綜采工作面漏風通道及漏風率測定技術(shù)

李永強

（晉能控股煤業(yè)集團泰山隆安煤礦，山西 保德 036600）

1 工程概況

泰山隆安煤礦11下301綜采工作面為11號煤三采區(qū)首采工作面，位于井田中南部，沿煤層走向布置，回采方位0°00′00″，工作面設計順槽長度1 297 m，回采寬度240 m。工作面頂部為砂質(zhì)泥巖，煤層整體較穩(wěn)定，11下301綜采工作面內(nèi)的11號煤平均厚度4.3 m，煤層自然發(fā)火周期43 d，屬易自燃煤層。煤層含少量夾石，無斷層、節(jié)理、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造類型，局部有沖刷帶構(gòu)造存在。工作面北為11號煤西翼集中回風下山，南為原廢棄民采平硐采空區(qū)，東為原橋頭鎮(zhèn)辦煤礦采空區(qū)，西為實體煤，工作面埋藏淺，距離地面120～150 m，頂板上部覆蓋層較松散，孔隙率較大，上覆為原金義煤礦和原晉豫煤礦舊小窯采空區(qū)，兩煤層的層間距平均為30.56 m。因此，當11下301綜采工作面回采時，上部采空區(qū)發(fā)生垮落，形成裂隙貫通地表，易形成通風渠道。因工作面采用全負壓通風，回采期間出現(xiàn)地表裂縫向采空區(qū)漏風，發(fā)生采空區(qū)遺煤自燃現(xiàn)象，影響工作面安全生產(chǎn)以及礦井正常通風?；诖?，需采取專業(yè)技術(shù)措施，驗證采空區(qū)漏風通道和漏風量，并根據(jù)漏風的嚴重程度制定相應的防范措施，以保證工作面安全生產(chǎn)及礦井正常通風。

2 礦井外部漏風的危害分析

回采工作面及礦井發(fā)生外部漏風，將對工作面及礦井產(chǎn)生諸多危害，具體危害分析如下：

1）工作面發(fā)生外部漏風，尤其是工作面回風側(cè)發(fā)生的外部漏風，將致使工作面有效風量減小，從而引起工作面瓦斯聚積、空氣溫度升高、氣候條件惡劣，不僅影響工作面作業(yè)人員的身體健康和工作效率，還對工作面安全生產(chǎn)造成一定影響。

2）工作面外部漏風，尤其是地表向工作面漏風，將使礦井的通風系統(tǒng)復雜化，無法保證礦井通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對井下各用風地點的風流控制和調(diào)節(jié)造成不同程度的影響[4]。

3）因礦井采用抽出式負壓通風，出現(xiàn)地表漏風問題將致使礦井主通風機的效率低下，不僅浪費大量電力，還嚴重影響各用風地點的正常通風，甚至出現(xiàn)通風機能力不足，采用大功率風機仍不能滿足礦井正常通風的問題。

4）工作面存在漏風問題，主要發(fā)生在正在回采的工作面采空區(qū)連通上覆采空區(qū)及地表裂縫產(chǎn)生的漏風，因采空區(qū)內(nèi)不可避免的存在遺留煤體，遺留煤體在長期接觸外部漏風情況下，易發(fā)生遺煤氧化甚至自燃，致使回采工作面溫度升高、CO濃度偏高等一系列安全問題[6]。

因此，一旦發(fā)現(xiàn)礦井或工作面發(fā)生外露漏風現(xiàn)象，必須及時檢測漏風通道及漏風量，分析漏風原因，便于采取針對性措施以解決漏風問題，確保礦井安全生產(chǎn)。

3 漏風通道的檢測

3.1 檢測方案設計

11下301工作面采用負壓通風方式，設計配風量為1 770 m3/min。截止6月7日，11下301工作面共推進約760 m，老頂已來壓垮落，工作面回采期間，出現(xiàn)進風順槽進風量明顯小于回風順槽的回風量，且發(fā)現(xiàn)工作面溫度及CO濃度偏高，已對工作面安全生產(chǎn)造成嚴重影響，初步判定為采空區(qū)內(nèi)發(fā)生外部漏風，導致采空區(qū)遺煤自燃所致。因此，必須檢測導致工作面漏風的主要原因。

通過對11下301工作面地面進行觀察，在工作面進風順槽與回風順槽方向，出現(xiàn)與順槽方向平行的裂隙，在距離11下301切眼方向也出現(xiàn)與切眼平行的地面裂縫。地面裂縫帶最寬處約0.2 m，估計在0.1 m以上寬度的裂縫其深度達4 m以上，有的裂縫可以觀測到明顯的漏風現(xiàn)象，判斷漏風方向為地面向裂縫深處漏風。為確定漏風通道及其流經(jīng)區(qū)域，采用示蹤氣體SF6對工作面的漏風情況進行測定[1-2]，具體實施步驟如下：

1）SF6示蹤氣體的釋放點在距離工作面的直線距離約110 m處的地表裂隙帶，根據(jù)工作面及采空區(qū)內(nèi)氣體流向，釋放地點設置在工作面采空區(qū)偏工作面采空區(qū)下部位置。示蹤氣體SF6釋放點布置如圖1所示。

圖1 11下301工作面地面裂縫漏風測定示意圖

2）示蹤氣體SF6接收檢測點：氣樣取樣點分別布置在11下301工作面上隅角及距離上隅角60 m回風順槽處。

3）氣樣采集及檢測：在示蹤氣體釋放前，接收點安置示蹤氣體SF6檢測儀，以便隨時開始對氣體采樣。檢測儀安置完成后，6月7日下午1:30分，示蹤氣體以5L/min的穩(wěn)定釋放速率開始釋放，25 min后，當日下午1:55分在工作面上隅角首次檢測到有該示蹤氣體，不過初始氣流狀態(tài)較弱，待氣流穩(wěn)定之后，采3份氣樣。下午2:00在回風槽處60 m處檢測到示蹤氣體，采用方式同前者一樣。

4）氣樣采集結(jié)果：通過對各接收點的氣樣檢測可知：在11下301工作面上隅角及回風順槽處的示蹤氣體SF6平均濃度分別為92.37×10-9，89.31×10-9。

3.2 檢測結(jié)果分析

由11下301工作面上部地表裂隙和漏風通道檢測分析。通過2個接收點的檢測儀檢測的結(jié)果表明：所有接收點均可檢測到示蹤氣體，其中最先檢測到的接收點為工作面上隅角，并且測得示蹤氣體SF6濃度顯示大于距離上隅角60 m回風順槽處的值，說明地表空氣在負壓通風作用下由地表流向井下采空區(qū)，11下301工作面與金義煤礦、晉豫煤礦采空區(qū)之間隔離巖層破壞形成漏風通道，風流由地面流向工作面，主要漏風通道為工作面回采上方的地表塌陷形成貫通工作面采空區(qū)的裂縫。

4 工作面漏風量測定分析

4.1 測定方案

為防止示蹤氣體滯留在采空區(qū)，對工作面漏風量的測定結(jié)果產(chǎn)生干擾，故對于漏風量的測定時間定于6月15日，檢測步驟如下：

4.1.1 示蹤氣體SF6的釋放地點布置

由公式L≥32S/U可知氣體釋放點和取樣點的確切位置[3-4]，進而計算出漏風點與接收點、氣體釋放點和取樣點之間距離。工作面進風巷巷道斷面為3.4×5.4（m2），回風巷巷道斷面3.4×5.0（m2），代入公式可得：

Lj≥32S/U=32×5.4×3.4/（2×（5.4+3.4））=33.4 m

Lh≥32S/U=32×5.0×3.4/（2×（5.0+3.4））=32.4 m

式中：Lj、Lh分別為進風巷道、回風巷道，取Lj=Lh=35 m，確定釋放點R位于距工作面進風巷70 m處。

4.1.2 示蹤氣體SF6接收點

接收點設置需滿足距離要求，最終接收點的位置分別置于工作面進風巷方向35 m處和回風巷方向35 m處。工作面漏風測定示意圖如圖2所示。

圖2 工作面漏風示意圖

4.1.3 氣樣采集及檢測

6月15日下午4:30將示蹤氣體釋放裝置和檢測裝置分別安裝于釋放點和接收點，一切布置結(jié)束之后，開始釋放示蹤氣體SF6。示蹤氣體SF6以5L/min的穩(wěn)定釋放速率開始釋放，等待氣流穩(wěn)定之后進行取樣。下午4:50進風巷接收點S1出現(xiàn)檢測到示蹤氣體的信號，下午5:00回風巷接收點S2也有檢測顯示。S1、S2檢測點均待氣流穩(wěn)定后進行取樣，每次取樣時間10 min，每個檢測點均采集4組樣品，并對每組樣品的示蹤氣體SF6氣體濃度進行均值統(tǒng)計及分析。

4.1.4 氣樣采集分析結(jié)果

由表1數(shù)據(jù)可知，其中S1檢測點第3組檢測數(shù)據(jù)計算的相對誤差數(shù)據(jù)異常，經(jīng)分析是因為采用工序操作錯誤引起的結(jié)果。剩余組數(shù)據(jù)可用于漏風量的分析。排除干擾組，S1和S2平均值分別為34.62×10-6和32.13×10-6。根據(jù)物質(zhì)能量守恒定律[5-6]，示蹤氣體總質(zhì)量相等，使用公式Q1×C1=Q2×C2，最終計算工作面的漏風量為ΔQ=Q1-Q2=-109 m3/min，漏風率α=ΔQ/Q1×100%=7.78%。

表1 工作面漏風測定分析表

4.2 測定結(jié)果

最終通過對氣樣的分析可知，11下301工作面的漏風量是109 m3/min，漏風率是7.78%。在地面釋放的示蹤氣體SF6間隔20 min即可在工作面上隅角位置檢測到示蹤氣體SF6進入工作面，表明漏風通道較為暢通，工作面發(fā)生外部漏風現(xiàn)象較為明顯。因此，針對工作面發(fā)生外部漏風問題，必須采取針對性措施，防止地表裂縫繼續(xù)向工作面漏風。

5 防漏風措施

為防止工作面回采期間造成的地表塌陷形成裂縫向工作面漏風，致使礦井通風系統(tǒng)復雜化，影響礦井安全通風，工作面采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃，影響工作面安全生產(chǎn)，特制定工作面防漏風措施如下：

1）對工作面回采期間產(chǎn)生的地表塌陷情況安排專人進行日常排查，發(fā)現(xiàn)因回采導致的地表裂縫及時安排回填，堵塞漏風裂隙，最大限度的減少地表塌陷裂隙漏風。

2）針對11下301工作面為中厚煤層回采工作面，要保證回采速度及回采率，在保證工作面安全回采及割煤質(zhì)量的前提下，達到中厚煤層回采率不低于95%的標準，盡量減少采空區(qū)遺留煤量。同時，回采期間應定期向上、下隅角及采空區(qū)撒布阻燃巖粉，減少遺煤自燃可能性。

3）針對工作面回采兩側(cè)的地表易產(chǎn)生較大地表裂縫引起的上、下隅角處漏風嚴重問題，需采取上、下隅角堵漏措施。工作面每推進20～30 m，在上、下隅角處采用沙袋堆砌不低于1.5 m以上的采空區(qū)隔離墻體，防止上、下隅角垮落形成的三角區(qū)直接與工作面形成漏風通道。

4）為減少工作面向采空區(qū)漏風，需在回采期間對上、下隅角處加裝防漏風擋風簾，引導風流沿工作面流動，減少工作面向采空區(qū)漏風的同時，也防止采空區(qū)高溫及有毒有害氣體向工作面釋放。

5）回采結(jié)束的工作面，必須及時封閉嚴實，防止發(fā)生停采工作面長期漏風，影響礦井正常通風。

6 現(xiàn)場實踐與效果分析

根據(jù)11下301工作面漏風通道及漏風率檢測結(jié)果可知，工作面存在長期漏風嚴重，影響工作面安全生產(chǎn)及礦井正常通風，在采取了針對性防漏風措施后，為驗證措施效果，繼續(xù)采用了示蹤氣體SF6進行的漏風通道及漏風量檢測技術(shù)，對采空區(qū)上部的地表裂隙向工作面采空區(qū)漏風通道及漏風量進行了檢測，采取相同流量的示蹤氣體SF6在設計位置進行釋放，并在2個設計接收檢測地點進行了氣體采樣分析。采取防漏風措施后的檢測結(jié)果顯示，S1和S2處的示蹤氣體SF6濃度平均值分別為7.38×10-6和5.42×10-6，在地表釋放示蹤氣體SF6后，首次在工作面上隅角處檢測到示蹤氣體SF6,時間為1小時37分鐘，較采取措施前時長減緩了1小時17分鐘，根據(jù)釋放點與2個接收點的濃度計算得知，通過地表裂隙進入工作面回風流的示蹤氣體SF6已不足地表釋放量的1/6，最終計算工作面的漏風量為ΔQ=-15 m3/min，漏風率α=1.37%。檢測結(jié)果表明，采取防漏風措施后，雖未完全避免工作面發(fā)生外部漏風，但措施效果顯著，漏風量得到大幅降低，采取防漏風措施后的漏風量及漏風率經(jīng)通風系統(tǒng)評估，已基本不影響工作面正常通風。對工作面漏風造成的安全生產(chǎn)影響方面評估可知，采取防漏風措施后，回風巷風量一定情況下，經(jīng)過回采工作面的風速有一定升高，工作面溫度較之前有明顯降低，CO濃度明顯降低，表明采取措施后，采空區(qū)遺煤自燃現(xiàn)象得到有效抑制，漏風量及漏風率均得到有效控制。

7 結(jié)論

1）11下301工作面回采過程中由于采空區(qū)冒落及上覆存在小煤窯采空區(qū)，造成地面出現(xiàn)裂縫，采空區(qū)與地面裂縫之間存在連通，在通風負壓作用下存在漏風，漏風方向為地面裂縫向工作面采空區(qū)漏風，工作面的漏風量為109 m3/min，漏風率為7.78 %，漏風情況較為嚴重。

2）漏風情況可能導致采空區(qū)遺煤自然發(fā)火，影響11下301工作面的安全生產(chǎn)，同時影響礦井正常通風。通過采取地表裂隙回填、保證工作面回采率、撒布巖粉、設置隅角隔離墻體、安裝擋風簾等防漏風安全措施，可使采空區(qū)遺煤自燃現(xiàn)象得到有效抑制，漏風量及漏風率均能夠得到有效控制，最大限度地減少地表裂隙漏風的同時，防止采空區(qū)遺煤自燃及有毒有害氣體向工作面擴散，以保證工作面安全生產(chǎn)及礦井正常通風。