基于能位測定與SF6示蹤氣體聯(lián)合檢測復雜采空區(qū)漏風

朱建芳，許育銘，郭文杰，段嘉敏

(1.河北省礦井災害防治重點實驗室，北京 東燕郊 101601；2.華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 101601)

基于能位測定與SF6示蹤氣體聯(lián)合檢測復雜采空區(qū)漏風

朱建芳1,2，許育銘1,2，郭文杰1,2，段嘉敏1,2

(1.河北省礦井災害防治重點實驗室，北京 東燕郊 101601；2.華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 101601)

針對煤礦井下采空區(qū)的復雜漏風關系，應用能位測定法與示蹤檢測技術聯(lián)合檢測了孔莊煤礦井下采空區(qū)的漏風情況。通過測試計算相對總壓值得出工作面采空區(qū)周圍巷道漏風源和漏風匯之間的能位關系，進而定性確定了孔莊煤礦7353E8353W工作面采空區(qū)存在的可能漏風路徑。在此基礎上，利用瞬時釋放示蹤氣體法確定了孔莊煤礦7353E8353W工作面采空區(qū)的漏風方向和漏風速度。

能位測定；示蹤氣體；采空區(qū)；漏風

0 引言

煤礦井下巷道和作業(yè)場所與老空區(qū)之間存在錯綜復雜的關系，采空區(qū)漏風是煤礦安全生產的重大隱患之一。由于漏風可造成采空區(qū)煤炭自燃、引起有害氣體侵入作業(yè)場所、造成礦井有效風量不足等重大隱患。因此，有效檢測采空區(qū)的漏風分布，以便有針對性的采取措施，消除漏風或將漏風控制在易自燃風速之外，是防止采空區(qū)煤炭自燃的重要手段[1-4]。

國內外關于礦井漏風檢測技術的研究有許多，示蹤氣體檢測法作為一種成熟可靠的技術在國內外得到長期而廣發(fā)的應用，并有著豐富的適用經驗[5]。能位測定技術可在檢測井巷風流能位關系的同時，為示蹤技術提供信息，增加漏風檢測效果[6]。任何一個采空區(qū)都存在“多源多匯”的漏風關系，能位測定與示蹤氣體檢測法的結合可以更有效、更快速地檢測復雜采空區(qū)的漏風通道，得出其漏風方向，并計算漏風風速和漏風量[7]。本文通過能位測定與示蹤氣體檢測法結合的方法對孔莊煤孔7353E8353W工作面采空區(qū)的漏風地點及漏風風速進行了檢測，為有效開展全面、有效的防滅火技術措施提供了基礎。

1 工作面概況

如圖1所示，為孔莊煤礦7353E8353W工作面周圍巷道布置示意圖。8353E7353W工作面為7#、8#煤聯(lián)合開采，上部有7351采空區(qū)，內有7353補運輸回風巷和7351放水巷，8353E7353W材料道有一條聯(lián)絡巷與7351采空區(qū)相連，受7351采空區(qū)影響。頂板不易支護易破碎，由于工作面煤層構造較發(fā)育，斷層多，傾角大，回采過程中破碎煤體發(fā)生氧化及回采期間頂板跨落之后，7351采空區(qū)煤柱跨落，易于造成7351采空區(qū)內遺煤自燃。工作面巷道附近有10多個密閉，掌握工作面采空區(qū)周圍巷道漏風源和漏風匯之間的能位關系，為采用示蹤氣體檢測工作面漏風提供前期準備，也為采空區(qū)漏風的理論分析提供了基礎。

圖1 檢測區(qū)周圍巷道及測點布置示意圖

2 漏風區(qū)域能位測定與分析

2.1 測點布置

對孔莊煤礦7353E8353W工作面采空區(qū)進行了阻力測定。測定過程中，1臺氣壓計放置在地面通風科辦公室作為基準點，另1臺氣壓計沿測定線路逐步測定風流的靜壓，測點布置如圖1所示，測點參數數據如表1所示。

7353E8353W工作面通風系統(tǒng)：

① 新風流向：地面→主、副井→軌道暗斜井→III3軌道下山→III3三甩道→8353E7353W溜子道(皮帶機巷)→8353E7353W工作面。

② 乏風流向：8353E7353W工作面→8353E7353W材料道→III3人行下山→II3人行下山→II3集中回風巷→-160總回風巷→東風井→地面。

表1 測點參數情況

2.2 測定結果及分析

測得數據如表2～表3所示。

表2 基點大氣壓力測定數據記錄

表3 測點通風阻力原始記錄表

(1) 主要計算公式

① 空氣密度

(1)

式中：P—大氣壓力，kPa；T—空氣絕對溫度，K；φ—空氣相對濕度；Psat—飽和水蒸汽壓，kPa。

② 兩點間的通風阻力

氣壓計法，沿風流方向1、2兩測點間通風阻力，可用下式計算：

hR12=Pb1-Pb2+(Pa2-Pa1)+

(2)

式中：Pb1、Pb2—分別為測定儀器在1、2測點的讀數，Pa；Pa1、Pa2—測定儀器在1、2測點測定時基點儀器相應的讀數，Pa；ρ1、ρ2—分別為1、2兩測點的空氣密度，kg/m3；V1、V2—分別為1、2兩測點的風速，m/s；g—重力加速度，m/s2；Z12—1、2測點間的標高差，m；

(2) 數據結果整理與分析

根據所測試的數據，采用上述計算公式，就算出各地的相對能位如表4和圖2所示。結合測點布置情況圖1，可以看出，如果僅考慮工作面軌道順槽是采空區(qū)漏風的主源，工作面上隅角是采空區(qū)漏風的主匯，那么采空區(qū)的漏風壓力即為綜放工作面壓能132.2Pa；而且，9、10、11各個測點所在的密閉，與7351采空區(qū)相鄰，均是危險漏風源，尤其是隨著工作面推進，在密閉點巷道與綜采工作面臨近、相聯(lián)通期間，必須密切監(jiān)測工作面上下隅角、各密閉前后溫度、指標氣體濃度，及時采取有效措施，避免火災事故的發(fā)生。

圖2 各測點相對能位柱形圖

測點測段阻力(pa)測點相對能位(Pa)11052.250.002421.30-421.00331.40-452.70687.70-539.707132.20-671.90957.00-728.9010121.70-850.601114.60-865.201264.30-929.501413.50-943.0016286.00-1229.00

3 SF6示蹤技術檢測漏風

3.1 SF6示蹤技術原理

SF6擁有無色、無嗅、無毒、不易燃燒、不溶于水、無沉淀、不凝結等特點，且大氣環(huán)境中本底值低，檢出靈敏度高[8]。利用瞬時釋放法在漏風源處快速釋放定量的SF6氣體，并在漏風匯出每隔5～20 min取樣檢測，分析采集的氣樣中是否含有SF6來確定是否存在漏風通道，并根據測出含有SF6的時間差計算漏風風速。計算公式如下：

V=L/t

(3)

式中：V—漏風風速；L—漏風距離；t—從漏風源到漏風匯的漏風時間。

SF6釋放量不易過多也不易過少。過多，將污染井下環(huán)境，提高井下空氣的本底濃度，導致長時間內不能充分排凈所釋放的SF6，使得在很長一段時間內無法在進行檢測；過少，可能致使檢測不到SF6。SF6釋放量按下式進行估算：

(4)

式中：Qs—SF6釋放量，L；K—單位換算系數，等于1000 L/m3；Ca—露頭內SF6的平均濃度，取5×10-8；T—從釋放SF6開始到某一預定時間為止的累計時間，min；Q—每個漏風通道的漏風量，m3/min，采空區(qū)內一般取0.2～0.5 m3/min；n—漏風通道個數。

根據質量守恒定律，若在某一巷道上風流釋放一定質量的失蹤氣體，在下風流檢測點能檢測到等質量氣體。假定漏風速度恒定，示蹤氣體密度D為常量，SF6質量計算公式如下：

(5)

式中：M—SF6釋放總量，mg；Q—檢測點處風量，m3/min；D—SF6氣體密度，mg/m3；C(t)—檢測點SF6氣體濃度，%。

3.2 SF6示蹤探測方案

測定過程中，SF6示蹤氣體的瞬時釋放量為1～2 l/min，穩(wěn)定釋放量為10 ～100 ml/min；SF6示蹤氣體定性檢測儀器為5750A型SF6檢漏儀(美)；SF6氣體總量為10 kg(純度99.999%)。

(1) 在上順槽距8353E7353W工作面進風口采空區(qū)20 m處用氣囊釋放SF6氣體；在采樣點插入鋼管用密閉針桶進行取樣。

(2) 開始布置取樣點前工作人員核對自己的表，以確保同時取樣的準確性；

(3) 沿風流方向設6個取樣點，每隔30 m一個(以支架為基準，每隔12個支架采一組樣)，取樣點派一個人取樣，取樣儀器為20 mL醫(yī)用注射器7支(其中一支為備用品)；

(4) 首先定好時間釋放SF6氣體，釋放5 min后，其他各采樣點開始采樣，每隔5 min采樣一次，每個取樣點采樣6次；

(5) 每次采樣后用橡皮泥封住針管口，再將我們特制的密封針管套套在針管口；

(6) 將收集完畢后的針桶送地面保存以備進行SF6氣體濃度測定。

具體釋放點和采樣點布置如圖3所示。

圖3 SF6釋放點取樣點布置

3.3 測定結果及其分析

從42個氣樣(20 mL/針桶)中取出一部分(15 mL/針桶)，采用5750A型六氟化硫氣體檢漏儀(美)對每個樣本進行定性分析，氣樣中SF6的百分含量均在10-6以下(5750A型六氟化硫氣體檢漏儀的最低檢測百分濃度為10-6)。

表5 瞬時釋放法測定沿采空區(qū)漏風分布數據

分析檢測結果，得到如下結論：

(1) 各采樣點SF6濃度除第一點外均存在峰值，釋放的SF6約在20～30 min達到工作面上隅角，即穿越采空區(qū)。在距離釋放點20 m的第一個采樣點處，各個時間段均未收集到SF6氣體，可能是第一個采樣點距離釋放源較近，在開始采樣時所釋放的SF6氣體已經通過這一地點并完全擴散掉了，分布在采樣點附近的SF6濃度太低，以至于氣相色譜儀的精度不足以檢測到它的存在。

(2) 第二個采樣點在5 min時已經檢測到SF6的存在，但是濃度不高，估計這是SF6的釋放峰值點尚未通過這一點，這一采樣點在10 min時達到峰值也證明了以上的論斷，當然還不能據此說明SF6就是在釋放后10 min到達第二采樣點，但是可以說明SF6達到第二采樣點的時間是5～15 min這一區(qū)間，在20 min時沒有檢測到SF6存在，說明SF6峰值階段已經通過，對比其他采點的峰值可知第二采點的SF6濃度峰值偏低，這就可以推斷出在10 min時SF6的峰值點尚未通過第二采樣點，它的峰值到達時間為5～10 min這個區(qū)間。

(3) 同理我們可以推斷第三、四、五的峰值區(qū)間分別為10～15 min、15～20 min、20～25 min。對于最后一個采樣點，由表5可以看到峰值偏低，而且在30-35 min這一區(qū)間內SF6濃度為0，這說明在30 min以后氣樣已經通過這一點并擴散了，所以對比其他采樣點峰值，這一點的峰值通過時間大概為20～25 min。

經過分析計算，得到表6所示的參數結果。

表2-6 采空區(qū)漏風分布測定結果匯總

由上表可以看出SF6峰值隨時間逐漸推移，經25 min左右漏出采空區(qū)；沿切眼方向橫向漏風量不存在或者輕微的。綜上所述，漏風風流從源至匯經歷的時間為20～25 min，漏風風速約為4.37～5.34 m/min；沿著工作面切眼方向是不存在漏風或者是極為輕微的。

4 結論

(1) 對8353E/7353W綜放工作面周圍巷道進行了漏風測定，通過分析，認為工作面軌道順槽是采空區(qū)漏風的主源，上隅角是采空區(qū)漏風的主匯，9、10、11各個測點所在的密閉，與7351采空區(qū)相鄰，均是危險漏風源。通過確定主要漏風地點，為有效開展全面、有效的防滅火技術措施提供了基礎。

(2) 在煤礦生產實踐中，應用能位測定與示蹤氣體聯(lián)合檢測復雜采空區(qū)漏風，是一項非常行之有效的檢測技術。根據現場實際的需要和目的，布置測點和多處取樣點，這樣可以從定性和定量兩方面比較準確確定采空區(qū)漏風通道之間的關系，提高復雜采空區(qū)漏風檢測的科學性和準確性。

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Using Potential Energy Measurement and SF6 Tracer Gas to Detect Air Leakage in Complicated Goaf

ZHU Jian-fang1,2,XU Yu-ming1,2,GUO Wen-jie1,2,DUAN Jia-min1,2

(1.HebeiProvincialKeyLab.ofMineDisasterPreventionandControl,Yanjiao,101601，China; 2SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,china)

In view of the complex air leakage relationship of coal mine goaf,combining tracer detection technology and energy measurement,the air leakage of Kongzhuang coal mine goaf.By calculating the relative total pressure,the energy relationship between air leakage origin and air leakage paths around the working face roaelway is obtained.On this basis,using the method of instantaneous release of tracer gas,the direction and speed of air leakage around 7353E8353W working face goaf in Kongzhuang Coal Mine is determined.

energy measurement; tracer gas; goaf; air leakage

2016-05-12

中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助(3142015074，3142014124)

朱建芳(1971-)，男，河北永年人,博士，華北科技學院安全工程學院教授，現從事自然發(fā)火、瓦斯防治等方面的研究。E-mail：bj_zjf@126.com

TD728

A

1672-7169(2016)04-0030-05