SF6示蹤氣體漏風(fēng)測試技術(shù)在斜溝煤礦的應(yīng)用

邊小峰

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602)

大采高綜采機(jī)械化采煤技術(shù)是一種高產(chǎn)高效的開采技術(shù)，回采率高，采空區(qū)丟煤少，但采場圍巖破壞范圍大，頂板難以管理，且不利于采空區(qū)瓦斯、遺煤自燃治理。尤其對于瓦斯與火雙重隱患共存的工作面，由于覆巖垮落高度大，造成采空區(qū)孔隙率高，漏風(fēng)強(qiáng)度大，使遺煤氧化供氧充足，不利于采空區(qū)火災(zāi)防治。

目前，示蹤氣體測定法已經(jīng)成為一種成熟的礦井漏風(fēng)測定技術(shù)，在國內(nèi)外得到長期廣泛應(yīng)用，具有較強(qiáng)的適用性與可靠性。示蹤技術(shù)就是選擇具有一定特性的氣體作為標(biāo)準(zhǔn)氣體，利用風(fēng)流或漏風(fēng)作載氣，在壓能較高的漏風(fēng)源釋放，在其可能出現(xiàn)的漏風(fēng)出口采集并分析氣體，以根據(jù)分析結(jié)果判斷漏風(fēng)通道，計算漏風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)量。SF6作為示蹤氣體，在大氣及礦井環(huán)境中的本原含量極低，且具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、擴(kuò)散性較好、不溶于水、無沉降、不凝結(jié)、不為井下物料表面吸附、檢出靈敏度高等特點，是一種非常理想的示蹤氣體[1-2].

利用SF6示蹤氣體方法對斜溝煤礦18503工作面采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行測試，結(jié)合FLUENT軟件模擬采空區(qū)漏風(fēng)深度，最終形成采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律，對該工作面堵漏控風(fēng)等防滅火工作進(jìn)行指導(dǎo)。

1 工作面概況

斜溝煤礦18503回采工作面開采15#煤層，煤層厚度4.53～6.00 m，平均厚度5.5 m，煤層傾角2°～14°，平均傾角8°，工作面標(biāo)高為+860～+936 m，進(jìn)回風(fēng)巷道長1 113 m，工作面長220 m，工作面采用“一進(jìn)一回”U型通風(fēng)方式，工作面配風(fēng)量約為2 100 m3/min. 工作面北東側(cè)為井田邊界煤柱；南東、北西側(cè)均為實煤體；西南側(cè)與15采區(qū)膠帶巷、軌道巷、回風(fēng)下山巷相鄰。井田內(nèi)15#煤層為Ⅱ級自燃煤層，最短自然發(fā)火期35 d. 工作面采用單一走向長壁采煤法，綜合機(jī)械化采煤，一次性采全高，全部跨落法管理頂板。

2 綜采工作面采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律現(xiàn)場測試

2.1 測試原理及步驟

采用SF6示蹤氣體方法測試綜采工作面采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律，采用由中國礦業(yè)大學(xué)自主設(shè)計研發(fā)的SF6釋放裝置，見圖1，通過現(xiàn)場取氣，由CSH1000型煤礦用SF6測定儀測試氣體SF6濃度。

圖1 SF6釋放裝置示意圖

18503工作面采空區(qū)屬于一源一匯的漏風(fēng)方式，采用穩(wěn)定連續(xù)釋放法測試該工作面漏風(fēng)量。測定開始后開始釋放SF6氣體，氣體采樣點處的采氣人員以秒表計時，每隔一定時間采氣一次，采氣結(jié)束后妥善保管氣樣，帶至地面分析計算，采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速按式(1)計算：

(1)

式中：

v—采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速，m/s；

L—流線長度，m，取工作面長度220；

n—采樣序數(shù)，共采樣13次，取其為1～13；

t—采樣間隔時間，s.

2.2 現(xiàn)場測試方案實施

根據(jù)工作面實際情況制定具體的測試方案：

1) 進(jìn)風(fēng)巷端頭支架與采空區(qū)交界處設(shè)置為SF6釋放位置，回風(fēng)巷端頭支架與采空區(qū)交界處設(shè)置為SF6氣體采集位置，SF6釋放點、取樣點布置圖見圖2. SF6釋放點、取樣點應(yīng)布置在采空區(qū)一定深度位置，防止SF6氣體直接通過分子擴(kuò)散方式運(yùn)移至工作面。

圖2 回采工作面SF6釋放點與取樣點布置圖

2) 設(shè)置氣體采樣時間間隔，SF6氣體釋放時間預(yù)設(shè)為10 min，為了防止SF6氣體運(yùn)移至采樣點時未采集到SF6示蹤氣體，首次采集氣樣時間為釋放SF6后5 min，第二次亦為5 min，之后以10 min間隔進(jìn)行氣體采集。

3) 由于生產(chǎn)時采煤支架工序會影響測試工作,因此，測定選擇在2019年5月20日檢修期間進(jìn)行，當(dāng)日16:30釋放SF6氣體，18:30結(jié)束氣體采樣。

2.3 測定結(jié)果與分析

為了避免測試失誤，采用現(xiàn)場讀數(shù)與地面分析兩種方法分析現(xiàn)場采集氣樣，測試結(jié)果見表1. 本次測試中有4次檢測出SF6氣體，將4次采集氣樣的SF6氣體濃度值繪制成折線圖，見圖3，4次監(jiān)測出SF6的采樣氣體中SF6濃度隨采樣時間呈現(xiàn)減速下降趨勢變化，一定量的SF6釋放進(jìn)入采空區(qū)，大部分SF6隨淺部漏風(fēng)流涌出快速到上隅角區(qū)域，剩余少部分SF6隨漏風(fēng)進(jìn)入采空區(qū)深部，經(jīng)歷較長時間才能涌出到上隅角區(qū)域，與實測結(jié)果吻合，同時減速下降趨勢變化說明了采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速隨采空區(qū)深度增大呈現(xiàn)加速降低趨勢。

表1 采空區(qū)漏風(fēng)測試過程中SF6氣體濃度測試結(jié)果表

圖3 SF6氣體濃度隨采樣時間變化情況圖

將表1中檢測到的SF6氣體采樣時間帶入式(1)計算得到相應(yīng)的漏風(fēng)風(fēng)速，見表2. 計算結(jié)果表明,該工作面采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速為0.04～0.2 m/s.

表2 采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速測試結(jié)果表

3 綜采工作面采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律數(shù)值模擬

采用SF6示蹤氣體法只能夠測試采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速，無法測試得到采空區(qū)漏風(fēng)深度。因此，在上述研究的基礎(chǔ)上運(yùn)用FLUENT流體動力學(xué)計算軟件對該工作面采空區(qū)漏風(fēng)流場進(jìn)行模擬計算，獲得采空區(qū)漏風(fēng)深度。

3.1 數(shù)值模擬模型構(gòu)建

基于工作面和采空區(qū)實際情況進(jìn)行適當(dāng)簡化構(gòu)建幾何模型，進(jìn)、回風(fēng)巷道斷面為5.5 m×3.6 m，長15 m，工作面斷面為6 m×3.6 m，長220 m，采空區(qū)尺寸為220 m×300 m×3.6 m. 采空區(qū)近似為多孔介質(zhì)區(qū)域，采空區(qū)滲透率參數(shù)用Carman-Konzeny公式計算，通過UDF函數(shù)編寫采空區(qū)內(nèi)部滲透率分布函數(shù)，并導(dǎo)入計算模型中，進(jìn)風(fēng)巷入口風(fēng)量為實際工作面配風(fēng)量，回采工作面內(nèi)空氣為湍流流動，采空區(qū)內(nèi)空氣為層流流動，服從達(dá)西定律。

3.2 模擬結(jié)果及分析

采空區(qū)氣壓場分布模擬結(jié)果見圖4，采空區(qū)風(fēng)速場分布模擬結(jié)果見圖5. 根據(jù)現(xiàn)場測試采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速范圍確定采空區(qū)漏風(fēng)深度，由圖5可得，采空區(qū)內(nèi)風(fēng)速等值線呈現(xiàn)U型形狀，工作面采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)漏風(fēng)風(fēng)速大小及漏風(fēng)深度明顯大于采空區(qū)回風(fēng)巷一側(cè)，說明進(jìn)風(fēng)隅角漏風(fēng)強(qiáng)度大于回風(fēng)隅角漏風(fēng)強(qiáng)度。

圖4 采空區(qū)風(fēng)壓分布情況圖

圖5 采空區(qū)風(fēng)速分布情況圖

基于數(shù)值模擬結(jié)果，以工作面中間位置為原點，以工作面推進(jìn)反方向為坐標(biāo)軸方向，根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速確定所對應(yīng)的采空區(qū)漏風(fēng)深度采空區(qū)內(nèi)0.04 m/s風(fēng)速等值線距離工作面為13.55 m，采空區(qū)內(nèi)0.044 m/s風(fēng)速等值線距離工作面約為12.34 m，采空區(qū)內(nèi)0.057 m/s風(fēng)速等值線距離工作面約為9.25 m，采空區(qū)內(nèi)0.200 m/s風(fēng)速等值線距離工作面約為3.52 m，緊挨工作面支架尾部，采空區(qū)主要漏風(fēng)風(fēng)速區(qū)間[0.04 m/s，0.2 m/s]所對應(yīng)的采空區(qū)漏風(fēng)深度區(qū)間為[3.52 m，13.55 m].

采用數(shù)值分析方法對采空區(qū)漏風(fēng)深度與漏風(fēng)風(fēng)速之間關(guān)系進(jìn)行非線性擬合(圖6)，擬合得到以采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速為自變量的采空區(qū)漏風(fēng)深度計算公式，該函數(shù)為負(fù)冪函數(shù)形式，由該函數(shù)可得采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速隨采空區(qū)深度增大呈現(xiàn)加速降低趨勢，這一結(jié)果與SF6示蹤氣體測試結(jié)果一致。

圖6 采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速與采空區(qū)漏風(fēng)深度擬合曲線圖

4 結(jié) 論

1) 利用SF6示蹤氣體方法對斜溝煤礦18503工作面采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行現(xiàn)場測定，實測得到該工作面采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速在0.04～0.2 m/s，SF6濃度隨采樣時間增加呈現(xiàn)出下降趨勢，說明采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速隨采空區(qū)深度增大呈現(xiàn)加速下降趨勢。

2) 由數(shù)值模擬結(jié)果得到，采空區(qū)主要漏風(fēng)風(fēng)速區(qū)間為[0.04 m/s，0.2 m/s]，其所對應(yīng)的采空區(qū)漏風(fēng)深度區(qū)間為[3.52 m，13.55 m]；工作面采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速與采空區(qū)漏風(fēng)深度之間為負(fù)冪函數(shù)關(guān)系，現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

3) 對比分析采空區(qū)漏風(fēng)實測結(jié)果與模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在實際生產(chǎn)中可對工作面進(jìn)回風(fēng)隅角采取有效封堵措施以降低采空區(qū)漏風(fēng)。