基于通風(fēng)能位測(cè)定的封閉采空區(qū)漏風(fēng)通道識(shí)別方法及應(yīng)用*

馬 旭 , 余 陶 , 張連鋒 , 劉建忠

（1. 兗州煤業(yè)有限公司南屯煤礦，山東 鄒城 273500；2. 安徽建筑大學(xué)安全工程系，安徽 合肥 ，230022）

0 引 言

煤層開采后形成的封閉采空區(qū)“看不見”、“摸不著”，屬于礦井通風(fēng)系統(tǒng)的一部分，與周邊風(fēng)流存在交換通道。由于采掘擾動(dòng)和通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流變化，往往形成較為穩(wěn)定的漏風(fēng)通道，此類漏風(fēng)長(zhǎng)期發(fā)展，極易誘發(fā)封閉采空區(qū)遺煤自燃[1-2]。特別是邊角煤開采回收的資源緊張礦井，各采區(qū)的封閉采空區(qū)連成一片，遺煤多，漏風(fēng)通道多，自燃風(fēng)險(xiǎn)十分嚴(yán)峻。在瓦斯礦井，漏風(fēng)誘發(fā)的煤自燃，已成為礦井瓦斯爆炸重特大事故的新根源[3-4]。如2013 年3.29 吉林八寶煤礦瓦斯爆炸事故，漏風(fēng)誘發(fā)的煤自燃多次引起瓦斯爆炸，傷亡十分慘重。然而現(xiàn)有的CO 監(jiān)測(cè)手段，因?yàn)槁╋L(fēng)通道不明，無(wú)法掌握產(chǎn)生CO 的高溫原點(diǎn)或CO 隨漏風(fēng)遷移到其他區(qū)域，觀測(cè)點(diǎn)無(wú)法獲取封閉采空區(qū)的真實(shí)情況，此類問(wèn)題常使現(xiàn)場(chǎng)防火工作無(wú)所適從。SF6 常被用于尋找漏風(fēng)通道，但現(xiàn)場(chǎng)操作諸多不便，如需要接收氣體的端頭多，氣體運(yùn)移時(shí)間不定，都為準(zhǔn)確識(shí)別漏風(fēng)通道帶來(lái)困難[4.-5]。因此，有必要研究一種簡(jiǎn)單有效的方法，識(shí)別封閉采空區(qū)與周邊通風(fēng)系統(tǒng)的漏風(fēng)通道，掌握整體漏風(fēng)趨勢(shì)。本文研究了一種基于通風(fēng)能位測(cè)定的封閉采空區(qū)漏風(fēng)通道識(shí)別方法，并成功應(yīng)用于南屯煤礦3304 工作面停采線封閉區(qū)，對(duì)推進(jìn)煤自燃防治的精準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)工作面安全高效開采，具有十分重要的意義。

1 通風(fēng)能位測(cè)定技術(shù)

1.1 能位測(cè)定原理

礦井通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)流流動(dòng)的源動(dòng)力是能位差，風(fēng)流總是從能位高的地方流向能位低的地方，其中的能量消耗主要是通風(fēng)阻力的作用。主通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生通風(fēng)動(dòng)力對(duì)空氣做功，形成能位差，保證空氣連續(xù)不斷地流動(dòng)。因此，通過(guò)能位測(cè)定，定量確定其數(shù)值，可作為識(shí)別漏風(fēng)通道及趨勢(shì)的依據(jù)。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，兩點(diǎn)之間能位差可由兩點(diǎn)間的能量相減獲得，依據(jù)能量守恒的Bernoulli 方程可知，井下通風(fēng)系統(tǒng)能位差可按（1）式計(jì)算[7]：

式中：Pb1、Pb2分別為 1、2 測(cè)點(diǎn)的靜壓，Pa；Pa1、Pa2分別為測(cè)定期間固定基點(diǎn)的靜壓，Pa；ρ1、ρ2分別為 1、2兩測(cè)點(diǎn)的空氣密度，kg/m3；V1、V2分別為 1、2 兩測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速，m/s；g 重力加速度，m/s2；Z12分別 1、2 測(cè)點(diǎn)間的標(biāo)高差，m；ρm121、2 兩測(cè)點(diǎn)間的空氣平均密度，kg/m3。

其中空氣密度可按（2）式計(jì)算

式中： P 為測(cè)得的大氣壓力，kPa；T 為空氣絕對(duì)溫度，K；Φ 為空氣相對(duì)濕度；Psat為飽和水蒸汽壓，kPa。

方程（1）各項(xiàng)的物理意義為：Pb1- Pb2表示兩測(cè)點(diǎn)之間的靜壓差；Pa2- Pa1表示測(cè)定時(shí)期的大氣壓的變化；兩測(cè)點(diǎn)之間的位壓差。

1.2 能位測(cè)定步驟

測(cè)定能位差測(cè)量時(shí)使用兩臺(tái)精密氣壓計(jì)，一臺(tái)放在基點(diǎn)不動(dòng)，每隔一定時(shí)間讀一次大氣壓力值，記下讀值時(shí)間；另一臺(tái)儀器從基點(diǎn)開始，沿預(yù)先選定的測(cè)定路線逐點(diǎn)測(cè)量各點(diǎn)風(fēng)流的靜壓，并記下測(cè)定時(shí)間。同時(shí)用測(cè)量各測(cè)點(diǎn)斷面上的平均風(fēng)速，干濕球溫度，以及標(biāo)高。固定在基點(diǎn)的儀器用于觀測(cè)大氣壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，以便校正大氣壓力變化對(duì)另一臺(tái)儀器測(cè)量數(shù)值的影響。測(cè)定時(shí)首先設(shè)置初始點(diǎn)為基點(diǎn)，那么測(cè)定路線上各點(diǎn)與基點(diǎn)的能量差，反映了所測(cè)路線的能位分布。

2 漏風(fēng)通道識(shí)別方法

封閉采空區(qū)是一個(gè)獨(dú)立的小環(huán)境，它與周邊通風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)一些節(jié)點(diǎn)相聯(lián)，形成自身小環(huán)境與大通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流交換，這些節(jié)點(diǎn)是研究漏風(fēng)通道和漏風(fēng)趨勢(shì)的關(guān)鍵。常見的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)主要為采空區(qū)封閉墻和采空區(qū)與周邊巷道的圍巖裂隙，前者的識(shí)別較為簡(jiǎn)單，其核心在于掌握封閉墻的漏風(fēng)趨勢(shì)，可以通過(guò)觀測(cè)孔測(cè)量封閉墻內(nèi)外壓差，判別風(fēng)流的流入流出狀態(tài)及壓差大??；后者的識(shí)別較為復(fù)雜，受巷道圍巖變形和通風(fēng)系統(tǒng)能位差綜合影響，因此需要結(jié)合能位測(cè)定綜合判斷。

風(fēng)流流動(dòng)趨勢(shì)是從能位高的點(diǎn)流向能位低的點(diǎn)，一般能位差越大，漏風(fēng)可能性越大。漏風(fēng)通道識(shí)別時(shí)，首先要掌握封閉采空區(qū)周邊通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流流動(dòng)情況，選擇主要風(fēng)流流動(dòng)路線上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)，依次測(cè)定通風(fēng)能位，畫出能位差分布圖，從封閉墻漏風(fēng)狀態(tài)和壓差以及能位差較大點(diǎn)的圍巖狀態(tài)，綜合識(shí)別漏風(fēng)通道和漏風(fēng)趨勢(shì)。

3 漏風(fēng)通道識(shí)別應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)工作面采空區(qū)概況

南屯煤礦3304 工作面位于三采區(qū)南部，周邊相鄰3302 工作面采空區(qū)與3306 工作面（未采），工作面停采線運(yùn)順側(cè)位于3 煤軌道巷巷中以西50m（沿順槽方向），軌順側(cè)較運(yùn)順側(cè)向東調(diào)斜30m。工作面軌順長(zhǎng)944.5m、運(yùn)順長(zhǎng)929.5m，傾斜方向最大寬度254.3m。工作面回采3 煤層。3 煤層厚 8.1～8.73m，平均8.40m，分層開采。

3304 工作面回采后，為方便3306 工作面接續(xù)，特將支架臨時(shí)封閉在3304 工作面停采線內(nèi)。在3304 軌順進(jìn)風(fēng)隅角開始，依次沿傾向向下的121 架、90 架、63架、45 架、3304 運(yùn)順回風(fēng)隅角布置束管，取樣監(jiān)測(cè)CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、O2、N2等氣體濃度。并在3304 軌順?lè)忾]墻布置一路注氮管路，注氮量約為10m3/min。自6 月6 日開始監(jiān)測(cè)，至今3304 運(yùn)順回風(fēng)隅角O2取樣濃度未能低于10%，其余各處O2濃度自漏風(fēng)流方向（即304 軌順進(jìn)風(fēng)隅角→121 架→90 架→63 架→45 架）逐漸降低14%～12%，由于3 煤為易自燃煤層，存在一定的煤自燃風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 封閉采空區(qū)能位測(cè)定

該區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，封閉墻多，3304 工作面回采結(jié)束后尚未完全壓實(shí)，存在可能的漏風(fēng)通道。普遍認(rèn)為漏風(fēng)流由3304 軌順?lè)忾]墻進(jìn)入，從3304 運(yùn)順?lè)忾]墻流出，但O2濃度一直未能有效降低。因而須對(duì)此處通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行能位測(cè)定，掌握真實(shí)漏風(fēng)趨勢(shì)，為防治自然發(fā)火奠定基礎(chǔ)。將局部通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化后如圖1所示。

依據(jù)3304 封閉墻周邊通風(fēng)系統(tǒng)，制定能位測(cè)定測(cè)點(diǎn)布置如圖1 所示，風(fēng)流形成3 條路線如下：1，- 260 大巷單軌吊四岔口西→2，3302 運(yùn)順聯(lián)巷→3，3304 軌順?lè)忾]墻→4，- 300 軌回通道；1，- 260 大巷單軌吊四岔口西→2，3302 運(yùn)順聯(lián)巷→5，3304 運(yùn)順?lè)忾]墻→6，三采東區(qū)橫貫東；1，- 260 大巷單軌吊四岔口西→7，七采西部皮帶機(jī)巷3302 停采線下。

圖1 3304 停采線封閉區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)能位測(cè)定圖

3.3 封閉采空區(qū)漏風(fēng)識(shí)別

1）風(fēng)流流動(dòng)分析。由測(cè)定結(jié)果可知，軌順?lè)忾]墻外側(cè)能位高于運(yùn)輸封閉墻外側(cè)能位約19.3Pa，即推知封閉區(qū)域內(nèi)應(yīng)由軌順流向運(yùn)順?lè)较?；七采西部皮帶機(jī)巷3302 停采線下與軌順?lè)忾]墻外側(cè)能位基本近似，即此處向軌順?lè)忾]墻內(nèi)漏風(fēng)有一定可能性。

圖2 各路線相對(duì)能位分布圖

表1 封閉墻壓差測(cè)定

2）封閉墻漏風(fēng)分析。測(cè)定了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處封閉墻壓差及漏風(fēng)狀態(tài)，如表1 所示。分析可知，運(yùn)順密閉壓差較大，可達(dá)113Pa，此處位于3306 軌順掘進(jìn)回風(fēng)處，與常規(guī)認(rèn)識(shí)不同，該密閉墻為進(jìn)氣狀態(tài)，且壓差較大，但3302 運(yùn)順密閉壓差不大，僅10Pa，加3304 之軌、運(yùn)順?lè)忾]墻外側(cè)能位差19.3Pa，推知封閉區(qū)內(nèi)部與低負(fù)壓點(diǎn)有聯(lián)通通道。查詢通風(fēng)系統(tǒng)圖，發(fā)現(xiàn)3304 開切眼處與西翼總回風(fēng)巷較近，且3304 剛收作不久，采空區(qū)垮落在運(yùn)順處形成的“落三角”未完全壓實(shí)，存在漏風(fēng)通道。

3.4 封閉采空區(qū)漏風(fēng)驗(yàn)證

基于能位測(cè)定七采西部皮帶機(jī)巷3302 停采線下處于進(jìn)風(fēng)通道，有向軌順?lè)忾]墻內(nèi)漏風(fēng)有一定可能性，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查皮帶機(jī)較為完好，巷變形不大，且壓差較小，可以排除此處的漏風(fēng)可能性。

在西翼總回風(fēng)巷施工向3304 開切眼處的排水鉆孔，發(fā)現(xiàn)出氣大，壓差可達(dá)142Pa，可以判定西翼總回風(fēng)巷與3304 開切眼存在漏風(fēng)裂隙，即西翼總回風(fēng)巷是封閉采空區(qū)的最大漏風(fēng)匯。

4 結(jié) 論

本文基于能位測(cè)定技術(shù)實(shí)現(xiàn)了封閉采空區(qū)漏風(fēng)通道的量化識(shí)別，有效應(yīng)用于南屯煤礦3304 停采線封閉區(qū)，確定了回風(fēng)區(qū)域封閉墻進(jìn)風(fēng)，改變了回風(fēng)區(qū)域出風(fēng)的常規(guī)認(rèn)識(shí)，并發(fā)現(xiàn)了封閉采空區(qū)的最大漏風(fēng)匯西翼總回風(fēng)巷，最終確定了該封閉采空區(qū)的漏風(fēng)通道為：3304 軌、運(yùn)順?lè)忾]墻均進(jìn)風(fēng)，3304 軌順流向運(yùn)順?lè)较颍?jīng)由運(yùn)順未完全壓實(shí)采空區(qū)，溝通西翼總回風(fēng)巷。此漏風(fēng)通道量化識(shí)別方法可為類似條件礦井封閉采空區(qū)漏風(fēng)識(shí)別提供基礎(chǔ)。