潞寧煤業(yè)31102工作面示蹤氣體測(cè)漏風(fēng)技術(shù)研究

張偉龍

(潞安集團(tuán) 潞寧煤業(yè)公司，山西 忻州 036000)

1 工程概況

潞寧煤業(yè)31102工作面位于礦井3號(hào)煤層膠帶下山、軌道下山和總回風(fēng)下山巷道的西南側(cè)，其頂部為22102工作面和部分22104工作面采空區(qū)；煤層最大厚度為1.8 m，最小厚度為1 m，均厚1.6 m，平均傾角13°；煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般不含夾矸；直接頂為泥巖，均厚3.3 m，基本頂為砂巖，均厚7.5 m；直接底為泥巖，均厚2 m，基本底為粉砂巖，均厚6 m；采用綜合機(jī)械化采煤工藝，工作面采用沿空留巷技術(shù)，Y型通風(fēng)，即兩條進(jìn)風(fēng)巷、一條回風(fēng)巷。為保證工作面回采過(guò)程中通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，采用示蹤氣體測(cè)量工作面漏風(fēng)情況，并用數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 示蹤氣體測(cè)漏風(fēng)原理

根據(jù)眾多礦井風(fēng)量測(cè)量的工程實(shí)踐可知，風(fēng)量的測(cè)試結(jié)果會(huì)受到風(fēng)量取樣點(diǎn)位置的影響，另外由于示蹤氣體在低風(fēng)速的巷道內(nèi)存在著混合不均勻的問(wèn)題，因此有相關(guān)學(xué)者采用恒定釋放法將示蹤氣體以穩(wěn)定的速率進(jìn)行釋放，在全區(qū)域里保持一個(gè)穩(wěn)定值[1-2]，當(dāng)該區(qū)域內(nèi)的示蹤氣體未流失的前提下，則該區(qū)域的風(fēng)量通過(guò)下式計(jì)算：

(1)

式中：Q為待測(cè)風(fēng)量，m3/min；c為示蹤氣體的濃度，m3/m3；q為示蹤氣體的持續(xù)釋放速率，m3/min。

在對(duì)示蹤氣體進(jìn)行衡量釋放時(shí)，示蹤氣體被以恒定速率放出，氣體會(huì)在動(dòng)力彌散作用下經(jīng)過(guò)一定的距離L后能夠混合均勻，在示蹤氣體的濃度達(dá)到穩(wěn)定后，將其濃度代入式(1)中能夠得出待測(cè)區(qū)域的風(fēng)量。

工作面示蹤氣體測(cè)漏風(fēng)技術(shù)的工作原理為：假設(shè)工作面采空區(qū)為一密閉空間，注入的示蹤氣體的含量較小，不計(jì)入總風(fēng)量，在工作面進(jìn)風(fēng)巷側(cè)釋放示蹤氣體q，根據(jù)工作面供風(fēng)量Q的實(shí)際情況，在一定的時(shí)間內(nèi)釋放示蹤氣體，依據(jù)采空區(qū)煤巖體為松散介質(zhì)的特征，示蹤氣體進(jìn)入采空區(qū)后以過(guò)渡流和滲流的狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)移，示蹤氣體的滲流速度與工作面風(fēng)流相比較慢，以工作面采用U型通風(fēng)為例，基于采空區(qū)內(nèi)部氣體的質(zhì)量守恒定律及連續(xù)性可知，采空區(qū)漏出的風(fēng)量Q2與采空區(qū)漏入的風(fēng)量Q1是相等的，另外采空區(qū)漏入和漏出風(fēng)會(huì)同時(shí)發(fā)生，故基于此可知：當(dāng)工作面進(jìn)風(fēng)巷釋放的示蹤氣體的濃度高于回風(fēng)巷接收到的示蹤氣體的濃度，則根據(jù)釋放與接收到示蹤氣體濃度的差值即可推算出工作面整體的漏風(fēng)量。

3 示蹤氣體測(cè)工作面漏風(fēng)方案

3.1 測(cè)試方案

1) 測(cè)試內(nèi)容。為有效分析31102工作面的漏風(fēng)分布和漏風(fēng)量的情況，采用示蹤氣體測(cè)試技術(shù)對(duì)主副進(jìn)風(fēng)巷及沿空留巷的風(fēng)量進(jìn)行測(cè)量，然后計(jì)算得出工作面的漏風(fēng)情況。

2) 測(cè)試參數(shù)設(shè)置。結(jié)合示蹤氣體測(cè)試原理，針對(duì)31102工作面主、副進(jìn)風(fēng)巷及沿空留巷確定采用恒量釋放法對(duì)示蹤氣體進(jìn)行釋放，設(shè)置釋放速度為46.574 L/min，副進(jìn)風(fēng)巷釋放速度設(shè)置8.438 L/min，沿空留巷的釋放速度設(shè)置為42.693 L/min，根據(jù)眾多工程實(shí)踐表明，在距離釋放點(diǎn)40 m以后的區(qū)域，示蹤氣體即處于穩(wěn)定峰值狀態(tài)，此階段需要的時(shí)間為37 s，傳感器的響應(yīng)時(shí)間為15 s，基于此為保證接受到完整的峰值確定進(jìn)風(fēng)巷示蹤氣體的釋放時(shí)間為90 s。

3) 測(cè)點(diǎn)布置。工作面主進(jìn)風(fēng)巷：示蹤氣體測(cè)量接收點(diǎn)C1設(shè)置在距離工作面端頭10 m的位置處，氣體的釋放點(diǎn)R1設(shè)置在距離工作面端頭50 m的位置處(見圖1)。

圖1 31102工作面示蹤測(cè)試點(diǎn)位置示意

工作面副進(jìn)風(fēng)巷：示蹤氣體測(cè)試接收點(diǎn)C2設(shè)置在距離工作面端頭10 m的位置處，釋放點(diǎn)R2布置于距離工作面端頭50 m的位置處。

工作面沿空留巷：沿空留巷柔模墻體漏風(fēng)測(cè)試的釋放地點(diǎn)布置在工作面距離上隅角40 m的位置處，示蹤氣體的接收地點(diǎn)C3布置在沿空留巷距離上隅角20 m的位置處。

4) 測(cè)試順序。在采用示蹤氣體對(duì)工作面主進(jìn)風(fēng)巷、副進(jìn)風(fēng)巷及沿空留巷內(nèi)的風(fēng)量進(jìn)行測(cè)試時(shí)，按照主進(jìn)風(fēng)巷—副進(jìn)風(fēng)巷—沿空留巷的順序依次進(jìn)行示蹤氣體的測(cè)試。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)31102工作面主進(jìn)風(fēng)巷和副進(jìn)風(fēng)巷示蹤氣體的測(cè)試結(jié)果，能夠得出示蹤氣體-時(shí)間曲線，具體31102工作面主、副進(jìn)風(fēng)巷的測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 工作面主、副進(jìn)風(fēng)巷示蹤氣體測(cè)試結(jié)果

由圖2可知，主進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)示蹤氣體檢測(cè)儀器從響應(yīng)到讀數(shù)為零共經(jīng)歷了278 s，主進(jìn)風(fēng)巷示蹤氣體的濃度峰值約為13×10-6，且示蹤氣體的峰值維持時(shí)間為48 s，根據(jù)主進(jìn)風(fēng)巷示蹤氣體的釋放速度q=46.574 L/min，c=13×10-6，代入式(1)能夠計(jì)算出工作面的進(jìn)風(fēng)風(fēng)量為3 582.6 m3/min，工作面實(shí)測(cè)的風(fēng)量為3 440 m3/min；工作面副進(jìn)風(fēng)巷示蹤氣體檢測(cè)儀器從響應(yīng)到讀數(shù)為零共經(jīng)歷了256 s，示蹤氣體的濃度峰值c=12×10-6，峰值維持時(shí)間為27 s，副進(jìn)風(fēng)巷示蹤氣體的釋放速度q=8.438 L/min，同理代入式(1)能夠計(jì)算出副進(jìn)風(fēng)巷的進(jìn)風(fēng)量為703.1 m3/min，實(shí)測(cè)的風(fēng)量為650 m3/min，據(jù)此可知使用示蹤氣體法測(cè)出的進(jìn)風(fēng)量與實(shí)際值的誤差較小。

根據(jù)工作面沿空留巷示蹤氣體的測(cè)試結(jié)果，得出示蹤氣體的濃度-時(shí)間曲線如圖3所示。

圖3 沿空留巷示蹤氣體測(cè)試結(jié)果曲線

由圖3可知，沿空留巷處示蹤氣體的濃度峰值c=11×10-6，示蹤氣體在濃度最大值處維持了約30 s的時(shí)間，結(jié)合沿空留巷示蹤氣體的釋放速度q=42.693 L/min，代入式(1)能夠計(jì)算出釋放點(diǎn)與接收點(diǎn)間的風(fēng)量為3 881.2 m3/min，沿空留巷的風(fēng)量來(lái)自工作面和副進(jìn)風(fēng)巷，根據(jù)上述示蹤氣體在主副進(jìn)風(fēng)巷的測(cè)試結(jié)果可知，副進(jìn)風(fēng)巷的進(jìn)風(fēng)量為703.1 m3/min，基于此能夠計(jì)算出沿空留巷來(lái)自工作面的風(fēng)量為3 178.1 m3/min，再根據(jù)上述測(cè)量得到的主進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)量為3 582.6 m3/min，能夠計(jì)算出工作面向采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)量為404.5 m3/min。

3.3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

為對(duì)31102工作面示蹤氣體測(cè)試漏風(fēng)情況的結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)置工作面高2 m，寬6 m，采空區(qū)的傾向長(zhǎng)度320 m，走向長(zhǎng)度200 m，高度為40 m，將工作面的下隅角設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)，將工作面膠帶和進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置為風(fēng)流速度進(jìn)口，沿空留巷出口設(shè)置為風(fēng)流出口，根據(jù)示蹤氣體的測(cè)試結(jié)果，設(shè)置主進(jìn)風(fēng)巷和副進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)量分別為3 582.6 m3/min和703.1 m3/min，對(duì)工作面采空區(qū)采用多孔介質(zhì)進(jìn)行設(shè)置[3-4]，將工作面、液壓支架及采空區(qū)的接觸部分，工作面、液壓支架與巷旁充填體、沿空留巷的接觸部分設(shè)置為內(nèi)部邊界，其它部分設(shè)置為壁面邊界，基于上述設(shè)置條件建立數(shù)值模擬模型，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出采空區(qū)的壓力分布如圖4所示。

圖4 31102工作面采空區(qū)壓力分布

由圖4可知，工作面壓力的最大值位于工作面的進(jìn)口位置處，壓力的最小值位于沿空留巷的出口位置處，從工作面的傾向上分析，能夠得出風(fēng)壓從膠帶巷一側(cè)向回風(fēng)巷一側(cè)逐漸減小，可知風(fēng)流在采空區(qū)內(nèi)部風(fēng)流的運(yùn)移方向是從工作面的下隅角向著沿空留巷的方向移動(dòng)的，這與示蹤氣體測(cè)得的三條巷道的風(fēng)量結(jié)果相吻合；從工作面走向上分析，能夠得出風(fēng)壓從工作面向采空區(qū)深部逐漸減??；針對(duì)工作面采空區(qū)裂隙帶，其在水平方向上的壓力分布基本與垮落帶相同，但是其整體壓力小于垮落帶，進(jìn)而會(huì)致使風(fēng)流從垮落帶向著裂隙帶內(nèi)移動(dòng)，隨后再流入留巷內(nèi)部。

另外根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出工作面沿空留巷一側(cè)沿程風(fēng)量的曲線如圖5所示。

圖5 沿空留巷沿程風(fēng)量曲線

由圖5可知，31102工作面沿空留巷內(nèi)的風(fēng)量出現(xiàn)緩慢增大的趨勢(shì)，沿空留巷前170 m范圍內(nèi)漏風(fēng)范圍比較均勻，在工作面后30m范圍內(nèi)漏風(fēng)量出現(xiàn)急劇增大的情況，出現(xiàn)該狀況的原因?yàn)檠乜樟粝锍隹谖恢锰帀毫μ荻仍龃螅M(jìn)而致使漏風(fēng)量增大。另外從圖中能夠看出沿空留巷出口位置處風(fēng)量為4 240 m3/min，上隅角位置處的風(fēng)量為3 799 m3/min，將二者作差能夠計(jì)算得出工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)量為441 m3/min，與示蹤氣體實(shí)測(cè)404.5 m3/min之間的誤差率為9.0%，出現(xiàn)該種誤差的原因?yàn)樵谶M(jìn)行示蹤氣體測(cè)量工作面漏風(fēng)情況時(shí)，沿空留巷前20 m的漏風(fēng)量未計(jì)入測(cè)量結(jié)果，故基于此可知示蹤氣體實(shí)測(cè)的工作面漏風(fēng)結(jié)果與數(shù)值模擬得出的漏風(fēng)結(jié)果基本保持一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

為有效掌握潞寧煤業(yè)31102工作面的漏風(fēng)情況，通過(guò)采用示蹤氣體測(cè)試，得出工作面的漏風(fēng)量為404.5 m3/min，并經(jīng)數(shù)值模擬驗(yàn)證，兩者結(jié)果基本保持一致，說(shuō)明基于示蹤氣體測(cè)量工作面漏風(fēng)量的可行性。