不同季节条件下浅埋煤层采空区地表垂直漏风规律研究

2023-11-10朱兴攀王洋任晓伟晏立张林江刘文永金永飞陈玉良

工矿自动化 2023年10期

朱兴攀，王洋，任晓伟，晏立，张林江，刘文永，金永飞，陈玉良

（1. 西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054；2. 陕西陕煤榆北煤业有限公司，陕西榆林719000；3. 陕西陕煤曹家滩矿业有限公司，陕西榆林 719000；4. 西安天河矿业科技有限责任公司，陕西西安 710054）

0 引言

在采动影响下，浅埋煤层综放工作面上覆岩层遭到破坏，容易产生裂隙，这些裂隙将地表与井下采空区和工作面连通，使地表空气通过裂隙进入工作面和采空区，从而产生地表垂直漏风[1-3]。由于综放采空区遗煤多，若地表垂直漏风情况严重，会使得采空区漏风规律紊乱、供氧充分[4-5]，导致采空区氧浓度增大、热量积聚，最终可能发生遗煤自燃现象，对安全回采造成严重威胁[6]。掌握地表垂直漏风规律，减小井下采空区漏风，对矿井安全生产具有重要意义[7-8]。

通常采用数值模拟方法和SF6气体示踪法对地表垂直漏风规律进行研究[9]。数值模拟方法能够较为准确地对地表漏风情况进行模拟[10]。李建伟[11]利用数值模拟方法，确定了煤矿不同埋深时地表漏风条件下采空区漏风流场分布规律。邢震[12]将数值模拟与现场实测相结合，对浅埋厚煤层地表漏风进行分析，以减小采空区漏风对煤自然发火的影响。张杰等[13]通过物理相似模拟实验揭示了工作面煤层开采过程中上覆岩层垮落形成的裂隙对采空区漏风的影响，同时采取数值模拟的方法进行验证，提出了封堵防治措施以解决工作面漏风问题。SF6气体示踪法适用于大范围采空区，对于漏风位置的检测较为准确[14-15]。赵启峰等[16]通过采用“地表与井下采空区气压差、工作面进风巷与回风巷风量差、示踪气体地面瞬时释放法”确定地表漏风各参数。饶孜[17]利用SF6气体示踪法查找煤矿漏风通道并分析漏风规律，为采取有效措施预防工作面层间漏风提供支持。王超群等[18]通过SF6气体示踪法及重点区域指标气体数据分析法，对煤矿采空区漏风规律及其治理措施进行了研究。

但大多数学者只研究了一个时间维度的漏风规律。由于季节更替，引起气候、温度、大气压强等环境因子改变，造成采空区出现“呼吸效应”[19]，发生漏风现象。因此，本文分析了不同季节的温度、大气压强变化及释放点随工作面推进的距离与地表垂直漏风之间的关系，并针对地表垂直漏风情况提出合理的治理措施，为矿井防治因漏风引起的煤自燃提供理论指导和依据。

1 工作面概况

陕西陕煤曹家滩矿业有限公司122108工作面为2-2煤层12盘区东翼第2个回采工作面，为Ⅰ类容易自燃煤层，煤层绝对瓦斯涌出量为2.90 m3/min，相对瓦斯涌出量为0.10 m3/t，煤尘具有爆炸性。矿区属于地温正常区，无地热危害，地压为大地静力场型，在构造发育区应力集中。工作面布置如图1所示。

图1 工作面布置Fig. 1 Working face layout

由于煤层埋藏较浅，采煤引起煤层上部岩层塌陷，岩石破裂形成的裂隙穿透地层直达地表，形成漏风通道。通过地表塌陷区实地观测考察发现，地表松散堆积物主要为砂土，地表可见多条有规律的裂隙，分别沿工作面走向分布（图2（a））、工作面倾向分布（图2（b））及十字交叉分布（图2（c））。

图2 地表塌陷区裂隙分布Fig. 2 Distribution of cracks in surface subsidence area

2 不同季节的地表垂直漏风测定

2.1 测试方法

在不同季节对122108工作面采空区地表进行现场漏风测试。由于矿井采用负压抽出式通风，地表处于相对正压状态，所以漏风方向是从地表裂隙进入井下采空区[20]。本次测试采用SF6气体示踪法对地表垂直漏风规律进行研究。测试所需仪器主要有便携式SF6气体检测仪和漏风阻力测定仪。测试时需在地表释放SF6气体，在井下工作面回风隅角进行检测。地表人员到达指定SF6气体释放点后，记录地表温度、大气压强数据；待井下人员就位后，从选定的气体释放点处按照一定的量释放SF6气体，记录SF6气体释放时间及终止时间；地表释放SF6气体后，立即在井下接收点采用便携式SF6气体检测仪检测，分别记录地表和井下的温度、大气压强数据。

2.2 SF6气体示踪原理

SF6在天然石中不存在，且具有良好的稳定性和可测性，是一种常见的气体示踪剂[21]。利用SF6气体测试地表垂直漏风时，如果存在漏风情况，SF6气体能够通过通道且在回风隅角处检测到；如果不存在漏风情况，则在整个回风巷道中不会检测出SF6气体。

根据地表SF6气体的释放时间、井下SF6气体的出现时间、释放点与工作面回风隅角的相对距离，定量计算地表向采空区的漏风速率。由于风流在裂隙中向地层的流动不规则，可通过释放点与工作面回风隅角之间的最长和最短距离来确定最大和最小漏风速率。

式中：Vmax，Vmin分别为最大、最小漏风速率，m/min；L为SF6气体释放点距工作面的水平距离，m；Hd为地表SF6气体释放点的标高，m；Hj为井下SF6气体监测点的标高，m；t为SF6气体释放至终止的时间间隔，min。

2.3 SF6气体释放点布置

在不同季节对工作面地表塌陷区进行现场观察及调研，并在地表选取漏风量相对较大、与工作面连通较好的主运输巷道和回风巷道，以及由于工作面周期来压导致裂隙较大的位置作为SF6气体释放点，SF6气体释放量为32 L。由于122108工作面北邻122106工作面采空区，122106工作面采动塌陷产生的地表裂隙可能会与122108工作面贯通，所以在选择地表SF6气体释放点时应考虑122106工作面及122108工作面地表裂隙的漏风情况。在选定的释放点做好标记，并记录每个季节各释放点位置坐标。地表SF6气体释放点布置如图3所示，其中A1—A6，B1—B6，C1—C6，D1—D5分别对应冬季、春季、夏季、秋季的SF6气体释放点。

图3 SF6气体释放点布置Fig. 3 SF6 gas release point arrangement

3 结果分析

3.1 SF6气体示踪结果分析

不同季节地表和井下采空区温度变化如图4所示。可看出冬季地表和井下采空区的温差最大，地表温度为零度以下，井下采空区温度均在20 ℃以上，最大温差达37.7 ℃；夏季地表和井下采空区的温差不大，最小温差只有0.9 ℃。

图4 不同季节地表和井下采空区温度Fig. 4 Temperature of surface and underground goaf in different seasons

不同季节地表和井下采空区大气压强变化如图5所示。可看出冬季地表和井下采空区之间的气压差相较于其他3个季节较大，6个SF6气体释放点中的最大气压差为40.37 hPa；夏季地表和井下采空区之间的气压差相较于其他3个季节较小，6个SF6气体释放点中的最大气压差为22.47 hPa；春季和秋季的地表和井下采空区气压差则相差不大。

图5 不同季节地表和井下采空区大气压强Fig. 5 Pressure of surface and underground goaf in different seasons

由图4和图5可知，冬季地表和井下采空区之间的温差、气压差均比夏季大。这是由于季节更替，地表受自然环境的影响，温度和大气压强变化较大，而井下采空区属于半密闭环境，温度和大气压强变化相对较小，所以导致在不同季节地表和井下采空区的温差和气压差均存在明显差异。

通过式（1）和式（2）计算得到不同季节漏风速率，如图6所示。可看出23个SF6气体释放点中有21个SF6气体释放点检测出有漏风情况，漏风比例（存在漏风情况的释放点数量与总释放点数量的比值）高达91.3%。由于季节更替造成地表和井下采空区温差、气压差变化较大，导致漏风速率有明显不同。冬季时漏风速率普遍大于其他3个季节，最大漏风速率范围为6.017～9.683 m/min，平均最大漏风速率为8.364 m/min，最小漏风速率范围为4.301～6.871 m/min，平均最小漏风速率为5.948 m/min；夏季时漏风速率相对较小，最大漏风速率范围为5.825～8.124 m/min，平均最大漏风速率为6.918 m/min，最小漏风速率范围为4.175～5.895 m/min，平均最小漏风速率为4.966 m/min；春季与秋季时漏风速率相差不大。

图6 不同季节漏风速率Fig. 6 Air leakage rate in different seasons

不同季节平均漏风速率随SF6气体释放点距工作面距离变化如图7所示。可看出SF6气体释放点距工作面较远时，漏风速率相对较小；SF6气体释放点距工作面距离较近时，漏风速率相对较大。这是由于距工作面较远的地表裂隙由于塌陷时间较长，可能被地表砂土填埋，裂隙相对较窄，所以漏风速率相对较小；距工作面较近的地表裂隙由于塌陷区初步形成，裂隙发育条件较好，数量相对较多，所以漏风速率相对较大。