综采工作面漏风通道及漏风率测定技术

李永强

（晋能控股煤业集团泰山隆安煤矿，山西 保德 036600）

1 工程概况

泰山隆安煤矿11下301综采工作面为11号煤三采区首采工作面，位于井田中南部，沿煤层走向布置，回采方位0°00′00″，工作面设计顺槽长度1 297 m，回采宽度240 m。工作面顶部为砂质泥岩，煤层整体较稳定，11下301综采工作面内的11号煤平均厚度4.3 m，煤层自然发火周期43 d，属易自燃煤层。煤层含少量夹石，无断层、节理、褶皱等地质构造类型，局部有冲刷带构造存在。工作面北为11号煤西翼集中回风下山，南为原废弃民采平硐采空区，东为原桥头镇办煤矿采空区，西为实体煤，工作面埋藏浅，距离地面120～150 m，顶板上部覆盖层较松散，孔隙率较大，上覆为原金义煤矿和原晋豫煤矿旧小窑采空区，两煤层的层间距平均为30.56 m。因此，当11下301综采工作面回采时，上部采空区发生垮落，形成裂隙贯通地表，易形成通风渠道。因工作面采用全负压通风，回采期间出现地表裂缝向采空区漏风，发生采空区遗煤自燃现象，影响工作面安全生产以及矿井正常通风。基于此，需采取专业技术措施，验证采空区漏风通道和漏风量，并根据漏风的严重程度制定相应的防范措施，以保证工作面安全生产及矿井正常通风。

2 矿井外部漏风的危害分析

回采工作面及矿井发生外部漏风，将对工作面及矿井产生诸多危害，具体危害分析如下：

1）工作面发生外部漏风，尤其是工作面回风侧发生的外部漏风，将致使工作面有效风量减小，从而引起工作面瓦斯聚积、空气温度升高、气候条件恶劣，不仅影响工作面作业人员的身体健康和工作效率，还对工作面安全生产造成一定影响。

2）工作面外部漏风，尤其是地表向工作面漏风，将使矿井的通风系统复杂化，无法保证矿井通风系统的稳定性和可靠性，对井下各用风地点的风流控制和调节造成不同程度的影响[4]。

3）因矿井采用抽出式负压通风，出现地表漏风问题将致使矿井主通风机的效率低下，不仅浪费大量电力，还严重影响各用风地点的正常通风，甚至出现通风机能力不足，采用大功率风机仍不能满足矿井正常通风的问题。

4）工作面存在漏风问题，主要发生在正在回采的工作面采空区连通上覆采空区及地表裂缝产生的漏风，因采空区内不可避免的存在遗留煤体，遗留煤体在长期接触外部漏风情况下，易发生遗煤氧化甚至自燃，致使回采工作面温度升高、CO浓度偏高等一系列安全问题[6]。

因此，一旦发现矿井或工作面发生外露漏风现象，必须及时检测漏风通道及漏风量，分析漏风原因，便于采取针对性措施以解决漏风问题，确保矿井安全生产。

3 漏风通道的检测

3.1 检测方案设计

11下301工作面采用负压通风方式，设计配风量为1 770 m3/min。截止6月7日，11下301工作面共推进约760 m，老顶已来压垮落，工作面回采期间，出现进风顺槽进风量明显小于回风顺槽的回风量，且发现工作面温度及CO浓度偏高，已对工作面安全生产造成严重影响，初步判定为采空区内发生外部漏风，导致采空区遗煤自燃所致。因此，必须检测导致工作面漏风的主要原因。

通过对11下301工作面地面进行观察，在工作面进风顺槽与回风顺槽方向，出现与顺槽方向平行的裂隙，在距离11下301切眼方向也出现与切眼平行的地面裂缝。地面裂缝带最宽处约0.2 m，估计在0.1 m以上宽度的裂缝其深度达4 m以上，有的裂缝可以观测到明显的漏风现象，判断漏风方向为地面向裂缝深处漏风。为确定漏风通道及其流经区域，采用示踪气体SF6对工作面的漏风情况进行测定[1-2]，具体实施步骤如下：

1）SF6示踪气体的释放点在距离工作面的直线距离约110 m处的地表裂隙带，根据工作面及采空区内气体流向，释放地点设置在工作面采空区偏工作面采空区下部位置。示踪气体SF6释放点布置如图1所示。

图1 11下301工作面地面裂缝漏风测定示意图

2）示踪气体SF6接收检测点：气样取样点分别布置在11下301工作面上隅角及距离上隅角60 m回风顺槽处。

3）气样采集及检测：在示踪气体释放前，接收点安置示踪气体SF6检测仪，以便随时开始对气体采样。检测仪安置完成后，6月7日下午1:30分，示踪气体以5L/min的稳定释放速率开始释放，25 min后，当日下午1:55分在工作面上隅角首次检测到有该示踪气体，不过初始气流状态较弱，待气流稳定之后，采3份气样。下午2:00在回风槽处60 m处检测到示踪气体，采用方式同前者一样。

4）气样采集结果：通过对各接收点的气样检测可知：在11下301工作面上隅角及回风顺槽处的示踪气体SF6平均浓度分别为92.37×10-9，89.31×10-9。

3.2 检测结果分析

由11下301工作面上部地表裂隙和漏风通道检测分析。通过2个接收点的检测仪检测的结果表明：所有接收点均可检测到示踪气体，其中最先检测到的接收点为工作面上隅角，并且测得示踪气体SF6浓度显示大于距离上隅角60 m回风顺槽处的值，说明地表空气在负压通风作用下由地表流向井下采空区，11下301工作面与金义煤矿、晋豫煤矿采空区之间隔离岩层破坏形成漏风通道，风流由地面流向工作面，主要漏风通道为工作面回采上方的地表塌陷形成贯通工作面采空区的裂缝。

4 工作面漏风量测定分析

4.1 测定方案

为防止示踪气体滞留在采空区，对工作面漏风量的测定结果产生干扰，故对于漏风量的测定时间定于6月15日，检测步骤如下：

4.1.1 示踪气体SF6的释放地点布置

由公式L≥32S/U可知气体释放点和取样点的确切位置[3-4]，进而计算出漏风点与接收点、气体释放点和取样点之间距离。工作面进风巷巷道断面为3.4×5.4（m2），回风巷巷道断面3.4×5.0（m2），代入公式可得：

Lj≥32S/U=32×5.4×3.4/（2×（5.4+3.4））=33.4 m

Lh≥32S/U=32×5.0×3.4/（2×（5.0+3.4））=32.4 m

式中：Lj、Lh分别为进风巷道、回风巷道，取Lj=Lh=35 m，确定释放点R位于距工作面进风巷70 m处。

4.1.2 示踪气体SF6接收点

接收点设置需满足距离要求，最终接收点的位置分别置于工作面进风巷方向35 m处和回风巷方向35 m处。工作面漏风测定示意图如图2所示。

图2 工作面漏风示意图

4.1.3 气样采集及检测

6月15日下午4:30将示踪气体释放装置和检测装置分别安装于释放点和接收点，一切布置结束之后，开始释放示踪气体SF6。示踪气体SF6以5L/min的稳定释放速率开始释放，等待气流稳定之后进行取样。下午4:50进风巷接收点S1出现检测到示踪气体的信号，下午5:00回风巷接收点S2也有检测显示。S1、S2检测点均待气流稳定后进行取样，每次取样时间10 min，每个检测点均采集4组样品，并对每组样品的示踪气体SF6气体浓度进行均值统计及分析。

4.1.4 气样采集分析结果

由表1数据可知，其中S1检测点第3组检测数据计算的相对误差数据异常，经分析是因为采用工序操作错误引起的结果。剩余组数据可用于漏风量的分析。排除干扰组，S1和S2平均值分别为34.62×10-6和32.13×10-6。根据物质能量守恒定律[5-6]，示踪气体总质量相等，使用公式Q1×C1=Q2×C2，最终计算工作面的漏风量为ΔQ=Q1-Q2=-109 m3/min，漏风率α=ΔQ/Q1×100%=7.78%。

表1 工作面漏风测定分析表

4.2 测定结果

最终通过对气样的分析可知，11下301工作面的漏风量是109 m3/min，漏风率是7.78%。在地面释放的示踪气体SF6间隔20 min即可在工作面上隅角位置检测到示踪气体SF6进入工作面，表明漏风通道较为畅通，工作面发生外部漏风现象较为明显。因此，针对工作面发生外部漏风问题，必须采取针对性措施，防止地表裂缝继续向工作面漏风。

5 防漏风措施

为防止工作面回采期间造成的地表塌陷形成裂缝向工作面漏风，致使矿井通风系统复杂化，影响矿井安全通风，工作面采空区内遗煤自燃，影响工作面安全生产，特制定工作面防漏风措施如下：

1）对工作面回采期间产生的地表塌陷情况安排专人进行日常排查，发现因回采导致的地表裂缝及时安排回填，堵塞漏风裂隙，最大限度的减少地表塌陷裂隙漏风。

2）针对11下301工作面为中厚煤层回采工作面，要保证回采速度及回采率，在保证工作面安全回采及割煤质量的前提下，达到中厚煤层回采率不低于95%的标准，尽量减少采空区遗留煤量。同时，回采期间应定期向上、下隅角及采空区撒布阻燃岩粉，减少遗煤自燃可能性。

3）针对工作面回采两侧的地表易产生较大地表裂缝引起的上、下隅角处漏风严重问题，需采取上、下隅角堵漏措施。工作面每推进20～30 m，在上、下隅角处采用沙袋堆砌不低于1.5 m以上的采空区隔离墙体，防止上、下隅角垮落形成的三角区直接与工作面形成漏风通道。

4）为减少工作面向采空区漏风，需在回采期间对上、下隅角处加装防漏风挡风帘，引导风流沿工作面流动，减少工作面向采空区漏风的同时，也防止采空区高温及有毒有害气体向工作面释放。

5）回采结束的工作面，必须及时封闭严实，防止发生停采工作面长期漏风，影响矿井正常通风。

6 现场实践与效果分析

根据11下301工作面漏风通道及漏风率检测结果可知，工作面存在长期漏风严重，影响工作面安全生产及矿井正常通风，在采取了针对性防漏风措施后，为验证措施效果，继续采用了示踪气体SF6进行的漏风通道及漏风量检测技术，对采空区上部的地表裂隙向工作面采空区漏风通道及漏风量进行了检测，采取相同流量的示踪气体SF6在设计位置进行释放，并在2个设计接收检测地点进行了气体采样分析。采取防漏风措施后的检测结果显示，S1和S2处的示踪气体SF6浓度平均值分别为7.38×10-6和5.42×10-6，在地表释放示踪气体SF6后，首次在工作面上隅角处检测到示踪气体SF6,时间为1小时37分钟，较采取措施前时长减缓了1小时17分钟，根据释放点与2个接收点的浓度计算得知，通过地表裂隙进入工作面回风流的示踪气体SF6已不足地表释放量的1/6，最终计算工作面的漏风量为ΔQ=-15 m3/min，漏风率α=1.37%。检测结果表明，采取防漏风措施后，虽未完全避免工作面发生外部漏风，但措施效果显著，漏风量得到大幅降低，采取防漏风措施后的漏风量及漏风率经通风系统评估，已基本不影响工作面正常通风。对工作面漏风造成的安全生产影响方面评估可知，采取防漏风措施后，回风巷风量一定情况下，经过回采工作面的风速有一定升高，工作面温度较之前有明显降低，CO浓度明显降低，表明采取措施后，采空区遗煤自燃现象得到有效抑制，漏风量及漏风率均得到有效控制。

7 结论

1）11下301工作面回采过程中由于采空区冒落及上覆存在小煤窑采空区，造成地面出现裂缝，采空区与地面裂缝之间存在连通，在通风负压作用下存在漏风，漏风方向为地面裂缝向工作面采空区漏风，工作面的漏风量为109 m3/min，漏风率为7.78 %，漏风情况较为严重。

2）漏风情况可能导致采空区遗煤自然发火，影响11下301工作面的安全生产，同时影响矿井正常通风。通过采取地表裂隙回填、保证工作面回采率、撒布岩粉、设置隅角隔离墙体、安装挡风帘等防漏风安全措施，可使采空区遗煤自燃现象得到有效抑制，漏风量及漏风率均能够得到有效控制，最大限度地减少地表裂隙漏风的同时，防止采空区遗煤自燃及有毒有害气体向工作面扩散，以保证工作面安全生产及矿井正常通风。