基于均壓通風和SF6示蹤的漏風治理方案

董學林，劉龍龍，嚴巧文，楊金輝

(1.中煤華晉集團 韓咀煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 042100；2.遼寧工程技術大學 工商管理學院， 遼寧 葫蘆島 125100)

在煤礦生產(chǎn)中，工作面漏風會導致功耗增大、瓦斯積聚和煤層自燃等問題[1]，均壓通風技術和示蹤氣體技術是兩種有效的治理漏風方法。均壓通風技術得益于其原理直觀、安全威脅小和對生產(chǎn)的負面影響小等優(yōu)點，被廣泛應用在礦井漏風治理中[2]. 在示蹤氣體應用方面，唐德馨[3]在對比研究數(shù)種示蹤氣體后，發(fā)現(xiàn)SF6穩(wěn)定性和靈敏性都較好；于志祥[4]認為在負壓漏風中，SF6是較好的選擇，而且能迅速找到漏風點。本文結合韓咀礦32103備采工作面漏風情況，立足于均壓通風技術和SF6示蹤氣體技術各提出一種治理方案，為該礦漏風治理提供借鑒。

1 32103備采工作面漏風情況

韓咀礦32103備采工作面進風量為720 m3/min，回風量為1 082 m3/min，32103主運順槽處的壓力為96 576 Pa，32103輔運順槽處的壓力為96 290 Pa，壓差為286 Pa，即32103備采工作面存在負壓漏風，且漏風點在32103主運順槽和輔運順槽的某處或某幾處，漏風量為362 m3/min.

2 漏風原因分析

32103工作面附近存在多處采空破壞區(qū)，隨著工作面的開采，頂板應力發(fā)生變化，覆巖層易出現(xiàn)裂隙，使之成為漏風通道，造成漏風。

1) 相鄰礦井間漏風。

該礦周邊分布6個煤礦，各礦礦界與該礦礦界緊密相連。32103工作面東臨井田邊界，與王家?guī)X煤礦相鄰，當煤層間距較小時，采動容易在相鄰煤層采空區(qū)間形成漏風通道[5].

2) 地表裂縫發(fā)育引起漏風。

32103工作面標高為+565～+594 m，地面標高為+784～+900 m，最淺處埋深為190 m，因此，頂板裂隙易引發(fā)地表裂隙，地表空氣便可以進入礦井[6].

3) 采空區(qū)煤柱裂隙發(fā)育引起漏風。

32103工作面緊鄰采空破壞區(qū)三帶和采空破壞區(qū)四帶，隨著回采的進行，煤柱極容易因此被擠壓乃至破裂，將相鄰采空區(qū)聯(lián)通起來，引起漏風。

4) 巷道煤柱裂隙發(fā)育引起的漏風。

32103工作面緊鄰32010采空區(qū)，當生產(chǎn)開始時，井下巷道會與32101采空區(qū)不可避免地產(chǎn)生壓差，之后會進一步形成漏風通道。

3 基于均壓通風技術的漏風治理方案

3.1 均壓通風原理

均壓通風通過某些方法來調整工作面風壓，使工作面風壓等于一個定值，這一定值必須能與采空區(qū)風壓平衡，使得漏風通道的兩端壓力趨于平衡，從而減少漏風，達到漏風治理的目的[7-8].

根據(jù)通風阻力定律:

Δh=RQn

(1)

式中，Δh為漏風通道兩端的壓差，Pa；Q為漏風量，m3/s；R為漏風通道風阻，NS2/m8；n為漏風風流流態(tài)指數(shù)，取1～2. 由此得出：

(2)

為了減少漏風量，要使Q最大限度地趨近于0,可以通過增大漏風所經(jīng)受風阻的方法，也可以采取減少漏風通道兩端壓差的方式[8]. 如風機調壓與風窗調壓。風機調壓本質上是通過風機來增風增壓。只有當該風路的風量可以增加的情況下才能使用風機調壓，一般采取進風巷內安裝調壓風機的方法，使漏風壓差減小。風窗調壓本質上是通過風窗來增阻減風。只有當該風路的風量可以降低的情況下才能使用風窗調壓，一般采取回風巷內安裝調節(jié)風窗的方法，使漏風壓差減小。

3.2 漏風治理方案

3.2.1 均壓通風方案設計

根據(jù)均壓通風原理，在北大巷橫貫、32103主運順槽、32103輔運順槽分別設置兩道風門，并設置兩臺并聯(lián)的風機給工作面供風。

1) 北大巷橫貫構筑兩道增壓風門，在其墻體上設4個d80 cm的鐵皮風筒，每個風筒各連接一臺風機,取大直徑風筒，將對旋風機出風口和鐵皮風筒連接牢固后便可使用[9].

2) 32103主運順槽設置兩道均壓門，均壓風門的一側留出風門，另一側留出小口穿皮帶，在以上兩道風門上，安裝跨皮帶全封閉裝置。當均壓系統(tǒng)啟動后，為了方便測壓及觀測工作面的內外壓差，在均壓風門里安裝一個U型壓差計[10].

3) 在32103回風順槽尾部新建兩扇門，兩門間隔在10 m以上，根據(jù)生產(chǎn)需求，可以適當增加兩道門之間的距離。

3.2.2 風量計算和風機選型

1) 32103工作面需風量核定。

32103備采面即將投入生產(chǎn)，因此將其視為采煤工作面，投產(chǎn)后的需風量為996 m3/min.

2) 調節(jié)風窗面積計算。

(3)

式中，Sw為調節(jié)風窗的面積，m2；Q為工作面風量，m3/s；S為回風巷面積，m2，取14；hw為風門的阻力，Pa，按照對備采工作面的壓力提升286 Pa計算。得出風窗面積為1.18 m2.

3) 風機選擇。

(4)

式中，k為漏風備用系數(shù)，取0.92；Qf為風機工作量，m3/s. 由此計算出風機工作量為18.04 m3/s，即1 082 m3/min.

考慮到32103工作面開采后，通風阻力會增大，按照100 Pa計算，風機的工作阻力為386 Pa，風機應滿足工況點風機工作量1 082 m3/min的要求。根據(jù)其他煤礦的生產(chǎn)經(jīng)驗，啟用兩臺2×75 kW對旋風機，并聯(lián)運行，作為備用，需要另外準備兩臺2×75 kW對旋風機。

4 SF6示蹤氣體漏風檢測及密閉填充治理方案

采用SF6示蹤氣體進行漏風檢測，能夠更精準確定漏風點，計算漏風量，而后采用“雙層墻體密閉+材料填充”方式進行漏風治理[11].

4.1 漏風檢測

示蹤氣體定量釋放量計算：

q=KCQ

(5)

式中，q為預計SF6定量釋放流量，m3/min；K為系數(shù)，取4～5；Q為通過被測巷道的風量，m3/min；C是由儀器的檢測靈敏度決定的，表示SF6示蹤氣體在預定的風流中的最小濃度。

計算SF6氣體釋放點與取樣點的距離[12]：

(6)

式中，L為釋放點與取樣點的間距,m；S為井巷斷面積，m2；U為井巷周界長度，m.

4.2 計算方法

漏風量計算:

(7)

式中，ΔQi為所要檢測的巷道的第i段漏風量，m3/min；q為SF6示蹤氣體的釋放量，m3/min；Ci、Ci+1分別為測點i、i+1的SF6示蹤氣體濃度。若ΔQi為正，說明是正壓漏風；若ΔQi為負，則說明是負壓漏風。

漏風率計算：

(8)

式中，ai為所要檢測的巷道的第i段漏風量，%；若ai為正，說明是正壓漏風；若ai為負，則說明是負壓漏風。

取3次測定結果平均算術值，若相對誤差低于5%，則測定結果具有準確性，反之則需重新測定。

4.3 測點布置

對測定點進行布置，見圖1.

圖1 32103備采工作面測點布置圖

1) 回風釋放點。

在32103備采工作面主運順槽和輔運順槽設置SF6回風釋放點，釋放點與工作面保持20 m左右的距離。釋放點工作時，釋放量為3 L/min，釋放過程持續(xù)30 min，保證整個過程穩(wěn)定釋放，并記錄釋放時間和SF6釋放量。

2) 回風采樣點。

在32103主運順槽和輔運順槽設置回風采樣點進行氣樣采集，采集間隔3 min，取樣數(shù)量為10，總取樣時間為30 min. 氣樣采集時對橡膠氣袋編號，并注明時間和地點。

4.4 漏風治理方案

根據(jù)漏風現(xiàn)狀，可采取雙層墻體密閉和材料填充以及局部注漿的治理方案。

1) 雙層墻體密閉和材料填充。

采用混凝土進行雙墻體密閉，雙墻體之間上方用羅克休材料填充，下方用黃土和石灰填充，另外在底槽與墻體交界處傾斜安裝排水管。

2) 局部注漿。

為避免密閉墻體后，墻體所在處附近的煤體裂隙漏風，需在墻體密閉工作完成驗收無誤后，對所密閉墻體前5 m的巷道掛網(wǎng)，掛網(wǎng)后進行噴漿作業(yè)，噴漿厚度在10cm以上為宜。

5 結 語

1) 方案一在北大巷橫貫、32103主運順槽和32103輔運順槽分別設置兩道調壓風門和兩臺并聯(lián)的對旋風機作為調壓風機，并計算了工作面風量、風窗面積,進行了風機選型，根據(jù)均壓通風原理解決漏風問題。

2) 方案二根據(jù)SF6示蹤氣體技術，規(guī)劃出測點布置，找出工作面準確漏風點，并計算出準確漏風量，結合雙墻體密閉和材料填充施工方案，能有效治理漏風。施工時，選擇其中一種方案即可。