采空區(qū)漏風(fēng)對(duì)上隅角瓦斯積聚影響研究

王萬群

（臨汾天平安全技術(shù)評(píng)價(jià)有限公司，山西 臨汾 041000）

采用U 型通風(fēng)方式的工作面，在巷道拐角處由于自身風(fēng)向變化和采空區(qū)漏風(fēng)的相互作用，極易形成渦流，造成工作面上隅角瓦斯積聚。本文針對(duì)譚坪礦12409 回采工作面存在瓦斯超限隱患等問題，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析的方法對(duì)無抽采條件下工作面漏風(fēng)量、漏風(fēng)路徑、上隅角瓦斯積聚特性進(jìn)行研究，以期解決采煤工作面漏風(fēng)和上隅角瓦斯超限等問題。

1 工作面概況

譚坪礦主采4#煤層，采用斜井開拓方式，綜合機(jī)械化開采，皮帶運(yùn)輸。礦井屬高瓦斯礦井，主井、副井進(jìn)風(fēng)，邊界風(fēng)井回風(fēng)。4#煤層瓦斯含量為0.22～9.55 m3/t，平均5.64 m3/t，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量19.42 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量10.88 m3/t，礦井總回風(fēng)量為4 608.7 m3/min，總進(jìn)風(fēng)量為4 525.8 m3/min，有效風(fēng)量4 407.2 m3/min。12409 工作面采用U 型通風(fēng)方式，通風(fēng)路線如下：（1）進(jìn)風(fēng)路線：主井、副井→+730 m 水平運(yùn)輸大巷→2 采區(qū)下部材料車場(chǎng)→2 采區(qū)運(yùn)輸上山→12409 進(jìn)風(fēng)巷→12409 工作面；（2）回風(fēng)路線：12409 工作面→12409 回風(fēng)巷→2采區(qū)軌道上山→南翼總回大巷→風(fēng)井。

2 工作面采空區(qū)漏風(fēng)量來源分析

12049 工作面采空區(qū)外部漏風(fēng)來源主要有地表貫通性裂隙漏風(fēng)、頂板上覆老窯采空區(qū)漏風(fēng)；內(nèi)部漏風(fēng)主要有通風(fēng)構(gòu)筑失效引起的漏風(fēng)、頂?shù)装迕簬r裂隙引起的漏風(fēng)、工作面開采形成的垮落帶和裂隙帶引起的漏風(fēng)。

2.1 工作面采空區(qū)漏風(fēng)量測(cè)定

（1）測(cè)點(diǎn)布置

為研究12409 工作面漏風(fēng)量及漏風(fēng)規(guī)律，采用間接測(cè)量法，沿著傾向方向每間隔15 m 布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，利用表尺測(cè)量各測(cè)點(diǎn)位置斷面面積，每隔1 h利用風(fēng)表對(duì)各測(cè)點(diǎn)測(cè)量一次風(fēng)速，計(jì)算得出各個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)量。工作面累計(jì)布置11 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置如圖1 所示。

圖1 12409 工作面測(cè)點(diǎn)布置示意圖

（2）工作面實(shí)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)12409 工作面各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行三次風(fēng)速測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 工作面各測(cè)點(diǎn)風(fēng)量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表1 各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)風(fēng)速，繪制工作面沿程風(fēng)量分布圖，如圖2 所示。

圖2 工作面沿程風(fēng)量分布圖

由圖2 可以看出，12409 工作面沿傾斜方向三次風(fēng)量測(cè)量結(jié)果基本一致，均為先減小后增大，工作面漏風(fēng)曲線整體呈拋物線形狀。對(duì)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)量差值進(jìn)行具體分析發(fā)現(xiàn)，1#～6#測(cè)點(diǎn)通過工作面斷面的風(fēng)量逐漸減小且在1#～3#測(cè)點(diǎn)段風(fēng)量差值較大；6#～11#測(cè)點(diǎn)通過工作面斷面的風(fēng)量逐漸增大且在9#～11#測(cè)點(diǎn)段風(fēng)量增幅較大?？梢哉f明從工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)到工作面傾向6#（73 m）測(cè)點(diǎn)位置為工作面風(fēng)流漏入采空區(qū)的漏風(fēng)區(qū)域，且在0～30 m 范圍內(nèi)為主要漏風(fēng)區(qū)域，累計(jì)漏出風(fēng)量為150 m3/min。6#測(cè)點(diǎn)至回風(fēng)巷位置為采空區(qū)風(fēng)流漏入工作面的漏風(fēng)區(qū)域，且在115～145 m 范圍內(nèi)為主要漏風(fēng)區(qū)域，累計(jì)漏入風(fēng)量約為153 m3/min。

2.2 漏風(fēng)量對(duì)上隅角瓦斯積聚的影響

表2 不同工作面通風(fēng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖3 各參量隨配風(fēng)量變化曲線

由圖3 可知，采空區(qū)漏風(fēng)量與工作面配風(fēng)量和瓦斯涌出量呈正相關(guān)，與上隅角瓦斯?jié)舛瘸守?fù)相關(guān)。主要原因是：配風(fēng)量越大，工作面與采空區(qū)的壓差越大，從而導(dǎo)致漏入采空區(qū)的風(fēng)量增大；漏入采空區(qū)的風(fēng)量越大，則流動(dòng)范圍越大，導(dǎo)致工作面瓦斯涌出量也增大；工作面配風(fēng)量增大，將會(huì)使采空區(qū)漏入工作面的瓦斯得到充分稀釋，從而使上隅角瓦斯?jié)舛冉档汀?/p>

3 采空區(qū)漏風(fēng)路徑分析

3.1 漏風(fēng)路徑分析

通過在12409 工作面下隅角連續(xù)穩(wěn)定地釋放SF6示蹤氣體，分析工作面漏入采空區(qū)風(fēng)流的不同漏風(fēng)路徑。工作面示蹤氣體釋放點(diǎn)與采樣點(diǎn)如圖4所示。1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)采空區(qū)6 m、30 m、60 m 位置處，測(cè)試過程每隔5 min 對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行一次氣體采樣，采樣時(shí)長共計(jì)140 min，樣本總量共計(jì)86 個(gè)。

圖4 U 型工作面采空區(qū)漏風(fēng)示意圖

圖5 SF6 氣體濃度-時(shí)間變化曲線

由圖4、圖5 可知，檢測(cè)到SF6氣體的先后順序?yàn)?#測(cè)點(diǎn)～2#測(cè)點(diǎn)～3#測(cè)點(diǎn)。各測(cè)點(diǎn)繪制的SF6氣體時(shí)間-濃度曲線總體呈拋物線形狀，且距離工作面越近拋物線最值越大。主要原因：1#測(cè)點(diǎn)所在位置漏風(fēng)路徑短，漏風(fēng)量大，可在第一時(shí)間監(jiān)測(cè)到SF6氣體。隨著SF6氣體的移動(dòng)，2#、3#測(cè)點(diǎn)相繼收集到SF6氣體。在SF6氣體釋放的前1 h 內(nèi)，隨著時(shí)間的推移各測(cè)點(diǎn)收集到的SF6氣體濃度持續(xù)增加，對(duì)應(yīng)SF6氣體濃度曲線逐漸上升。當(dāng)SF6氣體釋放時(shí)間超過1 h 后，各測(cè)點(diǎn)收集到的SF6氣體出現(xiàn)短時(shí)間的穩(wěn)定，持續(xù)約30 min 后開始逐漸下降，對(duì)應(yīng)SF6氣體濃度曲線平穩(wěn)中略有波動(dòng)。當(dāng)SF6氣體連續(xù)釋放1.5 h 后，由于采空區(qū)漏風(fēng)流對(duì)SF6氣體的稀釋，監(jiān)測(cè)到SF6氣體不斷減少，對(duì)應(yīng)曲線上SF6氣體濃度持續(xù)下降。（1）1#測(cè)點(diǎn)位于0～15 m 漏風(fēng)帶Ⅰ內(nèi)，漏風(fēng)路徑短，風(fēng)量、風(fēng)速最大；2#測(cè)點(diǎn)位于15～50 m 漏風(fēng)帶Ⅱ內(nèi)，漏風(fēng)路徑相對(duì)較長，風(fēng)量、風(fēng)速度相對(duì)較??；3#測(cè)點(diǎn)位于50～200 m 的漏風(fēng)帶Ⅲ內(nèi)，漏風(fēng)路徑最長，風(fēng)速、風(fēng)量最小。（2）3 個(gè)測(cè)點(diǎn)SF6氣體峰值濃度距離工作面越遠(yuǎn)其濃度越低。主要原因是各個(gè)漏風(fēng)帶內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)量的不同且不同位置SF6氣體的擴(kuò)散速率不同。（3）隨著時(shí)間的推移，最后監(jiān)測(cè)到SF6氣體的測(cè)點(diǎn)順序?yàn)?#測(cè)點(diǎn)-2#測(cè)點(diǎn)-1#測(cè)點(diǎn)。其主要原因是風(fēng)速和漏風(fēng)量隨著漏風(fēng)路徑的增長逐漸減小，SF6氣體的擴(kuò)散速度也逐漸減小，風(fēng)速大的測(cè)點(diǎn)SF6氣體匯入時(shí)間最短，最先完成監(jiān)測(cè)，風(fēng)速最小的測(cè)點(diǎn)SF6氣體匯入時(shí)間最長，最后才能完成監(jiān)測(cè)。

3.2 漏風(fēng)路徑對(duì)上隅角瓦斯積聚影響分析

通過收集12049 工作面一個(gè)月內(nèi)上隅角瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理分析。

圖6 上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€

通過圖6 中12409 工作面瓦斯最小濃度曲線和平均濃度曲線可知上隅角瓦斯?jié)舛日w處于一個(gè)較為穩(wěn)定的濃度范圍。分析瓦斯最大濃度曲線發(fā)現(xiàn)工作面上隅角瓦斯受采空區(qū)漏入工作面漏風(fēng)量影響，存在潛在的超限可能。主要原因：采空區(qū)漏風(fēng)帶Ⅰ、漏風(fēng)帶Ⅱ巖體處于自然垮落或者受載未壓實(shí)狀態(tài)，而且該區(qū)域漏風(fēng)量大，風(fēng)速高，對(duì)瓦斯的稀釋作用明顯，因此該區(qū)域瓦斯異常涌出對(duì)上隅角瓦斯?jié)舛鹊挠绊戄^弱；采空區(qū)漏風(fēng)帶Ⅲ巖體處于壓實(shí)區(qū)，風(fēng)量小，風(fēng)速底，對(duì)瓦斯的稀釋作用弱，瓦斯?jié)舛犬惓Ｓ砍鰰r(shí)對(duì)工作面上隅角瓦斯?jié)舛扔绊懨黠@，容易造成瓦斯超限。

4 防止工作面上隅角瓦斯積聚的措施

根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)量、漏風(fēng)路徑對(duì)工作面上隅角瓦斯?jié)舛鹊挠绊懛治鼋Y(jié)果，在保證采煤工作面實(shí)際需要的基本條件下，可采取以下措施減少及防止工作面上隅角瓦斯積聚的問題。

（1）加強(qiáng)通風(fēng)，配足工作面風(fēng)量，使得采空區(qū)漏入工作面的瓦斯得到充分稀釋。

（2）在上隅角上風(fēng)側(cè)設(shè)置斜風(fēng)板或風(fēng)障，迫使有風(fēng)流流經(jīng)上隅角處，即通過引流的方式排除該處積聚瓦斯。

（3）增設(shè)局部通風(fēng)機(jī)專吹上隅角，加大風(fēng)量以充分稀釋該處瓦斯，同時(shí)促進(jìn)該處瓦斯快速排出，避免積聚。

（4）必要時(shí)拆開上部（回采面后方50m 外）采空區(qū)密閉，使得采空區(qū)瓦斯能夠從上部采空區(qū)直接排入到工作面回風(fēng)通道當(dāng)中，從而防止漏至工作面產(chǎn)生積聚。

5 結(jié)論

（1）12409 工作面漏入采空區(qū)風(fēng)量為150 m3/min，主要漏風(fēng)區(qū)域?yàn)楣ぷ髅孢M(jìn)風(fēng)側(cè)0～30 m；采空區(qū)漏入工作面風(fēng)量為153 m3/min，主要漏入?yún)^(qū)域?yàn)楣ぷ髅孢M(jìn)風(fēng)側(cè)110～145 m。采空區(qū)漏風(fēng)量與工作面配風(fēng)量和瓦斯涌出量呈正相關(guān)，與上隅角瓦斯?jié)舛瘸守?fù)相關(guān)。

（2）主要漏風(fēng)區(qū)為工作面后方0～50 m，該區(qū)域瓦斯不均衡涌出對(duì)上隅角瓦斯?jié)舛鹊挠绊戄^弱；50～200 m 漏風(fēng)量較少，瓦斯?jié)舛容^高，該區(qū)域瓦斯涌出對(duì)工作面上隅角瓦斯?jié)舛鹊挠绊戄^強(qiáng)。