地面与工作面采空区的漏风通道，因此近距离煤层群开采时漏风量较大，漏风风速较大。

5 矿井采空区漏风控制措施

1）为平衡漏风通道两端风压差，可对工作面实行均压措施[9]，从而降低地表和采空区的压差，减少漏风和采空区“呼吸”效应，确保工作面的安全生产。

2）加强地表裂隙回填，定期安排专人负责地表裂隙的巡查及回填、封堵工作。

3）回采首层煤时采取预防性注浆措施，预防回采下一煤层时上下煤层相互沟通，形成控制漏风通道，避免上层遗煤自燃。

4）改进采空区注浆材料，研究选用具有保水、保浆、膨胀、阻燃材料，提高注浆的封堵漏风、包裹遗煤效果。

5）对本采空区和上覆采空区注惰性气体或液体，使采空区形成局部正压，从而起到抑制地表向采空区漏风的作用[10]。

6 结 论

1）介绍了SF6示踪气体测定方法，制定了31201和12302 工作面漏风测定技术方案。

2）在31201 和12302 工作面进行了采空区漏风测定。31201 工作面采空区的漏风路线为：地表裂隙→22 煤天隆旺采采空区→31201 综采工作面采空区；12302 工作面与地表的漏风路线为：地表裂隙→12上煤采空区→12302 工作面采空区。进而得出漏风规律：综采工作面回采后采空区塌陷形成的裂缝是井下漏风的主要通道，同时受大气压和工作面的通风方式的影响，漏风方向为由地表向井下采空区漏风。