淺埋藏近距離煤層群開采漏風(fēng)規(guī)律研究

葉慶樹，胡 鑫，白 玉

（1.國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司，陜西 神木719315；2.撫順正工礦業(yè)科技裝備有限公司，遼寧 撫順113122）

國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司地跨陜、晉、蒙三省區(qū)，整體產(chǎn)能超過2 億t/a。礦區(qū)內(nèi)煤層賦存條件優(yōu)越，水文地質(zhì)簡單，煤層傾斜角度?。?°～3°），埋藏深度較淺，上層煤一般30～180 m，煤層瓦斯含量低（0～0.5 m3/t）、自燃傾向性較強(qiáng)。礦區(qū)內(nèi)各礦井主采煤層具有埋深淺、煤層間距小、煤層群賦存的典型特點。礦井的首采煤層已經(jīng)基本回采完畢，現(xiàn)已開采第2 層煤，甚至部分礦井已開采第3 層煤[1]。隨著開發(fā)的深入，區(qū)內(nèi)各礦井生產(chǎn)、通風(fēng)系統(tǒng)逐漸復(fù)雜，形成了大面積、多煤層、立體式的采空區(qū)。由于煤層埋藏淺、采高大、機(jī)械化程度高，礦井生產(chǎn)推進(jìn)度快，造成地表塌陷十分明顯，采空區(qū)形成的漏風(fēng)維度多、漏風(fēng)通道聯(lián)通復(fù)雜；加之煤層自燃傾向性強(qiáng)、自然發(fā)火期短，晝夜溫差大，采空區(qū)“呼吸”現(xiàn)象明顯，采空區(qū)煤炭自然發(fā)火風(fēng)險高、防治難度較大。其次由于煤層間距離比較小，開采下層煤時，受二次垮落的影響，漏風(fēng)通道變得復(fù)雜而無規(guī)律，給回填工作帶來了很大的困難，且上層煤開采時部分礦井采用房柱式開采，采空區(qū)內(nèi)遺煤較多；在開采的過程中除了防止開采煤層的自燃威脅外，對相鄰上覆煤層采空區(qū)自燃也是防治的重點和難點。 通過選取對神東礦區(qū)不同層間距綜采工作面進(jìn)行漏風(fēng)的觀察，找尋近距離煤層群開采時的漏風(fēng)規(guī)律，為今后采空區(qū)漏風(fēng)控制提供科學(xué)依據(jù)和有效的防范措施[2]。

1 漏風(fēng)影響因素

造成煤層群采空區(qū)漏風(fēng)的主要因素有2 個方面：一是漏風(fēng)通道，即開采時形成的溝通裂隙；二是漏風(fēng)通道兩端的漏風(fēng)壓差[3]。

1.1 構(gòu)成裂隙發(fā)育的因素

根據(jù)神東礦區(qū)目前生產(chǎn)的布局，煤層開采由上而下逐層開采或同時開采；在第1 層煤回采結(jié)束后，依次回采下分層的煤層；煤層間距離越近，形成的裂隙將更加發(fā)育且不規(guī)則，遇到上覆覆蓋層較為堅硬時，裂隙寬度會逐漸變大而寬。根據(jù)礦井通風(fēng)阻力計算公式可以得出[4]，裂隙發(fā)育程度的大小，直接影響著漏風(fēng)的風(fēng)阻大??；若工作面進(jìn)回風(fēng)側(cè)兩端的壓差保持不變的情況下，隨著地表裂隙通風(fēng)阻力的不斷減小，其漏風(fēng)量將會逐漸增大。由此可以得出，煤層間距越小，地表與采空區(qū)、鄰近層采空區(qū)漏風(fēng)增大。

1.2 礦井綜采工作面進(jìn)回間的壓差（即漏風(fēng)壓差）

由通風(fēng)阻力定律可知，綜采工作面進(jìn)回之間的壓差的大小是影響采空區(qū)地表漏風(fēng)的最重要因素，根據(jù)通風(fēng)阻力公式可知，綜采工作面采空區(qū)兩端頭的漏風(fēng)路線壓差或風(fēng)阻與采空區(qū)的漏風(fēng)量成正比關(guān)系，控制采空區(qū)漏風(fēng)路線兩端的壓差就能有效的減少采空區(qū)地表的漏風(fēng)量[5]。

礦井通風(fēng)方式的不同，對綜采工作面采空區(qū)漏風(fēng)同樣有一定的影響；礦井采用抽出式全負(fù)壓通風(fēng)時，礦井漏風(fēng)方向表現(xiàn)為由地表向井下采空區(qū)漏風(fēng)。礦井采用壓入式全正壓通風(fēng)時，礦井的漏風(fēng)方向是由井下采空區(qū)向地表漏風(fēng)。

自然風(fēng)壓對綜采工作面的漏風(fēng)有一定的影響，神東礦區(qū)位于毛烏素沙漠邊緣，晝夜溫差變化大，當(dāng)?shù)V井壓力與自然風(fēng)壓的作用相反，綜采工作面的漏風(fēng)方向根據(jù)兩者壓力的大小而定，若礦井壓力大于自然風(fēng)壓，則井下采空區(qū)向地表漏風(fēng)；若礦井壓力小于自然風(fēng)壓，則地表向礦井采空區(qū)漏風(fēng)。

2 示蹤氣體檢測原理

2.1 SF6示蹤氣體特性

六氟化硫（SF6）是一種無色、無味、無毒、無腐蝕性、不燃、不爆炸的氣體，密度是空氣的5 倍，極難溶于水，不易稀釋和擴(kuò)散，純態(tài)下很難被分解，與空氣混合后分布均勻，具有較強(qiáng)的負(fù)電性和靈敏度等特點，在空氣中含量極少。所以，SF6通常被作為一種示蹤氣體在煤礦井上、井下漏風(fēng)測定工作中得到了廣泛應(yīng)用[6]。

2.2 漏風(fēng)檢測的工作原理

SF6示蹤氣體檢測井上、下漏風(fēng)的原理是：以礦井通風(fēng)抽出式為例，在綜采工作面地表垮塌裂縫較大處選1 個點（漏風(fēng)的進(jìn)風(fēng)處），定量釋放SF6氣體[7]，在井下綜采工作面回風(fēng)巷距工作面10～15 處取樣分析，依據(jù)分析數(shù)據(jù)，判斷采空區(qū)漏風(fēng)狀況，計算出采空區(qū)漏風(fēng)量。

3 淺埋深藏近距離煤層群漏風(fēng)規(guī)律

3.1 工作面概況

石圪臺煤礦31201 工作面于2013 年8 月19 日開始生產(chǎn)，該工作面為31 煤二盤區(qū)首采面，工作面設(shè)計寬度311.4 m，推進(jìn)長度1 865 m，平均采高3.9 m，埋深108.08～147.94 m。 南側(cè)為31202 備采工作面，兩工作面間隔離煤柱寬15 m；北側(cè)為31 煤回風(fēng)大巷；切眼和回風(fēng)巷向外均為實體煤；上部為原天隆22 煤層旺采采空區(qū)，工作面布置為“品”字，設(shè)計尺寸為 采5 m 留5 m 煤柱；22 煤和31 煤層間距為30～49.1 m，平均為39 m；該工作面采用“U”型通風(fēng)，計劃風(fēng)量為1 500 m3/min。

上灣煤礦12302 工作面位于12 煤三盤區(qū)，該工作面是沿煤層傾向布置，沿走向推進(jìn)。設(shè)計寬度為287 m，推進(jìn)長度為5 009.2 m。 煤層傾角為1°～5°，煤層平均厚度4.57 m，設(shè)計采高4.5 m；上覆基巖厚度180～300 m，上部為12上煤采空區(qū)，12 煤與12上煤層間距平均16 m，可采期為13 個月，月推進(jìn)度為428 m，采用“U”型通風(fēng)方式。

3.2 漏風(fēng)測定過程

為了研究31201 和12302 工作面采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律，尋找31201 綜采工作面與22 煤旺采采空區(qū)的漏風(fēng)通道、12302 工作面與12上煤采空區(qū)的漏風(fēng)通道，通過釋放裝置在工作面地表垮塌裂縫較大處釋放一定量的SF6氣體，在工作面回風(fēng)隅角采樣分析，計算出SF6示蹤氣體滲流的速度，研究地表漏風(fēng)規(guī)律[8]。

1）石圪臺礦SF6釋放位置的選擇。石圪臺煤礦采用抽出式通風(fēng)方法，礦井的漏風(fēng)主要來源于工作面地表塌陷裂縫，故在31201 工作面上覆地表塌陷區(qū)選擇裂隙發(fā)育好、漏風(fēng)大位置作為SF6的釋放點，用GPS 定位測量，距該工作面回風(fēng)巷110 m、距切眼50 m 的地表塌陷裂縫作為釋放點，31201 工作面地表漏風(fēng)測試位置示意圖如圖1。

圖1 31201 工作面地表漏風(fēng)測試位置示意圖

2）上灣礦SF6釋放位置的選擇。上灣煤礦采用抽出式通風(fēng)方法，礦井的漏風(fēng)主要來源于工作面地表塌陷裂縫，故在12302 工作面上覆地表塌陷區(qū)選擇裂隙發(fā)育好、漏風(fēng)大位置作為SF6的釋放點，用GPS定位測量，12302 工作面輔運巷13 聯(lián)巷為SF6示蹤氣體的釋放點，上灣煤礦漏風(fēng)測定示意圖如圖2。

圖2 上灣煤礦漏風(fēng)測定示意圖

3）石圪臺煤礦采用SF6氣體瞬時釋放法，從下午13：30 開始，以5 L/min 的釋放速度，持續(xù)釋放30 min。在井下回風(fēng)隅角采用便攜式SF6氣體檢測儀檢測檢測示蹤氣體，用以驗證分析儀分析結(jié)果。地表釋放示蹤氣體10 min 之后，開始對31201 工作面回風(fēng)隅角取氣樣，每隔5 min 采集1 個氣樣，共取6 個氣樣，采樣結(jié)束后將氣樣送至地面分析室進(jìn)行分析。

4）上灣煤礦采用SF6氣體瞬時釋放法，從上午10：30，以5 L/min 的釋放速度，持續(xù)釋放30 min。在井下采樣點采用便攜式SF6氣體檢測儀檢測檢測示蹤氣體，用以驗證分析儀分析結(jié)果。地表釋放示蹤氣體10 min 之后，開始對12302 工作面回風(fēng)隅角取氣，之后每隔5 min 鐘采集1 個氣樣，共取6 個氣樣，采樣結(jié)束后將氣樣送至地面分析室進(jìn)行分析。

5）檢測結(jié)果。在13：55 時，井下31201 工作面檢測儀檢測到示蹤氣體。31201 工作面地表漏風(fēng)測定結(jié)果見表1。在上午10：45，井下12302 工作面上隅角檢測到SF6示蹤氣體，12302 工作面地表漏風(fēng)測定結(jié)果見表2。

表1 31201 工作面地表漏風(fēng)測定結(jié)果

表2 12302 工作面地表漏風(fēng)測定結(jié)果

3.3 測試結(jié)果分析

1）31201 工作面地表漏風(fēng)風(fēng)速為7.48 m/min。

2）31201 工作面采空區(qū)漏風(fēng)路線為：地表裂隙→22 煤天隆旺采采空區(qū)→31201 綜采工作面采空區(qū)。

3）12302 工作面地表漏風(fēng)風(fēng)速在26 m/min。

4）12302 工作面與地表的漏風(fēng)路線為：地表裂隙→12上煤采空區(qū)→12302 工作面采空區(qū)。

4 礦井采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律

1）綜采工作面回采后采空區(qū)塌陷形成的裂縫是井下漏風(fēng)的主要通道，同時受大氣壓和工作面的通風(fēng)方式的影響，由地表向井下采空區(qū)漏風(fēng)。

2）神東石圪臺煤礦31201 工作面煤層平均埋深為124 m，和22 煤層間距為40 m；神東上灣煤礦12302 工作面平均埋深為225 m，與12上層煤平均間距16 m。上灣煤礦12302 工作面漏風(fēng)風(fēng)速0.433 m/s，石圪臺煤礦31201 工作面漏風(fēng)風(fēng)速0.125 m/s。造成神東石圪臺煤礦31201 工作面和上灣煤礦12302 工作面漏風(fēng)的主要原因在于上、下煤層間的距離小，下部煤層二次開采后上覆巖體經(jīng)過基本頂初次來壓、周期來壓并垮落后將產(chǎn)生大量直達(dá)地面的可見裂隙，增加了地面與工作面采空區(qū)的漏風(fēng)通道，因此近距離煤層群開采時漏風(fēng)量較大，漏風(fēng)風(fēng)速較大。

5 礦井采空區(qū)漏風(fēng)控制措施

1）為平衡漏風(fēng)通道兩端風(fēng)壓差，可對工作面實行均壓措施[9]，從而降低地表和采空區(qū)的壓差，減少漏風(fēng)和采空區(qū)“呼吸”效應(yīng)，確保工作面的安全生產(chǎn)。

2）加強(qiáng)地表裂隙回填，定期安排專人負(fù)責(zé)地表裂隙的巡查及回填、封堵工作。

3）回采首層煤時采取預(yù)防性注漿措施，預(yù)防回采下一煤層時上下煤層相互溝通，形成控制漏風(fēng)通道，避免上層遺煤自燃。

4）改進(jìn)采空區(qū)注漿材料，研究選用具有保水、保漿、膨脹、阻燃材料，提高注漿的封堵漏風(fēng)、包裹遺煤效果。

5）對本采空區(qū)和上覆采空區(qū)注惰性氣體或液體，使采空區(qū)形成局部正壓，從而起到抑制地表向采空區(qū)漏風(fēng)的作用[10]。

6 結(jié) 論

1）介紹了SF6示蹤氣體測定方法，制定了31201和12302 工作面漏風(fēng)測定技術(shù)方案。

2）在31201 和12302 工作面進(jìn)行了采空區(qū)漏風(fēng)測定。31201 工作面采空區(qū)的漏風(fēng)路線為：地表裂隙→22 煤天隆旺采采空區(qū)→31201 綜采工作面采空區(qū)；12302 工作面與地表的漏風(fēng)路線為：地表裂隙→12上煤采空區(qū)→12302 工作面采空區(qū)。進(jìn)而得出漏風(fēng)規(guī)律：綜采工作面回采后采空區(qū)塌陷形成的裂縫是井下漏風(fēng)的主要通道，同時受大氣壓和工作面的通風(fēng)方式的影響，漏風(fēng)方向為由地表向井下采空區(qū)漏風(fēng)。