基于SF6連續(xù)恒量釋放法的綜放工作面漏風(fēng)測定

魏秉生

(西山煤電集團(tuán) 鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030200)

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·試驗(yàn)研究·

基于SF6連續(xù)恒量釋放法的綜放工作面漏風(fēng)測定

魏秉生

(西山煤電集團(tuán) 鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030200)

介紹了SF6示蹤技術(shù)測定漏風(fēng)的原理、儀器裝置和測量方法。通過確定SF6的釋放量，取樣點(diǎn)與SF6釋放點(diǎn)的間距，運(yùn)用SF6連續(xù)恒量釋放法對某大型煤礦8上108綜放工作面的漏風(fēng)情況進(jìn)行定量分析，得出該工作面的漏風(fēng)來源主要是采空區(qū)，漏風(fēng)量為68.47 m3/min，漏風(fēng)率為3.5%，該研究結(jié)果為采取針對性的漏風(fēng)防治措施提供理論依據(jù)。

示蹤技術(shù)；漏風(fēng)；SF6氣體；連續(xù)恒量釋放

礦井漏風(fēng)既減少了用風(fēng)地點(diǎn)的有效風(fēng)量，造成供風(fēng)不足，且連續(xù)的漏風(fēng)供氧易造成采空區(qū)、高冒落點(diǎn)和密閉等處發(fā)生煤炭自燃、有害氣體超限、瓦斯異常涌出或爆炸等事故[1]. 而綜放工作面由于頂煤冒落空間大、遺留浮煤多、冒落不嚴(yán)實(shí)，漏風(fēng)現(xiàn)象更嚴(yán)重，由漏風(fēng)造成的事故發(fā)生概率更大。因此，對綜放工作面的漏風(fēng)情況進(jìn)行有效、準(zhǔn)確的檢測，以便提出有針對性的堵漏風(fēng)措施，是保證工作面安全高效生產(chǎn)的重要手段。

漏風(fēng)的測量方法主要有風(fēng)表測量法和示蹤氣體測定法兩種，風(fēng)表測量法受巷道斷面形狀和風(fēng)表精度的影響，測量結(jié)果不準(zhǔn)確，尤其當(dāng)漏風(fēng)量小時(shí)，測量誤差較大，且采空區(qū)、密閉等處因人員不便進(jìn)入，難以用風(fēng)表測量法得到其漏風(fēng)規(guī)律；而示蹤氣體法具有簡便、靈活和易于操作等優(yōu)點(diǎn)，不僅能檢測出漏風(fēng)風(fēng)速和漏風(fēng)通道，還能精確檢測漏風(fēng)量大小，是目前生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的漏風(fēng)測量技術(shù)[2].

1 工作面概況

山西省境內(nèi)某大型煤礦年生產(chǎn)能力核定為1 000萬t/a，屬于瓦斯礦井，井田內(nèi)可采煤層共6層，主要可采煤層為7#煤層、8上煤層和8#煤層。8上108綜放工作面東鄰8上109工作面，西鄰8上106-2和8上106-4采空區(qū)及構(gòu)造保護(hù)煤柱，南鄰8上煤井田邊界構(gòu)造保護(hù)煤柱，北鄰南坪溝水源地，煤層埋藏深度165～278 m. 工作面走向長度2 150 m，傾斜長度210 m，開采煤層厚度12.58 m，煤層傾角0.5°～2.1°. 工作面采用綜采放頂煤一次采全高，機(jī)采高度4.0 m；放煤高度8.3 m，月推進(jìn)長度235 m. 工作面采用U型通風(fēng)，風(fēng)流從8上108輔運(yùn)巷流入，經(jīng)工作面由8上107膠運(yùn)巷流出。經(jīng)鑒定，該煤層具有Ⅱ級自燃傾向性，煤的自然發(fā)火期為35～55 d，煤塵爆炸指數(shù)為33.89%～45.93%，具有爆炸性。

在初期回采過程中，發(fā)現(xiàn)工作面上隅角存在瓦斯異常涌出現(xiàn)場，經(jīng)調(diào)研分析，主要是由于放頂煤周期來壓步距大，造成采空區(qū)孔隙率大，導(dǎo)致漏風(fēng)量大，將采空區(qū)內(nèi)積聚的瓦斯帶入工作面。

2 SF6示蹤氣體測定漏風(fēng)的原理與方法

2.1 測定原理

SF6是一種人工合成的無色、無味、無嗅、無毒的不可燃?xì)怏w，在常溫常壓下具有較好的穩(wěn)定性，不和與之接觸的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，是煤礦井下常用的示蹤劑[3]. 利用SF6示蹤氣體脈沖釋放法在短時(shí)間內(nèi)把示蹤氣體從進(jìn)風(fēng)口釋放到風(fēng)流中去，然后在幾個(gè)預(yù)先估計(jì)的漏風(fēng)通道出口采取氣樣，通過分析采集的氣樣中是否含有SF6以及根據(jù)到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間來確定具體漏風(fēng)通道。

根據(jù)對漏風(fēng)檢測要求的不同，采用SF6示蹤測定漏風(fēng)的方法主要有瞬時(shí)釋放、連續(xù)定量釋放和多示蹤氣體測定3類[4]. 其中，連續(xù)定量釋放法可定量檢測礦井漏風(fēng)量的大小，其基本原理是[5]：在所考查的井巷風(fēng)流中，連續(xù)定量釋放SF6示蹤氣體，之后分別在下風(fēng)流方向預(yù)定的采樣點(diǎn)采集氣樣，分析沿風(fēng)流方向SF6的濃度變化情況，如果沿途不漏風(fēng)或向外漏風(fēng)，則風(fēng)流沿途各點(diǎn)SF6濃度保持不變；如果沿途向巷道內(nèi)漏風(fēng)，則風(fēng)流沿途各點(diǎn)SF6濃度呈下降趨勢變化。通過取樣分析SF6的濃度變化，求出沿途的漏風(fēng)量，從而找出漏風(fēng)規(guī)律。

假設(shè)示蹤氣體的釋放速度為q，采樣時(shí)示蹤氣體已與空氣充分均勻混合，整個(gè)測段布置n個(gè)采樣點(diǎn)，進(jìn)風(fēng)采樣點(diǎn)i處的SF6氣體濃度為Ci，下風(fēng)向采樣點(diǎn)i+1處的SF6氣體濃度為Ci+1，由質(zhì)量守恒定律知，q=Ci·Qi=Ci+1·Qi+1，則漏風(fēng)量ΔQi,i+1為：

(1)

式中：

q—SF6釋放量，L/min；

ΔQi,i+1—測點(diǎn)i、i+1間的漏風(fēng)體積流量，m3/min;

Ci—進(jìn)風(fēng)巷SF6氣體濃度，×10-6;

Ci+1—回風(fēng)巷SF6氣體濃度，×10-6.

由式(1)可求得各分測段的漏風(fēng)量，則可累積得到整個(gè)測量段的漏風(fēng)量ΔQ：

(2)

由于工作面濕度大、溫度高，流經(jīng)工作面的新鮮風(fēng)流的溫度、壓力等物理參數(shù)勢必會(huì)發(fā)生變化，若各采樣點(diǎn)的大氣參數(shù)變化較大時(shí)，可用下式對風(fēng)量進(jìn)行校正：

(3)

式中：

Pi、Pi+1—分別為采樣點(diǎn)i、i+1處的絕對壓力，Pa;

Ti、Ti+1—分別為采樣點(diǎn)i、i+1處的絕對溫度，K.

則：漏風(fēng)率K為：

(4)

2.2 釋放裝置及測定儀器

工作面采空區(qū)漏風(fēng)量測定采用SF6連續(xù)釋放系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較高的氣密性，主要由鋼瓶、減壓閥、穩(wěn)流閥、穩(wěn)壓閥和流量計(jì)組成，見圖1. 系統(tǒng)經(jīng)二級穩(wěn)壓、一級穩(wěn)流，可以連續(xù)定量的釋放SF6氣體，實(shí)際應(yīng)用過程中，可以將穩(wěn)壓閥和流量計(jì)之間的連接銅管壓扁以增加氣體流動(dòng)阻力，進(jìn)一步提高氣體釋放的穩(wěn)定性。為了能準(zhǔn)確把握采樣點(diǎn)開始采樣的時(shí)間，避免盲目采樣而造成的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，在本次現(xiàn)場實(shí)測過程中，事先在最末端的采樣點(diǎn)附近放置一臺(tái)XP-1A型SF6定量檢漏儀，用來檢測風(fēng)流中是否含有SF6示蹤氣體，當(dāng)檢漏儀檢測到示蹤氣體發(fā)出穩(wěn)定的報(bào)警聲，即可開始對各采樣點(diǎn)進(jìn)行氣體采集。

1—?dú)怏w鋼瓶 2—減壓閥 3—穩(wěn)壓閥 4—穩(wěn)流閥 5—流量計(jì)圖1 SF6連續(xù)釋放系統(tǒng)示意圖

2.3SF6釋放量的選取

SF6的釋放量取決于巷道風(fēng)量及分析儀器的最小檢測濃度，其流量可用下式估算：

q=kCQ

(5)

式中：

k—誤差系數(shù)，取4～5；

C—預(yù)計(jì)風(fēng)流中最小的SF6濃度，取10-8；

Q—巷道風(fēng)量，m3/min.

經(jīng)測量，8上108輔運(yùn)巷巷道斷面積為18.42m2，風(fēng)速在1.73m/s左右，計(jì)算得巷道風(fēng)量約為1 910m3/min，將這些參數(shù)代入公式(5)，得出SF6釋放量為72～90mL/min，為了便于計(jì)算，本次測試中SF6釋放量取100mL/min.

2.4 取樣點(diǎn)與SF6釋放點(diǎn)間距的確定

取樣點(diǎn)與SF6釋放點(diǎn)以及取樣點(diǎn)與取樣點(diǎn)的間距根據(jù)下式來計(jì)算[6]：

L≥32S/U

(6)

式中：

S—巷道斷面積，m2；

U—巷道周界長度，m.

工作面斷面積為18.36 m2，周界長為17.6 m. 經(jīng)計(jì)算，工作面測量漏風(fēng)的間距不低于32.9 m，取40 m.

3 8上108綜放工作面漏風(fēng)檢測分析

3.1 測點(diǎn)布置

漏風(fēng)檢測過程中的示蹤氣體釋放點(diǎn)和采樣點(diǎn)布置情況見圖2. 其中，工作面處的示蹤氣體釋放位置距入風(fēng)口30 m，每間隔40 m布置一采樣點(diǎn)，共5個(gè)采樣點(diǎn)，依次標(biāo)號(hào)為1#～5#，當(dāng)事先放置在5#采樣點(diǎn)附近的檢漏儀檢測到穩(wěn)定濃度的SF6氣體，開始依次對采樣點(diǎn)進(jìn)行取樣，并對取樣氣帶做好標(biāo)記，每個(gè)采樣點(diǎn)取3次樣，取樣間隔時(shí)間為5 min，由于工作面斷面積較大，每個(gè)采樣點(diǎn)在巷道斷面左、中、右3處分別取樣，以其平均值作為一次取樣的SF6濃度值。

3.2 檢測結(jié)果與分析

通過對工作面不同時(shí)間點(diǎn)的SF6的采樣分析，得出測點(diǎn)分析結(jié)果見表1. 在不考慮入風(fēng)流經(jīng)過工作面時(shí)的遇熱膨脹作用，工作面的漏風(fēng)量為：

(7)

圖2 釋放點(diǎn)與采樣點(diǎn)布置圖

實(shí)測過程中，工作面瓦斯涌出量為8.05 m3/min，工作面入風(fēng)側(cè)溫度為18 ℃，回風(fēng)側(cè)溫度為20 ℃，則入風(fēng)流1 935.35 m3/min經(jīng)工作面后體積膨脹至為1 947.78 m3/min. 因此，采空區(qū)向工作面實(shí)際漏入風(fēng)量為：

ΔQ實(shí)= 88.94-8.04-(1 947.78-1 935.35)=

68.47 m3/min

(8)

進(jìn)而可知，漏風(fēng)率：

(9)

表1 本工作面采空區(qū)SF6氣體漏風(fēng)測定數(shù)據(jù)表

4 結(jié) 語

1) 利用SF6連續(xù)恒量釋放法可定量測定、分析工作面漏風(fēng)情況，操作簡單，檢測精度高，值得推廣應(yīng)用。

2) 通過對8上108綜放工作面進(jìn)行漏風(fēng)測試，得出該工作面的漏風(fēng)來源主要是采空區(qū)，漏風(fēng)量為68.47 m3/min，漏風(fēng)率為3.5%.

3) 針對該工作面采空區(qū)漏風(fēng)情況，可通過在采空區(qū)“兩道”側(cè)構(gòu)筑隔離墻、灌漿封堵裂隙等措施來減少漏風(fēng)。

[1] 于樹江,楊成軼,徐紀(jì)元.SF6連續(xù)恒量釋放法在礦井巷道漏風(fēng)監(jiān)測中的應(yīng)用[J].科技導(dǎo)報(bào),2014,32(15):58-61.

[2] 劉國忠,李國華,王正輝,等.SF6示蹤氣體連續(xù)釋放法在采空區(qū)漏風(fēng)檢測中的應(yīng)用[J].煤礦安全,2011,42(9):114-147.

[3] 王輝躍.基于SF6示蹤氣體檢測綜放工作面周邊漏風(fēng)通道技術(shù)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2014,41(3):92-95.

[4] 王永安.示蹤技術(shù)在哈拉溝礦漏風(fēng)檢測中的應(yīng)用[J].煤,2008,17(7):91-93.

[5] 李迎春,楊勝強(qiáng),張 帥.基于示蹤氣體采空區(qū)漏風(fēng)通道定性識(shí)別[J].煤礦安全,2013,44(1):185-188.

[6] 何俊忠,楊宏偉.SF6示蹤氣體在采空區(qū)漏風(fēng)量測定及注氮優(yōu)化中的應(yīng)用[J].煤礦安全,2012(S1):119-121.

Measurement of Air Leakage in Fully Mechanized Caving Face with Method of Continuous Quantitative Releasing SF6

WEI Bingsheng

Introduces the principle, instrument and measuring method of air leakage by SF6tracing technique. The air leakage was analyzed quantitatively in 8上108 fully mechanized caving face with the method of continuous and constant quantitative releasing of SF6, of sampling points and its space between each point, the results provide a theoretical basis for taking targeted measures to prevent and control air leakage.

Tracer technique; Air leakage; SF6 gas; Continuous and constant quantitative releasing

2017-02-27

魏秉生(1976—)，男，山西汾陽人，2014年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦井下通風(fēng)安全技術(shù)管理工作

(E-mail)604990911@qq.com

TD728

B

1672-0652(2017)04-0004-03