不同季節(jié)條件下淺埋煤層采空區(qū)地表垂直漏風(fēng)規(guī)律研究

朱興攀， 王洋， 任曉偉， 晏立， 張林江， 劉文永， 金永飛， 陳玉良

（1. 西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2. 陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司，陜西 榆林719000；3. 陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；4. 西安天河礦業(yè)科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

0 引言

在采動(dòng)影響下，淺埋煤層綜放工作面上覆巖層遭到破壞，容易產(chǎn)生裂隙，這些裂隙將地表與井下采空區(qū)和工作面連通，使地表空氣通過(guò)裂隙進(jìn)入工作面和采空區(qū)，從而產(chǎn)生地表垂直漏風(fēng)[1-3]。由于綜放采空區(qū)遺煤多，若地表垂直漏風(fēng)情況嚴(yán)重，會(huì)使得采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律紊亂、供氧充分[4-5]，導(dǎo)致采空區(qū)氧濃度增大、熱量積聚，最終可能發(fā)生遺煤自燃現(xiàn)象，對(duì)安全回采造成嚴(yán)重威脅[6]。掌握地表垂直漏風(fēng)規(guī)律，減小井下采空區(qū)漏風(fēng)，對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重要意義[7-8]。

通常采用數(shù)值模擬方法和SF6氣體示蹤法對(duì)地表垂直漏風(fēng)規(guī)律進(jìn)行研究[9]。數(shù)值模擬方法能夠較為準(zhǔn)確地對(duì)地表漏風(fēng)情況進(jìn)行模擬[10]。李建偉[11]利用數(shù)值模擬方法，確定了煤礦不同埋深時(shí)地表漏風(fēng)條件下采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)分布規(guī)律。邢震[12]將數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合，對(duì)淺埋厚煤層地表漏風(fēng)進(jìn)行分析，以減小采空區(qū)漏風(fēng)對(duì)煤自然發(fā)火的影響。張杰等[13]通過(guò)物理相似模擬實(shí)驗(yàn)揭示了工作面煤層開(kāi)采過(guò)程中上覆巖層垮落形成的裂隙對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)的影響，同時(shí)采取數(shù)值模擬的方法進(jìn)行驗(yàn)證，提出了封堵防治措施以解決工作面漏風(fēng)問(wèn)題。SF6氣體示蹤法適用于大范圍采空區(qū)，對(duì)于漏風(fēng)位置的檢測(cè)較為準(zhǔn)確[14-15]。趙啟峰等[16]通過(guò)采用“地表與井下采空區(qū)氣壓差、工作面進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷風(fēng)量差、示蹤氣體地面瞬時(shí)釋放法”確定地表漏風(fēng)各參數(shù)。饒孜[17]利用SF6氣體示蹤法查找煤礦漏風(fēng)通道并分析漏風(fēng)規(guī)律，為采取有效措施預(yù)防工作面層間漏風(fēng)提供支持。王超群等[18]通過(guò)SF6氣體示蹤法及重點(diǎn)區(qū)域指標(biāo)氣體數(shù)據(jù)分析法，對(duì)煤礦采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律及其治理措施進(jìn)行了研究。

但大多數(shù)學(xué)者只研究了一個(gè)時(shí)間維度的漏風(fēng)規(guī)律。由于季節(jié)更替，引起氣候、溫度、大氣壓強(qiáng)等環(huán)境因子改變，造成采空區(qū)出現(xiàn)“呼吸效應(yīng)”[19]，發(fā)生漏風(fēng)現(xiàn)象。因此，本文分析了不同季節(jié)的溫度、大氣壓強(qiáng)變化及釋放點(diǎn)隨工作面推進(jìn)的距離與地表垂直漏風(fēng)之間的關(guān)系，并針對(duì)地表垂直漏風(fēng)情況提出合理的治理措施，為礦井防治因漏風(fēng)引起的煤自燃提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。

1 工作面概況

陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司122108工作面為2-2煤層12盤(pán)區(qū)東翼第2個(gè)回采工作面，為Ⅰ類容易自燃煤層，煤層絕對(duì)瓦斯涌出量為2.90 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為0.10 m3/t，煤塵具有爆炸性。礦區(qū)屬于地溫正常區(qū)，無(wú)地?zé)嵛：Γ貕簽榇蟮仂o力場(chǎng)型，在構(gòu)造發(fā)育區(qū)應(yīng)力集中。工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面布置Fig. 1 Working face layout

由于煤層埋藏較淺，采煤引起煤層上部巖層塌陷，巖石破裂形成的裂隙穿透地層直達(dá)地表，形成漏風(fēng)通道。通過(guò)地表塌陷區(qū)實(shí)地觀測(cè)考察發(fā)現(xiàn)，地表松散堆積物主要為砂土，地表可見(jiàn)多條有規(guī)律的裂隙，分別沿工作面走向分布（圖2（a））、工作面傾向分布（圖2（b））及十字交叉分布（圖2（c））。

圖2 地表塌陷區(qū)裂隙分布Fig. 2 Distribution of cracks in surface subsidence area

2 不同季節(jié)的地表垂直漏風(fēng)測(cè)定

2.1 測(cè)試方法

在不同季節(jié)對(duì)122108工作面采空區(qū)地表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)漏風(fēng)測(cè)試。由于礦井采用負(fù)壓抽出式通風(fēng)，地表處于相對(duì)正壓狀態(tài)，所以漏風(fēng)方向是從地表裂隙進(jìn)入井下采空區(qū)[20]。本次測(cè)試采用SF6氣體示蹤法對(duì)地表垂直漏風(fēng)規(guī)律進(jìn)行研究。測(cè)試所需儀器主要有便攜式SF6氣體檢測(cè)儀和漏風(fēng)阻力測(cè)定儀。測(cè)試時(shí)需在地表釋放SF6氣體，在井下工作面回風(fēng)隅角進(jìn)行檢測(cè)。地表人員到達(dá)指定SF6氣體釋放點(diǎn)后，記錄地表溫度、大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)；待井下人員就位后，從選定的氣體釋放點(diǎn)處按照一定的量釋放SF6氣體，記錄SF6氣體釋放時(shí)間及終止時(shí)間；地表釋放SF6氣體后，立即在井下接收點(diǎn)采用便攜式SF6氣體檢測(cè)儀檢測(cè)，分別記錄地表和井下的溫度、大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)。

2.2 SF6氣體示蹤原理

SF6在天然石中不存在，且具有良好的穩(wěn)定性和可測(cè)性，是一種常見(jiàn)的氣體示蹤劑[21]。利用SF6氣體測(cè)試地表垂直漏風(fēng)時(shí)，如果存在漏風(fēng)情況，SF6氣體能夠通過(guò)通道且在回風(fēng)隅角處檢測(cè)到；如果不存在漏風(fēng)情況，則在整個(gè)回風(fēng)巷道中不會(huì)檢測(cè)出SF6氣體。

根據(jù)地表SF6氣體的釋放時(shí)間、井下SF6氣體的出現(xiàn)時(shí)間、釋放點(diǎn)與工作面回風(fēng)隅角的相對(duì)距離，定量計(jì)算地表向采空區(qū)的漏風(fēng)速率。由于風(fēng)流在裂隙中向地層的流動(dòng)不規(guī)則，可通過(guò)釋放點(diǎn)與工作面回風(fēng)隅角之間的最長(zhǎng)和最短距離來(lái)確定最大和最小漏風(fēng)速率。

式中：Vmax，Vmin分別為最大、最小漏風(fēng)速率，m/min；L為SF6氣體釋放點(diǎn)距工作面的水平距離，m；Hd為地表SF6氣體釋放點(diǎn)的標(biāo)高，m；Hj為井下SF6氣體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高，m；t為SF6氣體釋放至終止的時(shí)間間隔，min。

2.3 SF6氣體釋放點(diǎn)布置

在不同季節(jié)對(duì)工作面地表塌陷區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察及調(diào)研，并在地表選取漏風(fēng)量相對(duì)較大、與工作面連通較好的主運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷道，以及由于工作面周期來(lái)壓導(dǎo)致裂隙較大的位置作為SF6氣體釋放點(diǎn)，SF6氣體釋放量為32 L。由于122108工作面北鄰122106工作面采空區(qū)，122106工作面采動(dòng)塌陷產(chǎn)生的地表裂隙可能會(huì)與122108工作面貫通，所以在選擇地表SF6氣體釋放點(diǎn)時(shí)應(yīng)考慮122106工作面及122108工作面地表裂隙的漏風(fēng)情況。在選定的釋放點(diǎn)做好標(biāo)記，并記錄每個(gè)季節(jié)各釋放點(diǎn)位置坐標(biāo)。地表SF6氣體釋放點(diǎn)布置如圖3所示，其中A1—A6，B1—B6，C1—C6，D1—D5分別對(duì)應(yīng)冬季、春季、夏季、秋季的SF6氣體釋放點(diǎn)。

圖3 SF6氣體釋放點(diǎn)布置Fig. 3 SF6 gas release point arrangement

3 結(jié)果分析

3.1 SF6氣體示蹤結(jié)果分析

不同季節(jié)地表和井下采空區(qū)溫度變化如圖4所示?？煽闯龆镜乇砗途虏煽諈^(qū)的溫差最大，地表溫度為零度以下，井下采空區(qū)溫度均在20 ℃以上，最大溫差達(dá)37.7 ℃；夏季地表和井下采空區(qū)的溫差不大，最小溫差只有0.9 ℃。

圖4 不同季節(jié)地表和井下采空區(qū)溫度Fig. 4 Temperature of surface and underground goaf in different seasons

不同季節(jié)地表和井下采空區(qū)大氣壓強(qiáng)變化如圖5所示?？煽闯龆镜乇砗途虏煽諈^(qū)之間的氣壓差相較于其他3個(gè)季節(jié)較大，6個(gè)SF6氣體釋放點(diǎn)中的最大氣壓差為40.37 hPa；夏季地表和井下采空區(qū)之間的氣壓差相較于其他3個(gè)季節(jié)較小，6個(gè)SF6氣體釋放點(diǎn)中的最大氣壓差為22.47 hPa；春季和秋季的地表和井下采空區(qū)氣壓差則相差不大。

圖5 不同季節(jié)地表和井下采空區(qū)大氣壓強(qiáng)Fig. 5 Pressure of surface and underground goaf in different seasons

由圖4和圖5可知，冬季地表和井下采空區(qū)之間的溫差、氣壓差均比夏季大。這是由于季節(jié)更替，地表受自然環(huán)境的影響，溫度和大氣壓強(qiáng)變化較大，而井下采空區(qū)屬于半密閉環(huán)境，溫度和大氣壓強(qiáng)變化相對(duì)較小，所以導(dǎo)致在不同季節(jié)地表和井下采空區(qū)的溫差和氣壓差均存在明顯差異。

通過(guò)式（1）和式（2）計(jì)算得到不同季節(jié)漏風(fēng)速率，如圖6所示?？煽闯?3個(gè)SF6氣體釋放點(diǎn)中有21個(gè)SF6氣體釋放點(diǎn)檢測(cè)出有漏風(fēng)情況，漏風(fēng)比例（存在漏風(fēng)情況的釋放點(diǎn)數(shù)量與總釋放點(diǎn)數(shù)量的比值）高達(dá)91.3%。由于季節(jié)更替造成地表和井下采空區(qū)溫差、氣壓差變化較大，導(dǎo)致漏風(fēng)速率有明顯不同。冬季時(shí)漏風(fēng)速率普遍大于其他3個(gè)季節(jié)，最大漏風(fēng)速率范圍為6.017～9.683 m/min，平均最大漏風(fēng)速率為8.364 m/min，最小漏風(fēng)速率范圍為4.301～6.871 m/min，平均最小漏風(fēng)速率為5.948 m/min；夏季時(shí)漏風(fēng)速率相對(duì)較小，最大漏風(fēng)速率范圍為5.825～8.124 m/min，平均最大漏風(fēng)速率為6.918 m/min，最小漏風(fēng)速率范圍為4.175～5.895 m/min，平均最小漏風(fēng)速率為4.966 m/min；春季與秋季時(shí)漏風(fēng)速率相差不大。

圖6 不同季節(jié)漏風(fēng)速率Fig. 6 Air leakage rate in different seasons

不同季節(jié)平均漏風(fēng)速率隨SF6氣體釋放點(diǎn)距工作面距離變化如圖7所示?？煽闯鯯F6氣體釋放點(diǎn)距工作面較遠(yuǎn)時(shí)，漏風(fēng)速率相對(duì)較小；SF6氣體釋放點(diǎn)距工作面距離較近時(shí)，漏風(fēng)速率相對(duì)較大。這是由于距工作面較遠(yuǎn)的地表裂隙由于塌陷時(shí)間較長(zhǎng)，可能被地表砂土填埋，裂隙相對(duì)較窄，所以漏風(fēng)速率相對(duì)較小；距工作面較近的地表裂隙由于塌陷區(qū)初步形成，裂隙發(fā)育條件較好，數(shù)量相對(duì)較多，所以漏風(fēng)速率相對(duì)較大。

圖7 不同季節(jié)平均漏風(fēng)速率隨工作面距離變化Fig. 7 Variation of average air leakage rate with distance from working face in different season

3.2 防治措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和測(cè)試結(jié)果綜合分析，122108工作面地表垂直漏風(fēng)情況嚴(yán)重，可能影響煤礦安全開(kāi)采，因此有必要采取一定的防治措施。

1） 針對(duì)季節(jié)變化，在井下采空區(qū)采取均壓措施，實(shí)時(shí)調(diào)整地表和井下采空區(qū)之間的氣壓差，盡可能使井下采空區(qū)與地表大氣壓強(qiáng)相等，以防采空區(qū)出現(xiàn)“呼吸效應(yīng)”，減小地表漏風(fēng)。

2） 根據(jù)季節(jié)不同對(duì)工作面進(jìn)回風(fēng)隅角處采取不同的封堵措施。冬季地表和井下采空區(qū)之間氣壓差較大，漏風(fēng)情況嚴(yán)重，可采用黃土袋作為封堵材料，在進(jìn)回風(fēng)隅角處設(shè)置封堵墻；春秋季節(jié)漏風(fēng)相對(duì)較小，可采用風(fēng)筒布進(jìn)行封堵；夏季地表和井下采空區(qū)之間氣壓差最小，漏風(fēng)情況不嚴(yán)重，可不采取封堵措施。

3） 根據(jù)季節(jié)不同對(duì)地表裂隙采取不同的覆蓋措施。夏季地表和井下采空區(qū)之間氣壓差最小，對(duì)裂隙進(jìn)行填平處理；春秋季應(yīng)覆蓋裂隙高出地面0.5 m厚度；冬季氣壓差最大，應(yīng)覆蓋裂隙高出地面1 m厚度。安排巡檢人員對(duì)地表進(jìn)行定期檢查，發(fā)現(xiàn)裂隙應(yīng)及時(shí)填埋。

4 結(jié)論

1） 122108工作面在不同季節(jié)條件下地表和井下采空區(qū)溫差、氣壓差存在明顯差異：冬季地表和井下采空區(qū)之間的溫差、氣壓差相對(duì)較大；夏季地表和井下采空區(qū)之間的溫差、氣壓差相對(duì)較?。淮杭竞颓锛镜乇砗途虏煽諈^(qū)之間的溫差、氣壓差則相差不大。

2） 采空區(qū)冬季漏風(fēng)情況最嚴(yán)重，平均最大漏風(fēng)速率達(dá)8.364 m/min；夏季漏風(fēng)相對(duì)較小，平均最大漏風(fēng)速率為6.918 m/min；春季與秋季的漏風(fēng)速率相差不大。距工作面較近的地表漏風(fēng)速率相對(duì)較大。

3） 針對(duì)季節(jié)變化提出漏風(fēng)治理措施：在井下采空區(qū)采取均壓措施；在工作面進(jìn)回風(fēng)隅角處采取封堵措施；對(duì)地表近工作面的裂隙進(jìn)行覆蓋。