“两进一回”通风系统能位与示踪气体联合测定采空区漏风

王静 余陶 吴义泉 卢平

摘 要：为解决自然发火期短的自燃煤层在深井高地温条件下采空区煤自燃危险程度高的问题，基于能位测定和SF6示踪气体联合检测采空区漏风原理，以朱集西煤矿为工程背景，研究了工作面和留巷侧巷道风流能位状况，得出了采空区最大可能漏风区域，并利用SF6示踪气体进行检验。试验结果表明，工作面漏出风区域主要集中在工作面后段44～61#支架漏出；根据最小漏风速度，留巷侧距离工作面34m内的采空区均为散热带，且距离工作面越远的漏风点，收集到的气体曲线峰值越小，峰值时间越长，曲线越“低胖”，距离近的漏点曲线形状越“高窄”，研究可为朱集西矿采取防灭火措施提供依据。

关键词：自然发火期短；能位测定；SF6示踪检测；“两进一回”通风

中图分类号：X936；TD728  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2023）07-0015-04

引言

在煤矿生产工作面，采空区无法和工作面完全密封隔离，不可避免存在从工作面向采空区漏风现象，加之采空区遗煤，就有可能导致煤层自燃引发采空区瓦斯爆炸等煤矿严重安全事故的发生。目前我国具有煤自然发火危险的高瓦斯矿井占32.3%，且随着采深的增加会有越来越多的矿井面临瓦斯与煤自燃复合灾害的威胁[1]，对于在深井条件下地压大，巷道变形严重，“两进一回”通风方式留巷侧挡矸墙易受力开裂，从而增加采空区漏风，因此我们需要更加重视采空区的灾害防治。

示踪技术检测采空区的漏风状态，在国内外已获得广泛的应用[2]。采用能位测定技术检测井巷风流能位关系，可定性判断出漏风源和漏风汇的大致位置，为示踪气体检测提供更加准确的漏风趋势判断。实践证明采用能位测定与示踪气体检测法的结合可以更有效、更快速地检测采空区的漏风通道，得出其漏风方向、漏风风速[3]。本文在自然发火期短的自燃煤层、深井高地温条件下，研究“两进一回”通风条件下采空区的漏风通道和漏风方向等，以此为采空区的防灭火治理提供参考。

1 工作面概况

朱集西煤矿设计生产能力400万t/a，为深部煤与瓦斯突出矿井。现主采的13煤位于上石盒子组中下部，与上覆16-2煤间距93.6～102.4m，平均间距98.9m，与下伏11-2煤间距66m～74m，平均间距71.2m。13403工作面为四采区首采工作面和被保护层工作面，最大原始瓦斯含量8.47m3/t，最大原始瓦斯压力为1.36MPa。煤层标高为-919m～-991m，原岩温度41.8～44.6℃，13-1煤的自燃倾向性等级为II类，最短自然发火期约42天。

为保证矿井生产接续，在13403轨道巷施行110工法切顶卸压自成巷，可减少回采巷道掘进工程量，实现无煤柱开采，避免出现孤岛工作面，保证产量。工作面可采走向长度1380m，倾斜长114m，煤厚1.7～6.3m，平均厚度3.8m，采用后退式走向长壁一次采全高综采采煤法，全部垮落法管理顶板，工作面经中期调整通风方式后，采用“两进一回”型通风方式，运输巷主进风，轨顺留巷为辅助进风，轨道巷总回风，通风系统图如图1所示。

2 采空区周边巷道能位测定

2.1 能位测定原理

井下空气在风机的动力作用下流动，空气流动就会在周边通风系统形成压力差，通过压力测定，定量确定其数值，可判定采空区周边的漏风趋势，进而为使用示踪气体SF6去更准确测定采空区漏风通道、漏风速度等提供支撑。

能位测定依据Bernoulli方程，通过对静压、动压和位压的数据计算，选取基准点，计算各点相对应的压力差。井下通风系统中两点之间的压力差可按下式[4]计算。

式中：P1、P2—分别为测定仪器在1、2测点的静压读数，Pa；？籽1、？籽2—分别为测定1、2两测点的空气密度，kg/m3；v1、v2—分别为1、2两测点的风速，m/s；g—重力加速度，m/s2；Z12—1、2测点间的标高差，m；？籽m12—1、2两测点间的空气平均密度，kg/m3。

其中空氣密度可由下式[5]计算：

式中：P—测得的大气压力，KPa；T—空气绝对温度，K；？渍—空气相对湿度；Psat—饱和水蒸气压，KPa。

2.2 测点布置

根据13403工作面改通风方式后“两进一回”的通风系统特性，为较为全面的测定采空区漏风状态，采取在工作面每隔10架左右（17m）、留巷段平均间隔20m（共测150m）、进回风隅角往工作面推进方向外侧20m测量两个点，布置测点，测量采空区周边通风风流能位情况，测点布置如图1所示。

2.3 能位测定结果分析

汇总计算采空区周边测点的能位结果，将回风隅角处测点设置为基准点，其他各点所展示能位值均为与基准点的相对能位差值。为方便观察采空区周边能位变化并与其他各点进行对照，将工作面和留巷段测定能位结果标识于图1中，便于分析漏风趋势。

分析结果如下所示：

（1）气体能位沿风流方向逐渐降低，工作面进风隅角能位约50Pa、留巷段110m处采空区能位54Pa，均远比回风隅角处能位17Pa要高，两处测点与回风隅角附近的能位差为采空区漏风形成了动力条件，采空区风流主要由回风隅角侧流出。

（2）留巷段110m处采空区能位54Pa与进风隅角能位约50Pa相近，将进风隅角和留巷110m处距离用近似虚拟曲线相连接，即可构建处采空区最大可能漏风区域分布如图1所示。

（3）留巷段130m、150m测点处能位比进风隅角处能位大，根据漏风是从能位高处向能位低处流动，在留巷侧挡矸墙密封严实情况下，可以判定留巷段110m区域以后不存在风流速度较大的漏风。

3 SF6示踪技术测量采空区漏风

3.1 SF6示踪气体测定原理

SF6在常温常压下为稳定的气态，物理性质透明、无味、无毒，化学性质稳定不易与其他物质反应，遇高温时不易分解或反应，当温度达到500℃时才产生轻微分解现象，温度达到800℃之前呈现惰性特性，因此SF6在可能发生煤炭自燃发火的采空区环境具有很大的适用性[6-8]。根据舒祥泽学者[9]在进行多次示踪技术实验时的研究，用示踪气体峰值到达的时间来计算风流流速，与实验实际风流到达收集点时间相差很小，精度完全满足要求。因此本次试验选择以SF6测定曲线的峰值时间来计算采空区最小漏风速度。

根据SF6在各峰值点的时间，计算各采集点漏风通道的最小速度，计算式[10]如下：

式中V为最小漏风速度，m/s；L为漏风源到漏风汇的直线距离，m；t为从释放SF6气体到检测到SF6气体峰值的时间间隔，s。

3.2 SF6示踪气体测定方案

本次实验采用SF6瞬时释放法，即在漏风源（能位高）处一次释放一定量的示踪气体，同时在漏风汇（能位低）处每间隔一定时间取样分析，根据分析结果中有无SF6可以确定该处有无漏风以及漏风方向和漏风速度[11]。试验时由于回风隅角治理瓦斯原因留巷侧149～141#插管带有少量负压抽采，因此本次测定结果是基于留巷侧插管带有少量负压情况下的结果。试验采用地面取气并使用氧气袋作为储存装置，采取在进风隅角处风障内深入采空区5～10m释放SF6气体150L，气体释放时间为20min，测量进风隅角向采空区内的漏风状况。在工作面30～63#架后、留巷侧50m范围内每间隔10m使用留巷段插管149～141#取样分析。

3.3 SF6气体测定结果分析

3.3.1 工作面支架架后气体测定情况

气体在进风隅角深入采空区释放的同时使用SF6测定仪器在架后对气体进行实时监测，主要测定与工作面交接的采空区的漏风风流，判断工作面的漏出风情况。试验发现30～43#架架后气体数值波动在5.3-7.4之间，44～61#架架后气体数值在11.4-15.4之间波动，62～63#架气体检测浓度2-4之间。

分析可得以下结论：

（1）由30～43#架气体测定情况数值波动在5.3-7.4之间，分析可知边释放边测定的方法无法避免气体经进风隅角释放经与空气混合后，随涡流流出采空区经工作面架后区域沿工作面流出，使得在工作面前段漏进风区域也能测出部分SF6，30～43#架数值亦受此因素影响。

（2）分析44～61#架后数据与30～43#对比可知，去除部分SF6气体由工作面漏出外，SF6测定数据变高说明有另一部分SF6示踪气体经浅部采空区在工作面后段支架间漏出，可据此判定44～61#架为工作面主要漏出风区域。

（3）62～63#位于机尾与留巷侧交界处，气体易受工作面风流和留巷侧风流的混合影响，导致仪器测定数值降低。

3.3.2 留巷侧挡矸墙各插管气体测定情况

将留巷挡矸墙侧测点数据情况汇总于表1中，现场试验时测定距工作面34、44m处的SF6气体浓度基本为0，说明采空区风流基本未能流动到此区域或更深区域，因此调整为测试距离工作面50m范围内的留巷侧区域。将149～143#插管气体数据整理于图2所示，表2为根据直角三角形勾股定理计算出来的采空区各个收集点对应的最小漏风速度。

分析以上数据，可得到以下结论：

（1）按时间轴分析SF6示踪气体释放1小时后，挡矸墙149#插管开始出现测量值，之后149、147和145#插管分别在150min、180min和210min出现峰值，数值大小逐渐减小。4个小时后所有观察孔全部显现示踪气体，随后6小时后逐渐归零。

（2）按漏风风流方向分析SF6示踪气体首先到达149#架（最靠近工作面的插管）然后（沿留巷进风方向）逐渐向留巷段深部显现，距离工作面越近采空区最小漏风速度越大，工作面越远最小漏风速度越小，143#插管的最小漏风速度为0.43m/min。

（3）按計量大小分析各个插管收集示踪气体SF6浓度随与工作面距离越远越低，工作面越远漏风越少，143#、141#插管（距工作面34m、44m）示踪气体浓度基本为0。

（4）从各插管曲线归零的速率来看，各插管归零的速度较快明显快于示踪气体SF6上升阶段，分析认为是由于各插管带有小负压抽采会增加采空区的漏风，使得气体混量中示踪气体量少时，更难被检测出来。

综合分析得各插管收集到的SF6气体曲线均呈现出先上升后下降的趋势，各个插管的曲线图对比可知，从149#插管开始，随着距离工作面越远，各个插管收集到的示踪气体峰值逐渐减少，峰值时间也更偏后，分析认为由于覆岩运动冒落岩石被压实，留巷侧采空区深部孔隙率较工作面附近变小，深部气体运移的阻力增大，能位差减小，因此SF6气体的运移所需时间越久，且距离工作面越远，所收集的曲线越“矮、胖”，距离工作面越近，曲线形状越“高、瘦”，与舒祥泽学者的研究结果较为一致。

从采空区三带的角度来看，143#插管的最小漏风速度为0.43m/min，大于采空区自燃带的边界速度0.24m/min[12]，由此可以判定留巷侧采空区实际散热带区域应比34m距离稍远，34m区域之内为散热带区域，可为CO指标气体异常时，提供借鉴判断，漏风区域示意图如图3所示。

4 结论

应用能位测定技术和示踪气体SF6联合检测采空区漏风的方法，实现了采空区定性和定量测定漏风的结合，可获得较准确可靠的漏风测定结果。

（1）根据能位测定结果可知13403工作面“两进一回”通风方式回风隅角附近能位最低，漏风主要从进风隅角漏入，回风隅角漏出，同时可获得采空区最大可能漏风区域，为示踪气体测定提供基础。

（2）SF6示踪气体测量可更准确的表征采空区漏风通道和漏风方向，留巷侧漏风点距离工作面越远，所收集到的氣体曲线峰值越小，峰值时间越长，且距离远的测点曲线越“低胖”，距离近的曲线形状越“高窄”。

（3）根据能位测定与示踪气体SF6联合测定结果，工作面漏出风区域主要集中在工作面后段44～61#液压支架间漏出；留巷侧漏出风区域根据最小漏风速度，距离工作面34m处最小漏风速度为0.43m/min，表明留巷采空区侧在距工作面34m区域之内为散热带区域，研究结果可为朱集西矿采空区三带测定和完善相应的防灭火措施提供依据。

参考文献：

〔1〕周福宝.瓦斯与煤自燃共存研究（Ⅰ）：致灾机理[J].煤炭学报，2012，37（05）：843-849.

〔2〕刘国忠，李国华，王正辉，等.SF6示踪气体连续释放法在采空区漏风检测中的应用[J].煤矿安全，2011，42（09）：114-117.

〔3〕石必明，成新龙.能位测定与示踪技术联合检测复杂采空区漏风[J].矿业安全与环保，2002，6（02）：14-15.

〔4〕余陶.采空区瓦斯与煤自燃复合灾害防治机理与技术研究[D].中国科学技术大学，2014.

〔5〕谭允祯，陈开岩，张国枢.通风与安全学[M].北京：中国矿业大学出版社，2000.

〔6〕张曦，戴广龙，聂士斌，等.应用能位测定法和SF6示踪技术检测孤岛工作面小煤柱漏风状态[J].矿业安全与环保，2016，43（05）：41-44.

〔7〕王海燕，冯超，耿兰，等.基于能位测定和示踪检测法的地下煤火漏风状态研究[J].中国安全生产科学技术，2014，10（01）：118-123.

〔8〕刘国忠，李国华，王正辉，等.SF6示踪气体连续释放法在采空区漏风检测中的应用[J].煤矿安全，2011，42（09）：114-117.

〔9〕舒祥泽，商登莹.示踪技术在矿井漏风状况定量分析中的应用[J].煤炭学报，1991（02）：31-40.

〔10〕张海峰，张茂文.浅埋深综放工作面采空区漏风检测技术[J].煤矿安全，2013，44（06）：63-65.

〔11〕江卫.SF6示踪技术与能位测定联合检测复杂采空区漏风[J].煤炭科学技术，2003，10（08）：9-11.

〔12〕樊世星.高瓦斯易自燃采空区瓦斯与遗煤自燃共生灾害研究[D].安徽建筑大学，2016.