基于雙示蹤技術淺埋煤層采空區(qū)地表漏風規(guī)律研究

葉慶樹，戴廣龍，李 鵬，唐明云，聶士斌，宋小林

(1.神東煤炭集團有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001；3.中國礦業(yè)大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116)

導致采空區(qū)遺煤自燃的主要原因之一是采空區(qū)漏風，因此研究采空區(qū)漏風對于防治采空區(qū)遺煤自燃具有重要意義[1-4]。神東礦區(qū)多為淺埋藏、薄基巖、易自燃煤層，自然發(fā)火期短、采空區(qū)面積大，地表上的空氣通過地表裂隙源源不斷地滲入采空區(qū)，為采空區(qū)內遺煤提供氧氣，使其自燃危險性加大[5-7]。若能夠準確檢測出工作面對應地表的有效漏風范圍，就能為煤礦現(xiàn)場的裂隙填埋工作提供很好的技術支撐，這不僅能夠減少大量的人力物力，還能夠更加有效減少采空區(qū)地表漏風，從而為減少采空區(qū)遺煤自燃提供有力保障。

關于淺埋藏工作面采空區(qū)地表漏風，我國學者主要采用數值模擬和示蹤技術進行相應的研究。李宗翔等[8]以大柳塔煤礦活雞兔井21208工作面為例，建立了層面漏風的定解數學模型，在此基礎上模擬分析得到層面漏風強度主要取決于頂板斷裂帶的尺寸和地表沙土層帶的厚度和密實性；鄔劍明等[9]利用SF6瞬時釋放技術，測定了大柳塔礦活雞兔井21304工作面井上、下漏風規(guī)律，得出正壓通風下地表裂隙是采空區(qū)向地表漏風的主要通道，并測出該工作面的最大漏風帶最大寬度為230m；王建文等[10，11]利用SF6示蹤氣體測定了檸條塔煤礦N1201工作面地表漏風通道，得出采礦塌陷形成的裂隙帶是漏風的主要通道，巷道附近裂隙漏風相對較大，采空區(qū)深部漏風也比較嚴重；張海峰、霍忠鋒等[12，13]利用從地表裂隙釋放SF6氣體方法對淺埋煤層抽出式通風方式下采空區(qū)漏風進行檢測，得出采空區(qū)地表裂隙漏風風速；趙啟峰等[14]用瞬時釋放SF6的方法對平朔礦區(qū)9203工作面地表漏風進行檢測，確定了漏風通道最短距離為地表裂縫至工作面回風隅角的垂距和最低漏風風速；張建業(yè)等[15]選用SF6作為示蹤氣體，分別采用瞬時釋放和連續(xù)釋放法對7312-2回采工作面的臨近采空區(qū)漏風進行了定性和定量測定，得出7312老空區(qū)存在向試驗工作面漏風，并根據檢測時間計算出最小的漏風風速，驗證了采用示蹤技術檢測漏風的可行性；張立國[16]利用SF6示蹤氣體對補連塔煤礦22308工作面漏風進行過研究，分析影響工作面漏風主要因素，但示蹤氣體的釋放地點選擇在工作面相鄰采空區(qū)，而未對該工作面地表漏風范圍進行研究。

以上研究可以看出，眾多學者主要利用單一的SF6示蹤氣體對淺埋藏工作面采空區(qū)漏風進行研究，而且主要是靜態(tài)的測試采空區(qū)地表裂隙的漏風通道，較少采用連續(xù)測試這一動態(tài)方法測定采空區(qū)地表漏風范圍。本研究主要采用雙元示蹤技術，對補連塔煤礦22310工作面采空區(qū)地表裂隙有效漏風通道進行多次動態(tài)跟蹤測試和分析，以研究該試驗工作面采空區(qū)地表有效漏風規(guī)律。

1 工作面概況

補連塔22煤層屬于Ⅰ類易自燃煤層，自然發(fā)火期41d。22310工作面傾角1°～3°，走向長5342.2m，傾向長315.4m；地表與22煤層底板垂高平均209m；工作面采用傾斜長壁采煤法，采高6.8m，一次采全高，全部垮落法處理采空區(qū)；該工作面采用抽出式負壓通風，供風量2166m3/min，22310工作面通風是由運輸巷和輔助運輸巷進風，流經工作面后由回風巷回風。采空區(qū)漏風主要是從地表空氣通過裂隙帶和冒落帶滲入采空區(qū)，從工作面漏出。以22310工作面為例，淺埋煤層抽出式通風工作面地表漏風情況如圖1所示。

圖1 淺埋煤層抽出式通風工作面地表漏風示意圖

2 漏風范圍測定試驗

2.1 抽出式通風地表漏風范圍測試難點

若裂隙與工作面采空區(qū)相連通，則屬于有效裂隙，而與工作面采空區(qū)不連通的裂隙屬于無效裂隙。相比壓入式通風，抽出式通風的地面漏風范圍更難測試，因為在抽出式通風下，釋放地點需要設在工作面采空區(qū)對應的地表，若地表裂隙選擇不合理，容易導致試驗失敗，即在工作面根本檢測不到地面釋放的示蹤氣體。

工作面采空區(qū)對應的地表裂隙比較多，如何在工作面對應位置找出最明顯、最典型裂隙作為釋放示蹤氣體的釋放地點也是試驗的難點之一。試驗首先在開拓平面圖上確定出工作面的進風隅角和回風隅角的具體坐標，用GARMIN型導航定位儀對地表對應的工作面進、回風隅角坐標進行導航定位，以此確定工作面推進位置。然后分別在采空區(qū)地表的進風隅角和回風隅角附近，對所有比較明顯的裂隙進行編號統(tǒng)計，并記錄各條裂隙的寬度和深度，再進行綜合比較，最后分別在工作面地表進、回風側各優(yōu)選出一條典型裂隙作為釋放示蹤氣體的具體位置。

示蹤氣體的選擇是地表漏風測試試驗的又一難點，以往的采空區(qū)漏風測試試驗，均以單一SF6示蹤氣體為主，而使用單一示蹤氣體因采空區(qū)示蹤氣體殘留問題，導致試驗的周期更長，工作量更大。本次試驗研究需要對工作面采空區(qū)進風側和回風側兩個區(qū)域的漏風范圍同時檢測，故需要采用兩種示蹤氣體。本研究經過大量的氣相色譜實驗，最終優(yōu)選出SF6和CF2ClBr(1211)兩種。這兩種示蹤氣體具有熱物理化學穩(wěn)定，色譜分析精度高，能用同一色譜柱檢測分析等優(yōu)點，可大大減少工作量[17]。SF6和1211混合氣體的色譜分析圖如圖2所示。由圖2可知，SF6氣體與1211氣體的色譜峰處在空氣峰的兩側，說明當采用氣相色譜儀分析SF6與1211氣體的混合物時，完全能夠定量的分析出它們各自的氣體濃度值。

圖2 含SF6與CF2ClBr(1211)氣體譜圖

2.2 釋放地點和取樣地點的確定

為了更能準確的獲得工作面采空區(qū)對應地表的漏風范圍，本研究進行兩次動態(tài)漏風測試試驗，兩次試驗的釋放裂隙的對應位置如圖3所示。本研究進行第一次實驗時，工作面已回采至進風側的41～42聯(lián)巷之間。釋放示蹤氣體時，在進風側主要釋放SF6氣體，回風側主要釋放1211氣體。進風側SF6釋放裂隙在第1天試驗時其位置距22310工作面91.26m，回風側1211釋放裂隙位置距該工作面79.97m，當實驗進行第6天時，SF6釋放裂隙位置距工作面162.95m，1211釋放裂隙位置距工作面151.94m。進行第二次試驗時，工作面推進至進風側的39～40聯(lián)巷之間，選擇釋放SF6的裂隙位置距22310工作面5m，釋放1211的裂隙位置距該工作面67.25m，在實驗進行第6天時，SF6釋放裂隙位置距工作面75.28m，1211釋放裂隙位置距工作面137.73m。

圖3 地表釋放裂隙距工作面距離

為檢測地表有效裂隙是否與工作面聯(lián)通，地表漏風源是否通過裂隙經過采空區(qū)流入工作面，在22310工作面傾向選取了5處取樣地點，取樣地點分別為工作面距進風隅角的第50～51液壓支架處(1#取樣點，距進風巷90m)，第100～101液壓支架處(2#取樣點，距進風巷180m)，第150～151液壓支架處(3#取樣點，距進風巷270m)，上隅角風簾后(4#取樣點，距進風巷313m)和回風隅角(5#取樣點，距進風巷315m)，井下取樣地點如圖4所示。

圖4 工作面取樣地點示意圖

2.3 地表漏風范圍測定

雖然每天在同一個裂隙地點進行試驗，但是工作面的位置每天是動態(tài)變化的，所以本研究是動態(tài)試驗過程。每次動態(tài)漏風測試試驗分釋放和取樣兩組同時進行。

1)釋放過程：在22310工作面采空區(qū)地表靠近進風側和回風側處各篩選出一條固定的典型裂隙后，從兩條典型裂隙處分別釋放一定量的SF6和1211氣體，直到當天釋放的示蹤氣體在井下工作面傾向上各個取樣點未收到為止，本次動態(tài)漏風測試試驗才能結束。為了盡量減少示蹤氣體擴散至大氣中，需要把釋放口深入至裂隙深處進行釋放。釋放流量視裂隙的開度進行調整，本研究兩次試驗的釋放流量均為60mL/min，釋放持續(xù)時間為1h，釋放過程采用浮子流量計進行計量。

2)取樣過程：在工作面傾向上，每隔一定距離的液壓支架間抽取氣樣進行檢測。為避免采空區(qū)殘留的示蹤氣體對第2次示蹤氣體試驗影響，在地表漏風源釋放示蹤氣體之前取1h本底氣樣，分析本底氣樣沒有殘留示蹤氣體時，方可再次進行釋放示蹤氣體試驗。每個取樣點的取樣間隔時間為20min，連續(xù)取樣6h，取樣后將實驗氣樣用GC-4000A型氣相色譜儀進行分析。

最后，根據檢測結果，結合22310工作面在試驗期間的推進速度，綜合判定工作面采空區(qū)地表有效漏風范圍。

3 試驗結果及分析

3.1 地表有效漏風范圍

在兩次實驗結果中，所有氣樣均未分析到SF6，但是分別在2#～5#共4個取樣地點分析到了1211氣體。由于數據量較大，每個取樣地點在每天分析結果中取所有含有1211氣體的濃度平均值作為該天的1211氣體濃度，同時根據不同取樣日期，反求出釋放地點距工作面距離，得到每個取樣地點的1211氣體濃度與釋放地點距工作面距離的關系曲線，如圖5、6所示。

圖5 第1次試驗1211氣體濃度與釋放點 距工作面走向距離的關系曲線

圖6 第2次試驗1211氣體濃度與釋放點 距工作面走向距離的關系曲線

從圖5可知，第1次實驗的第1天分別在工作面的2#～5#取樣點都分析出1211氣體，但是在1#取樣點未收到1211氣體，說明在回風側釋放的1211氣體主要是經采空區(qū)漏至22310工作面的回風側。而且隨著工作面的推進，釋放地點距離工作面越遠，使得不同取樣地點的1211氣體濃度下降。當第6天進行示蹤氣體試驗時，此時地表釋放地點距工作面水平距離為151m，工作面的4個取樣地點均未分析到1211氣體，所以根據第1次實驗結果，地表有效漏風范圍沿工作面走向為0～[122m，151m)。

從圖6可知，第2次實驗的第1～5d分別在工作面的3#～5#的取樣點分析到1211氣體，說明此時地表回風側1211釋放裂隙與工作面連通；但是在1#和2#兩個取樣點未收到1211氣體，這與第1次實驗結果基本吻合，即1211氣體主要是經采空區(qū)直接漏至22310工作面的回風側。在試驗的第6d天，此時工作面距離釋放1211的裂隙水平距離為137m，3個取樣點均未分析到1211氣體，說明根據第2次試驗結果，地表有效漏風范圍沿工作面走向為0～[123m，137m)。

從以上分析可知，第1次試驗得到有效漏風范圍沿工作面走向為0～[122m，151m)，第2次試驗的有效漏風范圍沿工作面走向為0～[123m，137m)。由此可判斷22310工作面對應地表沿工作面走向的有效漏風范圍為：0～[123m，137m)。

兩次實驗都未檢測出進風側釋放的SF6氣體，僅檢測出在回風側釋放的1211氣體，由此說明抽出式通風下，地表靠近采空區(qū)進風側的漏風量小于回風側，地表漏風源主要從采空區(qū)回風側裂隙漏入采空區(qū)。這主要是因為回風側與地面之間的通風阻力最小，從能位角度分析，在工作面采空區(qū)范圍，回風隅角的能位最低，則地面與回風隅角的能位差最大，而能位差越大，越有利于漏風的產生。因此，始終未檢測出在進風側釋放的SF6氣體，僅分析出回風側釋放的1211氣體。

最后根據以上分析結果，可以得到該試驗工作面地表有效漏風分布示意圖，如圖7所示。從圖7可知，該工作面地表存在一定的漏風，地表漏風范圍主要位于工作面走向0～[123m，137m)范圍內，所以在該工作面回采過程中，應及時對該區(qū)域的地表裂隙及時回填，特別是靠近工作面回風側裂隙，應列為重點監(jiān)管對象。此外，在井下工作面區(qū)域還要加強該工作面與采空區(qū)之間的隔離，可專設擋風簾進行密封，盡可能的杜絕工作面與采空區(qū)的連通。

圖7 抽出式通風方式下的地面漏風示意圖

3.2 采空區(qū)內漏風風速計算

煤自燃危險性受多種因素影響，除了煤的種類等內在因素外，還受采空區(qū)漏風強度等多種外在因素的影響[4，18]，所以研究采空區(qū)漏風風速對采空區(qū)煤炭自燃防治具有重要作用[15]。淺埋煤層采空區(qū)漏風風速的影響因素較多，它不僅受地表與工作面的能位差和工作面通風阻力等因素的影響，還與煤層的頂底板巖性，工作面推進速度等有關。由于采空區(qū)是由頂板冒落巖石堆積而成，所以工程技術人員無法進入采空區(qū)進行測試，但可通過示蹤氣體在采空區(qū)內流動的時間和釋放與取樣地點的相對位置確定采空區(qū)內的計算漏風風速。本研究主要根據示蹤氣體試驗中1211氣體在采空區(qū)內的流動時間，并用式(1)計算地表漏風源流入采空區(qū)的漏風風速：

式中，V為計算漏風風速，m/min；L為漏風源距工作面水平距離，m；H為地表與工作面的垂直距離，根據采掘工程平面圖，取209m；t為檢測與釋放示蹤氣體的時間間隔，min。

根據式(1)，結合工作面實際的推進速度，計算出的采空區(qū)內計算漏風風速見表1。從表1可知，第1次示蹤氣體測試的計算漏風風速為2.98m/min；第2次示蹤氣體測試的計算漏風風速為3.99m/min，說明兩次的計算漏風風速不同。這是由于第1次和第2次釋放地點距工作面的距離不同，第2次釋放點距工作面水平距離更近，而采空區(qū)距工作面越近，采空區(qū)內裂隙越大，所以漏風風速也越大。

表1 采空區(qū)漏風風速計算表

4 結 論

1)利用雙示蹤技術對補連塔煤礦淺埋煤層抽出式22310工作面采空區(qū)地表漏風規(guī)律進行了動態(tài)測試和分析，該工作面對應地表存在向采空區(qū)漏風，地表有效漏風沿走向范圍為0～[123，137m)；

2)采空區(qū)對應地表有效漏風沿傾向集中在回風側，而且漏入采空區(qū)的風量主要回至工作面回風隅角附近，

3)沿采空區(qū)走向方向，地表向采空區(qū)漏風的風速不同，越靠近工作面位置，采空區(qū)內的漏風風速越大。