淺埋煤層采空區(qū)密閉漏風(fēng)量測定研究

劉旭東 LIU Xu-dong；王坤 WANG Kun；龍在海 LONG Zai-hai；王永敬 WANG Yong-jing；師吉林 SHI Ji-lin；姬周飛 JI Zhou-fei

（①國家能源集團新疆能源有限責(zé)任公司烏東煤礦，烏魯木齊 830000；②中煤科工集團沈陽研究院有限公司，撫順 113122；③中煤科工集團沈陽研究院有限公司煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，撫順 113122）

0 引言

根據(jù)2018年，我國煤炭產(chǎn)量與消費量分別占一次能源和消費總量的69.1%和59.0%。截止到2018年底，全國共有煤礦5800余處，由于煤炭資源分布廣泛、地質(zhì)及生產(chǎn)條件多樣、礦井火災(zāi)事故時有發(fā)生。根據(jù)煤自燃氧化理論，礦井火災(zāi)的產(chǎn)生、發(fā)展均離不開漏風(fēng)供氧，因此可以看出火與風(fēng)是相輔相成的關(guān)系。其中，采空區(qū)密閉漏風(fēng)與采空區(qū)密閉設(shè)施不嚴密、自然風(fēng)壓、采空區(qū)注氮、礦井通風(fēng)參數(shù)等多種因素密切相關(guān)。為了有效防控采空區(qū)瓦斯、CO等有毒有害氣體逸出，及采空區(qū)自然發(fā)火，必須掌握采空區(qū)密閉漏風(fēng)規(guī)律。

然而，近年來國內(nèi)外學(xué)者對采空區(qū)密閉漏風(fēng)量研究甚少，主要停留在漏風(fēng)定性測量及封堵治理方面。其中，師吉林，楊貴儒等利用SF6示蹤氣體定性判斷井上下是否存在漏風(fēng)，及漏風(fēng)速率。劉忠全，王偉等學(xué)者，通過在工作面聯(lián)絡(luò)巷注氮，保持密閉空間的微正壓，達到減小采空區(qū)漏風(fēng)強度和抑制遺煤自燃氧化的目的[1-3]。

本文通過釋放SF6氣體，檢測密閉前后不同的SF6氣體濃度，計算得到采空區(qū)密閉的漏風(fēng)量；然后，將檢測漏風(fēng)量代入擋風(fēng)墻漏風(fēng)量計算公式，得出漏風(fēng)系數(shù)的平均值，最終給出擋風(fēng)墻漏風(fēng)量計算公式，從而實現(xiàn)對密閉漏風(fēng)量快速、準確的計算，為其他礦井采空區(qū)密閉漏風(fēng)量計算提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦井密閉概況

烏東煤礦南區(qū)B3+6煤層傾角86°～89°，平均傾角87°，走向N58°～60°之間，最大厚度52.3m，最小厚度39.85m，平均厚度48.87m，內(nèi)含夾矸4～20層，夾矸總厚0.08～4.40m，有益厚度為44.99m，屬于急傾斜特厚煤層。南區(qū)B1+2煤層平均厚度為30m，傾角85°～88°，平均傾角87°，走向N58°～60°之間，全井田范圍煤穩(wěn)定可開采。B1+2、B3+6煤層最短自然發(fā)火期均為45天，且煤塵具有爆炸危險性。

南區(qū)B1+2、B3+6煤層初次開采標高為+550m，分階段綜放開采，階段高度25m，已開采至+425m。+450水平B1+2、B3+6煤層采空區(qū)密閉附近區(qū)域?qū)?yīng)地面標高為+825m，距地表垂距為375m。

2 密閉漏風(fēng)定量測定原理

2.1 SF6示蹤氣體釋放裝置

①SF6示蹤氣體釋放裝置由鋼瓶、一級減壓閥、二級減壓閥、穩(wěn)流閥和流量計等組成，如圖1所示。②釋放裝置SF6示蹤氣體釋放量有流量計測定，流量計精確度等級≥2.5級。③釋放裝置能夠保證SF6示蹤氣體連續(xù)穩(wěn)定地釋放，釋放量可以靈活調(diào)整。④SF6示蹤氣體的分析儀器應(yīng)采用帶檢測SF6氣體功能的氣相色譜儀，檢測最小檢測濃度應(yīng)≥10-8，即達到0.01ppm精度。

2.2 密閉正壓漏風(fēng)定量測定

在一條存在密閉正壓漏風(fēng)的巷道中[4-7]（如圖2），將SF6示蹤氣體釋放裝置放在漏風(fēng)點上風(fēng)側(cè)Ri處，連續(xù)定量釋放示蹤氣體，釋放量為q（m3/min），在漏風(fēng)點下風(fēng)側(cè)設(shè)置檢測點S，取樣測定SF6示蹤氣體濃度為Ci；然后移動釋放裝置到與檢測點同側(cè)的Ri+1，連續(xù)定量釋放示蹤氣體，釋放量仍為q，并在J點取樣測定SF6氣體濃度Ci+1。

2.3 密閉負壓漏風(fēng)定量測定

在一條存在密閉負壓漏風(fēng)的巷道中[8-9]（如圖3），將釋放點放置在漏風(fēng)點的上風(fēng)側(cè)R處，連續(xù)定量釋放SF6示蹤氣體，釋放量為q（m3/min），在與釋放點同側(cè)布置取樣點Si，取樣測定SF6示蹤氣體濃度為Ci；同時在巷道漏風(fēng)點的下風(fēng)側(cè)布置取樣點Si+1，取樣測定SF6示蹤氣體濃度為Ci+1。

2.4 漏風(fēng)量的計算

密閉漏風(fēng)量按公式（1）計算：

式中：ΔQi—被檢測巷道中第i段的漏風(fēng)量（i=1、2、3、…n-1），m3/min；

q—SF6示蹤氣體的連續(xù)定量釋放量，m3/min；

Ci、Ci+1—分別為i、i+1的SF6氣體濃度。

3 漏風(fēng)定量測定與計算

3.1 漏風(fēng)定量測定方案

3.1.1 釋放點確定

根據(jù)密閉U型壓差計顯示的讀數(shù)，確定密閉所處正負壓漏風(fēng)，正壓漏風(fēng)SF6氣體釋放點Ri距密閉5m，Ri+1距密閉5m，J點距密閉15m。負壓漏風(fēng)SF6氣體釋放點R距密閉15m，Si距密閉5m，Si+1距密閉5m。釋放時記錄時間及釋放流量。

3.1.2 檢測點確定

根據(jù)密閉所處正負壓漏風(fēng)狀態(tài)，確定正壓漏風(fēng)的SF6氣體檢測點為Ri+1和J點，負壓漏風(fēng)的SF6氣體檢測點為Si和Si+1點。檢測時記錄檢測時間及檢測SF6氣體濃度[10]。

3.1.3 測定流程

①在選擇的釋放點用釋放裝置將SF6氣體持續(xù)釋放，選定釋放流量為0.6m3/min，連續(xù)釋放2min左右。②檢測點檢測SF6氣體濃度時，需風(fēng)量測定人員同步測定密閉周圍風(fēng)量，并做好記錄。③SF6檢測人員根據(jù)密閉正負壓漏風(fēng)確定檢測點，檢測時記錄檢測SF6濃度。

3.2 漏風(fēng)定量測定過程及風(fēng)量計算

2021年12 月10日，對+450mB6密閉和+450mB3密閉進行了漏風(fēng)量測定，12月11日對+450mB1密閉和+450mB2密閉進行了漏風(fēng)量測定。

SF6氣體釋放人員12:10時在B3密閉周圍釋放SF6氣體，12:12停止釋放SF6氣體，檢測人員12:12在距B3密閉上風(fēng)側(cè)5m處檢測到穩(wěn)定的SF6氣體濃度，之后立即到距B6密閉下風(fēng)側(cè)5m處檢測SF6氣體。

SF6氣體釋放人員11:20時在B6密閉周圍釋放SF6氣體，11:22停止釋放SF6氣體，檢測人員11:23在距B3密閉下風(fēng)側(cè)5m處檢測到穩(wěn)定的SF6氣體濃度，之后立即到距B3密閉下風(fēng)側(cè)15m處檢測SF6氣體。

同理，+450mB1密閉、+450mB2密閉漏風(fēng)測定過程與+450mB6密閉測定過程相同。（表1）

表1 烏東煤礦+450水平密閉漏風(fēng)定量檢測記錄表

利用2.4節(jié)中的公式（1）進行密閉漏風(fēng)量計算，計算結(jié)果如表2所示。

表2 烏東煤礦+450水平密閉漏風(fēng)量計算表

3.3 密閉擋風(fēng)墻漏風(fēng)量計算方法

根據(jù)礦井巷道的風(fēng)量及通風(fēng)阻力公式，及當(dāng)量直徑d=4S/U，可推導(dǎo)出密閉漏風(fēng)相關(guān)公式：

得出：

擋風(fēng)墻的漏風(fēng)量計算公式可按照公式（2）進行計算，由于擋風(fēng)墻的風(fēng)阻R與密閉墻厚度b呈正相關(guān)，因此擋風(fēng)墻的漏風(fēng)量[14-15]可用下式計算：

式中：KDFQ—擋風(fēng)墻的漏風(fēng)系數(shù)；Δh—擋風(fēng)墻兩側(cè)壓差，Pa；b—擋風(fēng)墻的厚度，m；u—擋風(fēng)墻與巷道壁接觸周長，m。

根據(jù)檢測的密閉漏風(fēng)量、密閉內(nèi)外壓差、密閉厚度及密閉與巷道壁接觸周長，可計算出擋風(fēng)墻的漏風(fēng)系數(shù)K，具體計算見表3所示。

根據(jù)表3中的密閉漏風(fēng)系數(shù)，計算得到其算術(shù)平均值為6.75×10-3m3.5/（N0.5s），代入公式（3），得到擋風(fēng)墻漏風(fēng)量計算公式（4）如下：

表3 擋風(fēng)墻的漏風(fēng)系數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)公式（4）、密閉物理參數(shù)及密閉內(nèi)外壓差等數(shù)據(jù)，可計算出密閉擋風(fēng)墻的漏風(fēng)量，及ΔQ2與檢測的漏風(fēng)量間的誤差，如表4所示。

由表4可以看出，由密閉漏風(fēng)量公式（3）計算的漏風(fēng)量ΔQ2與檢測的漏風(fēng)量ΔQ1的誤差在5.0%范圍以內(nèi)，即計算的漏風(fēng)量與檢測的漏風(fēng)量非常接近。因此，對于+450mB1密閉、+450mB2密閉、+450B3密閉及+450mB6密閉可按照格式（3）快速計算采空區(qū)密閉的漏風(fēng)量，為其他礦井密閉漏風(fēng)檢測與計算提供了科學(xué)的參照。

表4 計算的漏風(fēng)量及其誤差

4 結(jié)論

①利用SF6示蹤氣體，檢測密閉漏風(fēng)處前后SF6氣體濃度，得到烏東煤礦+450水平各密閉的漏風(fēng)量，+450mB1密閉、+450mB2密閉、+450B3密閉及+450mB6密閉的漏風(fēng)量分別為1.81m3/min、2.30m3/min、1.05m3/min、1.35m3/min。②根據(jù)檢測的密閉漏風(fēng)量，計算得到密閉漏風(fēng)系數(shù)的平均值為6.75×10-3m3.5/（N0.5s），并以公式（3）計算出各密閉的漏風(fēng)量與檢測的漏風(fēng)量非常接近，誤差均在5.0%范圍以內(nèi)。③觀測井下密閉內(nèi)外壓差，并根據(jù)密閉參數(shù)，可快速計算得到密閉的漏風(fēng)量，并為其他礦井密閉漏風(fēng)量的檢測與計算提供了科學(xué)的參照。