基于双示踪技术浅埋煤层采空区地表漏风规律研究

2020-07-24叶庆树戴广龙唐明云聂士斌宋小林

煤炭工程 2020年7期

叶庆树，戴广龙，李鹏，唐明云，聂士斌，宋小林

(1.神东煤炭集团有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017000；2.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 232001；3.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 221116)

导致采空区遗煤自燃的主要原因之一是采空区漏风，因此研究采空区漏风对于防治采空区遗煤自燃具有重要意义[1-4]。神东矿区多为浅埋藏、薄基岩、易自燃煤层，自然发火期短、采空区面积大，地表上的空气通过地表裂隙源源不断地渗入采空区，为采空区内遗煤提供氧气，使其自燃危险性加大[5-7]。若能够准确检测出工作面对应地表的有效漏风范围，就能为煤矿现场的裂隙填埋工作提供很好的技术支撑，这不仅能够减少大量的人力物力，还能够更加有效减少采空区地表漏风，从而为减少采空区遗煤自燃提供有力保障。

关于浅埋藏工作面采空区地表漏风，我国学者主要采用数值模拟和示踪技术进行相应的研究。李宗翔等[8]以大柳塔煤矿活鸡兔井21208工作面为例，建立了层面漏风的定解数学模型，在此基础上模拟分析得到层面漏风强度主要取决于顶板断裂带的尺寸和地表沙土层带的厚度和密实性；邬剑明等[9]利用SF6瞬时释放技术，测定了大柳塔矿活鸡兔井21304工作面井上、下漏风规律，得出正压通风下地表裂隙是采空区向地表漏风的主要通道，并测出该工作面的最大漏风带最大宽度为230m；王建文等[10，11]利用SF6示踪气体测定了柠条塔煤矿N1201工作面地表漏风通道，得出采矿塌陷形成的裂隙带是漏风的主要通道，巷道附近裂隙漏风相对较大，采空区深部漏风也比较严重；张海峰、霍忠锋等[12，13]利用从地表裂隙释放SF6气体方法对浅埋煤层抽出式通风方式下采空区漏风进行检测，得出采空区地表裂隙漏风风速；赵启峰等[14]用瞬时释放SF6的方法对平朔矿区9203工作面地表漏风进行检测，确定了漏风通道最短距离为地表裂缝至工作面回风隅角的垂距和最低漏风风速；张建业等[15]选用SF6作为示踪气体，分别采用瞬时释放和连续释放法对7312-2回采工作面的临近采空区漏风进行了定性和定量测定，得出7312老空区存在向试验工作面漏风，并根据检测时间计算出最小的漏风风速，验证了采用示踪技术检测漏风的可行性；张立国[16]利用SF6示踪气体对补连塔煤矿22308工作面漏风进行过研究，分析影响工作面漏风主要因素，但示踪气体的释放地点选择在工作面相邻采空区，而未对该工作面地表漏风范围进行研究。

以上研究可以看出，众多学者主要利用单一的SF6示踪气体对浅埋藏工作面采空区漏风进行研究，而且主要是静态的测试采空区地表裂隙的漏风通道，较少采用连续测试这一动态方法测定采空区地表漏风范围。本研究主要采用双元示踪技术，对补连塔煤矿22310工作面采空区地表裂隙有效漏风通道进行多次动态跟踪测试和分析，以研究该试验工作面采空区地表有效漏风规律。

1 工作面概况

补连塔22煤层属于Ⅰ类易自燃煤层，自然发火期41d。22310工作面倾角1°～3°，走向长5342.2m，倾向长315.4m；地表与22煤层底板垂高平均209m；工作面采用倾斜长壁采煤法，采高6.8m，一次采全高，全部垮落法处理采空区；该工作面采用抽出式负压通风，供风量2166m3/min，22310工作面通风是由运输巷和辅助运输巷进风，流经工作面后由回风巷回风。采空区漏风主要是从地表空气通过裂隙带和冒落带渗入采空区，从工作面漏出。以22310工作面为例，浅埋煤层抽出式通风工作面地表漏风情况如图1所示。

图1 浅埋煤层抽出式通风工作面地表漏风示意图

2 漏风范围测定试验

2.1 抽出式通风地表漏风范围测试难点

若裂隙与工作面采空区相连通，则属于有效裂隙，而与工作面采空区不连通的裂隙属于无效裂隙。相比压入式通风，抽出式通风的地面漏风范围更难测试，因为在抽出式通风下，释放地点需要设在工作面采空区对应的地表，若地表裂隙选择不合理，容易导致试验失败，即在工作面根本检测不到地面释放的示踪气体。

工作面采空区对应的地表裂隙比较多，如何在工作面对应位置找出最明显、最典型裂隙作为释放示踪气体的释放地点也是试验的难点之一。试验首先在开拓平面图上确定出工作面的进风隅角和回风隅角的具体坐标，用GARMIN型导航定位仪对地表对应的工作面进、回风隅角坐标进行导航定位，以此确定工作面推进位置。然后分别在采空区地表的进风隅角和回风隅角附近，对所有比较明显的裂隙进行编号统计，并记录各条裂隙的宽度和深度，再进行综合比较，最后分别在工作面地表进、回风侧各优选出一条典型裂隙作为释放示踪气体的具体位置。

示踪气体的选择是地表漏风测试试验的又一难点，以往的采空区漏风测试试验，均以单一SF6示踪气体为主，而使用单一示踪气体因采空区示踪气体残留问题，导致试验的周期更长，工作量更大。本次试验研究需要对工作面采空区进风侧和回风侧两个区域的漏风范围同时检测，故需要采用两种示踪气体。本研究经过大量的气相色谱实验，最终优选出SF6和CF2ClBr(1211)两种。这两种示踪气体具有热物理化学稳定，色谱分析精度高，能用同一色谱柱检测分析等优点，可大大减少工作量[17]。SF6和1211混合气体的色谱分析图如图2所示。由图2可知，SF6气体与1211气体的色谱峰处在空气峰的两侧，说明当采用气相色谱仪分析SF6与1211气体的混合物时，完全能够定量的分析出它们各自的气体浓度值。

图2 含SF6与CF2ClBr(1211)气体谱图

2.2 释放地点和取样地点的确定

为了更能准确的获得工作面采空区对应地表的漏风范围，本研究进行两次动态漏风测试试验，两次试验的释放裂隙的对应位置如图3所示。本研究进行第一次实验时，工作面已回采至进风侧的41～42联巷之间。释放示踪气体时，在进风侧主要释放SF6气体，回风侧主要释放1211气体。进风侧SF6释放裂隙在第1天试验时其位置距22310工作面91.26m，回风侧1211释放裂隙位置距该工作面79.97m，当实验进行第6天时，SF6释放裂隙位置距工作面162.95m，1211释放裂隙位置距工作面151.94m。进行第二次试验时，工作面推进至进风侧的39～40联巷之间，选择释放SF6的裂隙位置距22310工作面5m，释放1211的裂隙位置距该工作面67.25m，在实验进行第6天时，SF6释放裂隙位置距工作面75.28m，1211释放裂隙位置距工作面137.73m。

图3 地表释放裂隙距工作面距离

为检测地表有效裂隙是否与工作面联通，地表漏风源是否通过裂隙经过采空区流入工作面，在22310工作面倾向选取了5处取样地点，取样地点分别为工作面距进风隅角的第50～51液压支架处(1#取样点，距进风巷90m)，第100～101液压支架处(2#取样点，距进风巷180m)，第150～151液压支架处(3#取样点，距进风巷270m)，上隅角风帘后(4#取样点，距进风巷313m)和回风隅角(5#取样点，距进风巷315m)，井下取样地点如图4所示。

图4 工作面取样地点示意图

2.3 地表漏风范围测定

虽然每天在同一个裂隙地点进行试验，但是工作面的位置每天是动态变化的，所以本研究是动态试验过程。每次动态漏风测试试验分释放和取样两组同时进行。

1)释放过程：在22310工作面采空区地表靠近进风侧和回风侧处各筛选出一条固定的典型裂隙后，从两条典型裂隙处分别释放一定量的SF6和1211气体，直到当天释放的示踪气体在井下工作面倾向上各个取样点未收到为止，本次动态漏风测试试验才能结束。为了尽量减少示踪气体扩散至大气中，需要把释放口深入至裂隙深处进行释放。释放流量视裂隙的开度进行调整，本研究两次试验的释放流量均为60mL/min，释放持续时间为1h，释放过程采用浮子流量计进行计量。

2)取样过程：在工作面倾向上，每隔一定距离的液压支架间抽取气样进行检测。为避免采空区残留的示踪气体对第2次示踪气体试验影响，在地表漏风源释放示踪气体之前取1h本底气样，分析本底气样没有残留示踪气体时，方可再次进行释放示踪气体试验。每个取样点的取样间隔时间为20min，连续取样6h，取样后将实验气样用GC-4000A型气相色谱仪进行分析。

最后，根据检测结果，结合22310工作面在试验期间的推进速度，综合判定工作面采空区地表有效漏风范围。

3 试验结果及分析

3.1 地表有效漏风范围

在两次实验结果中，所有气样均未分析到SF6，但是分别在2#～5#共4个取样地点分析到了1211气体。由于数据量较大，每个取样地点在每天分析结果中取所有含有1211气体的浓度平均值作为该天的1211气体浓度，同时根据不同取样日期，反求出释放地点距工作面距离，得到每个取样地点的1211气体浓度与释放地点距工作面距离的关系曲线，如图5、6所示。

图5 第1次试验1211气体浓度与释放点距工作面走向距离的关系曲线

图6 第2次试验1211气体浓度与释放点距工作面走向距离的关系曲线

从图5可知，第1次实验的第1天分别在工作面的2#～5#取样点都分析出1211气体，但是在1#取样点未收到1211气体，说明在回风侧释放的1211气体主要是经采空区漏至22310工作面的回风侧。而且随着工作面的推进，释放地点距离工作面越远，使得不同取样地点的1211气体浓度下降。当第6天进行示踪气体试验时，此时地表释放地点距工作面水平距离为151m，工作面的4个取样地点均未分析到1211气体，所以根据第1次实验结果，地表有效漏风范围沿工作面走向为0～[122m，151m)。

从图6可知，第2次实验的第1～5d分别在工作面的3#～5#的取样点分析到1211气体，说明此时地表回风侧1211释放裂隙与工作面连通；但是在1#和2#两个取样点未收到1211气体，这与第1次实验结果基本吻合，即1211气体主要是经采空区直接漏至22310工作面的回风侧。在试验的第6d天，此时工作面距离释放1211的裂隙水平距离为137m，3个取样点均未分析到1211气体，说明根据第2次试验结果，地表有效漏风范围沿工作面走向为0～[123m，137m)。

从以上分析可知，第1次试验得到有效漏风范围沿工作面走向为0～[122m，151m)，第2次试验的有效漏风范围沿工作面走向为0～[123m，137m)。由此可判断22310工作面对应地表沿工作面走向的有效漏风范围为：0～[123m，137m)。

两次实验都未检测出进风侧释放的SF6气体，仅检测出在回风侧释放的1211气体，由此说明抽出式通风下，地表靠近采空区进风侧的漏风量小于回风侧，地表漏风源主要从采空区回风侧裂隙漏入采空区。这主要是因为回风侧与地面之间的通风阻力最小，从能位角度分析，在工作面采空区范围，回风隅角的能位最低，则地面与回风隅角的能位差最大，而能位差越大，越有利于漏风的产生。因此，始终未检测出在进风侧释放的SF6气体，仅分析出回风侧释放的1211气体。

最后根据以上分析结果，可以得到该试验工作面地表有效漏风分布示意图，如图7所示。从图7可知，该工作面地表存在一定的漏风，地表漏风范围主要位于工作面走向0～[123m，137m)范围内，所以在该工作面回采过程中，应及时对该区域的地表裂隙及时回填，特别是靠近工作面回风侧裂隙，应列为重点监管对象。此外，在井下工作面区域还要加强该工作面与采空区之间的隔离，可专设挡风帘进行密封，尽可能的杜绝工作面与采空区的连通。

图7 抽出式通风方式下的地面漏风示意图

3.2 采空区内漏风风速计算

煤自燃危险性受多种因素影响，除了煤的种类等内在因素外，还受采空区漏风强度等多种外在因素的影响[4，18]，所以研究采空区漏风风速对采空区煤炭自燃防治具有重要作用[15]。浅埋煤层采空区漏风风速的影响因素较多，它不仅受地表与工作面的能位差和工作面通风阻力等因素的影响，还与煤层的顶底板岩性，工作面推进速度等有关。由于采空区是由顶板冒落岩石堆积而成，所以工程技术人员无法进入采空区进行测试，但可通过示踪气体在采空区内流动的时间和释放与取样地点的相对位置确定采空区内的计算漏风风速。本研究主要根据示踪气体试验中1211气体在采空区内的流动时间，并用式(1)计算地表漏风源流入采空区的漏风风速：

式中，V为计算漏风风速，m/min；L为漏风源距工作面水平距离，m；H为地表与工作面的垂直距离，根据采掘工程平面图，取209m；t为检测与释放示踪气体的时间间隔，min。

根据式(1)，结合工作面实际的推进速度，计算出的采空区内计算漏风风速见表1。从表1可知，第1次示踪气体测试的计算漏风风速为2.98m/min；第2次示踪气体测试的计算漏风风速为3.99m/min，说明两次的计算漏风风速不同。这是由于第1次和第2次释放地点距工作面的距离不同，第2次释放点距工作面水平距离更近，而采空区距工作面越近，采空区内裂隙越大，所以漏风风速也越大。