季節(jié)對淺埋深厚煤層采空區(qū)垂直漏風(fēng)的影響研究

畢建乙

(山西臨汾西山生輝煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 041000)

淺埋煤層綜放面回采之后,上覆巖層在采動破壞作用下,覆巖遭到嚴(yán)重破壞,產(chǎn)生大量裂隙裂縫,通過這些裂隙裂縫地表和井下采空區(qū)連通在一起,地表存在大量的垂直漏風(fēng)[1-3]。因綜放面回采率相對較低,采空區(qū)存在一定的遺煤,如果地表漏風(fēng)嚴(yán)重,就會為采空區(qū)提供大量的氧氣[4-5],導(dǎo)致采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)不斷增大、熱量積聚,引發(fā)采空區(qū)遺煤自然發(fā)火,嚴(yán)重影響工作面的安全生產(chǎn)[6]。因此研究淺埋深工作面對應(yīng)地表的漏風(fēng)規(guī)律,減少采空區(qū)漏風(fēng),將會有效保障礦井的安全生產(chǎn)[7-8]。

為了研究地表漏風(fēng)規(guī)律,科研人員通過數(shù)值模擬和示蹤氣體進(jìn)行了大量的研究工作[9]。史默等[10]在文家坡煤礦4105工作面利用SF6示蹤法和COMSOL數(shù)值模擬的方法對采空區(qū)漏風(fēng)通道和采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)封堵采空區(qū)時需要在進(jìn)、回風(fēng)隅角同時封堵,徹底阻斷漏風(fēng)通道,降低采空區(qū)漏風(fēng)。劉思鑫等[11]在青龍煤礦11808孤島面利用SF6示蹤法研究采空區(qū)及相鄰采空區(qū)的漏風(fēng)情況,獲得孤島面采空區(qū)的漏風(fēng)分布規(guī)律,為防止遺煤自燃提供依據(jù)。張岱岳等[12]在上灣煤礦利用SF6示蹤氣體和Fluent數(shù)值模擬研究22104采空區(qū)漏風(fēng)通道和采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律,得到回風(fēng)隅角缺氧的根源,并實(shí)施局部均壓通風(fēng)解決回風(fēng)隅角缺氧難題。管隆剛等[13]在小保當(dāng)一號煤礦112207工作面利用SF6示蹤氣體檢漏技術(shù)研究地表漏風(fēng)規(guī)律,結(jié)合獲得研究結(jié)果采取有效的抑制漏風(fēng)措施,減小采空區(qū)的外部漏風(fēng)。

目前科研人員只是單一在一個季節(jié)研究地表漏風(fēng)規(guī)律,未對不同季節(jié)期間的地表漏風(fēng)規(guī)律進(jìn)行研究。但是季節(jié)變化期間,地表的溫度、壓強(qiáng)發(fā)生一系列的變化,地表漏風(fēng)增大,引發(fā)工作面發(fā)生“呼吸效應(yīng)”[14-15],自然發(fā)火危險增加。所以,本文在山西焦煤西山煤電生輝煤業(yè)20100工作面開展試驗(yàn),研究季節(jié)變化期間,地表漏風(fēng)與溫度、壓強(qiáng)、氣體釋放點(diǎn)及工作面開采速度的關(guān)系,同時提出針對性的漏風(fēng)防治措施,為礦井治理采空區(qū)自然發(fā)火奠定基礎(chǔ)。

1 工作面基本情況

山西焦煤西山煤電生輝煤業(yè)井田面積為9.844 9 km2,生產(chǎn)規(guī)模為9×105t/a,批采煤層為9+10+11號煤層。20100工作面位于一采區(qū)西部,開切眼長為176 m,可采長度為603 m,工作面總面積為135 702 m2,可采儲量約為150.86萬噸,服務(wù)年限為1.68 a.工作面標(biāo)高為+940～+1 020 m,地面標(biāo)高為+1 077～+1 332 m,煤層埋深為137～312 m.工作面開采9+10+11號煤層,煤層厚度平均約為6.5 m,煤層傾角為3°～15°.裂隙發(fā)育,條帶狀結(jié)構(gòu),層狀、塊狀構(gòu)造,局部夾有黃鐵礦結(jié)核,含2～7層夾矸,層位穩(wěn)定,厚度變化不大,頂板為石灰?guī)r,底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖,為穩(wěn)定可采煤層。

20100工作面以北為趙家梁村莊保護(hù)煤柱,以南為一采區(qū)回風(fēng)巷,以西為20102工作面采空區(qū),以東為一采區(qū)20110工作面,以南為實(shí)體煤。

9+10+11號煤層具有爆炸危險性,煤的自燃等級為Ⅱ級,屬于自燃煤層。煤層無沖擊地壓危害。礦井絕對瓦斯涌出量為2.27 m3/min,相對瓦斯涌出量為1.08 m3/t,礦井為低瓦斯礦井,屬地溫地壓正常區(qū)。工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面巷道布置情況

因9+10+11號煤層埋深小,工作面回采后導(dǎo)致覆巖垮落塌陷,所形成的裂縫裂隙與地表溝通,產(chǎn)生大量的漏風(fēng)通道。通過對地表進(jìn)行巡查發(fā)現(xiàn),地表產(chǎn)生大量的裂隙裂縫,其沿工作面走向、傾向、十字交叉分布情況如圖2所示。

圖2 地表裂縫裂隙情況

2 季節(jié)不同時地表漏風(fēng)測定

2.1 測試過程

選擇4個不一樣的季節(jié)現(xiàn)場測試20100采空區(qū)對應(yīng)地表的漏風(fēng)情況。因礦井通風(fēng)方式選擇抽出式,漏風(fēng)方向由地表裂隙到采空區(qū)。通過SF6氣體示蹤法測定地表漏風(fēng)情況,即人員在地表釋放SF6氣體,另一個人在回風(fēng)隅角檢測氣體,所用儀器為漏風(fēng)阻力測定儀、便攜式SF6氣體檢測儀。具體測試過程:

1) 在地面安排2個人,1人負(fù)責(zé)記錄氣體釋放地點(diǎn)的溫度、壓強(qiáng)及氣體釋放、停止時間,另一個人負(fù)責(zé)釋放SF6氣體,具體釋放氣體時間等待調(diào)度通知。

2) 在工作面回風(fēng)隅角安排1人,人員到崗后向調(diào)度匯報,調(diào)度通知地面負(fù)責(zé)氣體釋放的人員,在預(yù)先確定好的釋放點(diǎn)處向地表裂縫裂隙釋放SF6氣體,地面人員記錄好氣體釋放、停止時間。

3) 完成地面SF6氣體釋放工作后,回風(fēng)隅角處人員立即通過便攜式SF6氣體檢測儀測定氣體,同時地面和回風(fēng)隅角人員將地表和回風(fēng)隅角的溫度、壓強(qiáng)記錄好。

2.2 示蹤氣體測漏風(fēng)原理

因天然巖石內(nèi)不含有SF6氣體,加之SF6氣體的可測性和穩(wěn)定性較強(qiáng),屬于良好的氣體示蹤劑,可廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。通過在地表釋放SF6氣體以檢測地表漏風(fēng)情況,如果地表裂隙漏風(fēng),那么SF6氣體可沿著漏風(fēng)通道進(jìn)入井下,這樣就可以在回風(fēng)隅角測定到。如果地表無漏風(fēng),那么井下采煤工作面兩巷無法測定到SF6氣體。結(jié)合在地表釋放SF6氣體的時間、回風(fēng)隅角測定出SF6氣體的時間以及氣體釋放點(diǎn)和回風(fēng)隅角的距離,以核算出漏風(fēng)速率。因漏風(fēng)風(fēng)流沿著裂隙通道由地表進(jìn)入到采空區(qū)時存在不規(guī)則性,可利用氣體釋放點(diǎn)到回風(fēng)隅角的距離范圍來計算漏風(fēng)速率的大小。

(1)

(2)

式中:Vmax為最大漏風(fēng)速率,m/min;L為氣體釋放點(diǎn)距工作面的水平距離,m;Hd為地表氣體釋放點(diǎn)的標(biāo)高,m;Hj為井下氣體接受點(diǎn)的標(biāo)高,m;t為氣體由釋放至停止的時間差,min;Vmin為最小漏風(fēng)速率,m/min.

2.3 設(shè)置釋放氣體點(diǎn)

選擇季節(jié)不同時期現(xiàn)場考察及調(diào)研采煤工作面的地表塌陷區(qū)變化情況,根據(jù)地表裂縫裂隙發(fā)育情況,SF6氣體釋放地點(diǎn)挑選與采煤面進(jìn)回風(fēng)巷溝通較順暢、漏風(fēng)量較大及因周期來壓致使裂隙發(fā)育良好的區(qū)域,控制釋放SF6氣體的體積為34 L.因20100工作面西側(cè)為20102采空區(qū),20102工作面回采完成后,采動破壞所引起的地表裂縫裂隙連通20100工作面,因此確定地面SF6氣體釋放地點(diǎn)時,需要研判20100和20102工作面的地表裂縫裂隙漏風(fēng)大小。在氣體釋放處提前做好記號,同時將4個季節(jié)釋放氣體的地點(diǎn)坐標(biāo)位置記錄好。圖3為20100工作面地表SF6氣體釋放位置的平面圖,春、夏、秋、冬4個季節(jié)SF6氣體釋放區(qū)域分別為B1—B6、C1—C6、D1—D5、A1—A6.

圖3 釋放SF6氣體區(qū)域

3 現(xiàn)場測試結(jié)果分析

3.1 示蹤氣體結(jié)果

圖4為季節(jié)變化期間工作面對應(yīng)地表和采空區(qū)的溫度變化情況。

圖4 不同季節(jié)時工作面地表和采空區(qū)溫度對比

從圖4發(fā)現(xiàn):夏天時,工作面對應(yīng)地表的溫度與采空區(qū)溫度差值最小,僅為1.0 ℃;冬天時,工作面對應(yīng)地表的溫度與采空區(qū)的溫度差值最大,采空區(qū)溫度都超過20 ℃,而地表處于0 ℃以下,二者溫度的最大差值達(dá)到38.1 ℃.

圖5為季節(jié)變化期間工作面對應(yīng)地表和采空區(qū)的大氣壓強(qiáng)變化情況。

圖5 不同季節(jié)時井上下壓強(qiáng)變化規(guī)律

從圖5發(fā)現(xiàn):春秋兩季的工作面對應(yīng)地表的氣壓與采空區(qū)氣壓的差值幾乎相同,呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律;冬天時,工作面對應(yīng)地表的氣壓與采空區(qū)氣壓的差值比其他3個季節(jié)大,冬天釋放SF6氣體6個區(qū)域中工作面對應(yīng)地表的氣壓與采空區(qū)氣壓的最大壓差為41.68 hPa;夏天時,工作面對應(yīng)地表的氣壓與采空區(qū)氣壓的差值比其他3個季節(jié)小,夏天釋放SF6氣體6個區(qū)域中工作面對應(yīng)地表的氣壓與采空區(qū)氣壓的最大壓差為21.95 hPa.

從圖4、圖5發(fā)現(xiàn),夏天時,采空區(qū)對應(yīng)地表的溫度、氣壓與井下采空區(qū)的溫度、氣壓之間的差值小于冬天,原因是季節(jié)變化時,由于自然因素對地表產(chǎn)生較大影響,地面溫度和氣壓發(fā)生較大的波動,但工作面采空區(qū)為半封閉區(qū)域,氣壓和溫度變化較小,因此季節(jié)變化時采空區(qū)和對應(yīng)的地表溫度和氣壓二者之間的差值具有顯著的差異性。

利用公式(1)和公式(2),對季節(jié)變化時的漏風(fēng)速率進(jìn)行計算,具體如圖6所示。從圖6發(fā)現(xiàn),在地表23個地點(diǎn)釋放SF6氣體,其中僅有2個釋放點(diǎn)沒有檢驗(yàn)出漏風(fēng),其他21個地點(diǎn)的檢驗(yàn)出地表存在明顯的漏風(fēng),且漏風(fēng)率高達(dá)91.3%.

圖6 不同季節(jié)時漏風(fēng)速率變化情況

因?yàn)榧竟?jié)變化導(dǎo)致采空區(qū)和對應(yīng)的地表二者溫度、氣壓之間產(chǎn)生較大的差值,所形成的漏風(fēng)速率也存在顯著差異。春天、夏天、秋天3個季節(jié)的漏風(fēng)速率均比冬天小,春、秋兩季時的漏風(fēng)速率變化規(guī)律大致相同,差異性不明顯;夏天時地表具有較小的漏風(fēng)速率,最大漏風(fēng)速率波動區(qū)間為5.819～8.116 m/min,最大漏風(fēng)速率平均值為6.923 m/min,最小漏風(fēng)速率波動區(qū)間為4.167～5.884 m/min,最小漏風(fēng)速率平均值為4.973 m/min;冬天的最大漏風(fēng)速率波動區(qū)間為6.021～9.678 m/min,最大漏風(fēng)速率平均值為8.294 m/min,最小漏風(fēng)速率波動區(qū)間為4.297～6.863 m/min,最小漏風(fēng)速率平均值為5.958 m/min.

圖7為季節(jié)變化時漏風(fēng)速率與氣體釋放點(diǎn)距工作面距離之間的變化規(guī)律。從圖7發(fā)現(xiàn):釋放氣體的位置與工作面距離較大時,漏風(fēng)速率較小;釋放氣體的位置與工作面距離較小時,漏風(fēng)速率較大。原因是與工作面距離較大的地表裂縫裂隙因發(fā)生塌陷的周期較長,砂土填充到裂縫裂隙內(nèi),導(dǎo)致裂隙窄而小,漏風(fēng)通道發(fā)育較差,因此漏風(fēng)速率不大;與工作面距離較小的地表裂縫裂隙因工作面回采時間較短,頂板垮落完全,產(chǎn)生塌陷區(qū)的周期較短,產(chǎn)生大量的裂縫裂隙,且有的裂縫裂隙沒有被砂土填埋,漏風(fēng)通道發(fā)育良好,相互溝通,因此產(chǎn)生較大的漏風(fēng)速率。

圖7 季節(jié)變化時漏風(fēng)速率與氣體釋放點(diǎn)工作面距離之間的變化規(guī)律

3.2 漏風(fēng)治理措施

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況和實(shí)測結(jié)果發(fā)現(xiàn),20100工作面地表裂隙漏風(fēng)嚴(yán)重,導(dǎo)致工作面采空區(qū)存在自然發(fā)火危險,需要采取有效治理措施。

1) 為了應(yīng)對不同季節(jié)期間溫度和氣壓的變化,在工作面采空區(qū)實(shí)施均壓通風(fēng)安全技術(shù)措施,實(shí)時平衡采空區(qū)和對應(yīng)地表之間的壓差,保持采空區(qū)和對應(yīng)地表之間壓強(qiáng)相近或者相等,避免采空區(qū)進(jìn)行“呼吸效應(yīng)”,降低地表裂隙的漏風(fēng)量。

2) 在工作面進(jìn)、回風(fēng)隅角處,結(jié)合季節(jié)變化特點(diǎn)實(shí)施針對性的封堵措施。春、秋兩季地表裂隙漏風(fēng)量不大,利用風(fēng)筒布封堵工作面進(jìn)、回風(fēng)隅角;夏季因采空區(qū)和對應(yīng)地表之間的壓差小,地表裂隙存在微小的漏風(fēng),封堵措施可不實(shí)施;冬季因采空區(qū)和對應(yīng)地表之間的壓差大,地表裂隙漏風(fēng)嚴(yán)重,在進(jìn)、回風(fēng)隅角處選用黃土垛袋砌墻進(jìn)行封堵。

3) 在地表結(jié)合季節(jié)變化特點(diǎn)實(shí)施不同的裂隙填埋覆蓋措施。春、秋兩季在地面實(shí)施裂隙填埋覆蓋,覆蓋厚度超過地表0.5 m;夏季在地表實(shí)施填平裂隙即可;冬季因漏風(fēng)大、壓差高,在地表實(shí)施裂隙填埋覆蓋,覆蓋厚度超過地表1 m.同時定期指派地測和通風(fēng)專業(yè)人員對地表裂隙進(jìn)行巡查,發(fā)現(xiàn)裂縫裂隙第一時間報告調(diào)度,安排人員處理。

3.3 漏風(fēng)效果檢驗(yàn)

采取以上漏風(fēng)治理措施后,在地面裂隙裂縫進(jìn)行現(xiàn)場漏風(fēng)效果檢驗(yàn),通過漏風(fēng)風(fēng)速測定,發(fā)現(xiàn)春、夏、秋、冬漏風(fēng)速率、工作面對應(yīng)地表的氣壓與采空區(qū)氣壓均明顯減小,四個季節(jié)差值不明顯,漏風(fēng)速率波動區(qū)間為0.564～1.375 m/min,工作面對應(yīng)地表的氣壓與采空區(qū)氣壓的壓差變化區(qū)間為6.67～9.41 hPa,取得了良好漏風(fēng)治理效果。

4 結(jié) 語

1) 不同季節(jié)時,20100工作面采空區(qū)和對應(yīng)地表之間的溫差、壓差存在不同的變化規(guī)律:春、秋兩季采空區(qū)和對應(yīng)地表之間的溫差、壓差小,幾乎無變化;冬季的溫差、壓差最大;夏季的溫差、壓差較小。

2) 現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果發(fā)現(xiàn):冬季地表與20100采空區(qū)之間發(fā)生嚴(yán)重的漏風(fēng),最大漏風(fēng)速率平均值為8.294 m/min;夏季地表漏風(fēng)減小,最大漏風(fēng)速率平均值為6.923 m/min;春、秋兩季漏風(fēng)速率幾乎一致。與工作面距離較小的地表產(chǎn)生較大的漏風(fēng)速率。

3) 根據(jù)不同季節(jié)的變化特點(diǎn)采取防治漏風(fēng)措施:在工作面采空區(qū)實(shí)施均壓通風(fēng)安全技術(shù)措施;對進(jìn)、回風(fēng)隅角實(shí)施針對性的封堵措施;對地表裂隙實(shí)施不同的填埋覆蓋措施。