基于示踪气体的综放开采采空区漏风监测

2022-06-04张嘎

山西冶金 2022年2期

张嘎

（汾西矿业贺西煤矿，山西柳林 033300）

综放开采具有产量大、效益好等优点，但是受到开采工艺制约，采空区内遗煤量较大[1-2]。当开采煤层具有自燃发火倾向性时，如何实现采空区防灭火是综放开采需要重点解决的问题，减少采空区漏风量是降低采空区遗煤自燃发火的主要技术途径之一[3-4]。现阶段综采工作面采空区漏风监测的主要技术措施包括有现场侧风、示踪气体监测、数值模拟等技术手段[5-6]。煤矿井下常用的示踪气体为SF6，该气体具有矿井井下原始含量极低、性能稳定、不溶于水、监测灵敏度高等优点[7]。为此，文中就提出采用SF6 示踪气体对31506 综放开采工作面采空区漏风情况进行监测，并结合数值模拟软件确定采空区漏风深度，以期更好地指导采面采空区漏风控制以及采空区防灭火工作开展。

1 工程概况

山西某矿设计开采煤层为15 号煤，煤厚7.2 m，倾角8°，综放开采，采放比1∶1。15 号煤层埋深平均380 m，采用走向推挤1 135 m、倾向220 m，采用U 型通风方式，额定配风量为2 150 m3/h。15 号煤层经鉴定为II 类自燃煤层，自燃发火期的最短为35 d。由于采面采用综方开采工艺且开采范围内局部位置地质构造发育，从而导致采空区内存在有一定遗煤，导致采空区自燃发火危险性增大。降低采空区漏风量并掌握采空区漏风规律，对遗煤自燃防治具有重要意义，为此提出采用示踪气体对采空区漏风进行监测。

2 采空区漏风现场监测

2.1 示踪气体监测基本原理

通过SF6 示踪气体对31506 综放工作面采空区漏风进行监测，释放装置在采面设定位置释放示踪气体，并使用CSH1000 测定仪对不同位置示踪气体浓度进行监测。31506 综放工作面通风方式为U 型，通过稳定释放示踪气体实现该采面漏风量监测。开始监测后即开始释放示踪气体，采样点人员间隔一段时间采集一次气体，带到地面对气体成分进行分析。

采空区内漏风风速计算公式为：

式中：v 表示采空区漏风风速，m/s；L 表示流线长，取值220 m；n 表示采样序数，共计13 次；t 为采样时间间隔，s。

2.2 监测方案及结果分析

根据现场实际情况，制定的监测方案：

1）将SF6 示踪气体释放点位置置于采面进风巷端头支架与采空区交汇位置，并在释放装置末端与2 m 长束管连接，确保示踪气体可均匀释放。示踪气体采集点位于回风巷端头与采空区交汇位置处。

2）示踪气体采集时需要确定好采气时间。示踪气体释放装置释放时间设定为10 min，采气时间为10 min，从而有效避免采样点无法收集示踪气体问题。

采空区漏风与顶板垮落、液压支架移架等因素密切相关，为降低后续分析难度，提出在采面检修班释放示踪气体并。具体采面内示踪气体释放、采集点布置见图1 所示。

图1 示踪气体释放、采集点布置示意图

为了提高示踪气体测量精度，采用现场CSH1000 测定仪读数以及采集气体地面分析相结合方式进行示踪气体浓度分析。本次测定中共有4 次检测发现示踪气体，具体不同时间点获取到的示踪气体浓度分布情况见图2 所示。从图中看出，示踪气体浓度随着采样时间增加呈明显降低趋势；一定量的示踪气体随着采空区浅部漏风从回风隅角位置涌出，部分示踪气体进入到采空区深部。示踪气体测定浓度随测量时间增加而呈降低趋势与采空区深度位置风速流动较慢趋势一致。

图2 示踪气体测定浓度与测定时间变化曲线

将采集到的示踪气体浓度、采集时间等带入到公式（1）中，即可求得采空区漏风速度，具体计算得到的采空区漏风速度见表1 所示。从计算结果得到，31506 综放工作面采空漏风速度介于0.04～0.20 m/s。

表1 采空区漏风速度

3 采空区漏风深度模拟分析

依据示踪气体监测得到的采空区漏风速度，通过ANSYS 软件对采空区漏风情况进行分析，构建的模拟模型中回采巷道断面均为5 500 mm×3 600 mm，采面断面为6 000 mm×3 600 mm，采空区尺寸为220 m×300 m×7.2 m。具体采空区内风速分布模拟情况见图3 所示。从模拟结果看出，采空区内风速分布呈现U 型，采面采空区进风巷风速大小、漏风深度明显大于采空区回风巷侧。采空区内风速过低则基本不会给采面正常回采带来影响，根据相关研究成果将采空区内漏风下限确定为0.040 m/s，采空区内风速0.040 m/s、0.048 m/s、0.200 m/s 等值线与采面距离为13.55 m、12.36 m、3.59 m。采空区内风速0.20～0.04 m/s 漏风区间对应采空区漏风深度范围介于3.59～13.55 m。

对采空区漏风速度、漏风深度进行拟合分析，具体拟合结果见图3 所示。