吳玉國 王涌宇

(太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西省太原市，030024)

SF6示蹤氣體瞬時-連續(xù)聯(lián)合釋放法在工作面漏風檢測中的應(yīng)用

吳玉國 王涌宇

(太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西省太原市，030024)

針對平朔井工一礦4109工作面漏風現(xiàn)象，基于SF6氣體的示蹤原理，采用瞬時-連續(xù)聯(lián)合釋放法對4109工作面內(nèi)-外漏風進行系統(tǒng)分析。試驗結(jié)果表明，4109綜放工作面外部漏風通道主要是地表裂隙通道，內(nèi)部漏風主要來自于采空區(qū)和回風巷，并進一步計算出漏風量和漏風率，為礦井火災(zāi)的防治提供了依據(jù)。

礦井漏風 SF6示蹤氣體 瞬時-連續(xù)聯(lián)合釋放法 內(nèi)-外漏風 火災(zāi)防治

AbstractAiming at the air leakage problem in 4109 work face of Pingshuo Underground No. 1 Mine, based on the tracer principle of SF6gas, the instantaneous-continuous joint releasing method was used to systematically analyze the internal-external air leakage of 4109 work surface. The experimental results showed that the external air leakage channel of 4109 fully mechanized caving face was mainly surface fissure channel, while the internal air leakage channel was mainly from the gob and return air roadway. Besides, the air leakage amount and leakage rate were measured to provide the basis for prevention and control of mine fire.

Keywordsmine air leakage, SF6tracer gas, instantaneous-continuous joint releasing method, internal-external air leakage, fire prevention

礦井漏風是井下通風普遍存在的一種現(xiàn)象。礦井漏風會浪費通風能量，降低礦井的有效風量率，造成用風地供風不足，同時，連續(xù)的漏風供氧加速了工作面、采空區(qū)、密閉內(nèi)遺煤的氧化，容易造成采空區(qū)內(nèi)煤炭自燃、瓦斯異常涌出等現(xiàn)象，甚至會產(chǎn)生瓦斯爆炸等事故。礦井漏風已經(jīng)成為影響礦井安全生產(chǎn)的一個重要隱患。

隨著機械化開采的普及，井下巷道交錯，漏風形式多種多樣，程度也不盡相同，因此必須采取有效、準確的方法進行漏風檢測，找出漏風通道，確定漏風規(guī)律,為礦井火災(zāi)的防治提供依據(jù)。目前國內(nèi)外普遍使用基于SF6示蹤氣體的漏風檢測技術(shù)對礦井漏風進行測定和定量計算。

1 示蹤氣體原理

示蹤技術(shù)測量礦井風量的基本原理是示蹤氣體質(zhì)量守恒方程。示蹤氣體釋放后與巷內(nèi)空氣迅速而充分混合，當巷道風量一定，在一定時間后，接收點的示蹤氣體濃度將為常數(shù)。示蹤氣體測定漏風技術(shù)可以分為瞬時釋放和連續(xù)定量釋放。

(1)瞬時釋放法。在漏風源一次瞬時釋放一定數(shù)量的SF6氣體，同時在漏風匯集處取樣分析(一般每間隔5～20 min取樣一次)，通過分析采集氣樣中是否含有SF6來確定是否存在漏風、漏風通道、漏風速度和漏風方向。

(2)連續(xù)定量釋放。在井巷進風流中，連續(xù)穩(wěn)定地釋放SF6氣體，然后分別在沿風流方向設(shè)定的采樣點采集氣樣。如果沿途有風漏入時，則井巷中風量逐漸增加，風流中SF6濃度逐漸下降。通過對采樣點SF6濃度變化的分析，即可求得漏風量，從而找出漏風規(guī)律。

圖1 連續(xù)穩(wěn)定釋放SF6測定漏風原理

連續(xù)穩(wěn)定釋放SF6測定漏風原理如圖1所示，設(shè)在1處連續(xù)穩(wěn)定釋放SF6氣體，在2處采集氣樣，假設(shè)環(huán)境中SF6濃度可以忽略不計，只需要在巷道沿風流方向選擇多個采樣點，并同時采樣，測定氣樣中的SF6濃度，便可計算出各采樣點的風量，從而求出漏風量：

(1)

式中：ΔQ——漏風量，m3/min；

Q1——流經(jīng)1點出的風量，m3/min；

Q2——流經(jīng)2點出的風量，m3/min；

q——1點處SF6氣體釋放量，m3/min；

C1——1點處SF6濃度，%；

C2——2點處SF6濃度，%。

同時可以進一步求得漏風率K：

(2)

2 漏風檢測方法的確定

平朔井工一礦煤層屬于埋藏淺、近距離煤層，特別是4109工作面，其上部還存在小窯破壞區(qū)，漏風成為4109工作面自燃火災(zāi)的重大隱患。通過勘探分析，4109工作面主要有地表漏風、4109工作面上部小窯破壞區(qū)及鄰近工作面通過采動裂隙的漏風以及本層工作面內(nèi)部漏風3個漏風通道，按照漏風通道的不同可以分為外部漏風和內(nèi)部漏風，因此本文利用瞬時-連續(xù)聯(lián)合釋放法，系統(tǒng)地對4109工作面內(nèi)-外漏風系統(tǒng)進行分析。

2.1 瞬時釋放法

根據(jù)勘探分析，4109工作面唯一的漏風匯在回風隅角處，根據(jù)示蹤氣體漏風測定技術(shù)的特點，利用SF6氣體瞬時釋放法對4109工作面外部漏風進行研究，具體步驟如下：

(1)在4109綜放工作面所處的井上位置靠近回風巷一側(cè)選擇了2處較寬較深的地表裂縫作為SF6氣體釋放點，使SF6氣體最大可能地漏入井下采空區(qū)。

(2)在4109綜放工作面上部小窯底板處和南部4111工作面的回風巷道處，分別選擇2處釋放SF6氣體。

為降低試驗偶然性，在每個地方選定2個釋放點輪流釋放SF6氣體，首先在第一個釋放點釋放5 min，隨后在另一個釋放點繼續(xù)釋放5 min，輪流釋放完20 min后，在4109綜放工作面的回風上隅角進行采樣分析，每隔10 min采樣一次，共采氣樣球15個。

2.2 連續(xù)釋放法

為進一步確定4109綜放工作面內(nèi)部的漏風規(guī)律，采用連續(xù)釋放SF6氣體法對內(nèi)部漏風通道、漏風量、漏風率等具體參數(shù)進行研究。

(1)SF6氣體釋放量的大小取決于巷道的風量和地表漏風量及分析儀器的檢測濃度。其穩(wěn)定連續(xù)釋放流量可用式(3)估算：

q>(2.5～3.5)QM×C

(3)

式中：QM——巷道風量，m3/min；

C——儀器的適應(yīng)檢測濃度，%。

將4109綜放工作面進風巷道風量1436 m3/min代入式(3)，得SF6氣體釋放量為63 ml/min。

(2)采樣點的布置要滿足SF6氣體充分釋放且均勻混合。SF6示蹤氣體在巷道中沿徑向擴散，距離釋放點越遠，擴散越均勻，當巷道斷面中心的濃度是巷道壁面濃度的0.95倍時，可認為示蹤氣體擴散已經(jīng)達到均勻。通過實踐發(fā)現(xiàn)，SF6在釋放120 m后，這個比值可以達到0.95，因此選擇在距釋放源120 m處開始布置采樣點。

4109綜放工作面進回風巷釋放點及采樣點的布置情況如圖2所示，釋放源距離工作面160 m，在距釋放源下風流120 m，每隔20 m布置一個采樣點，共3個，編號1，2，3；然后在對應(yīng)的回風巷道內(nèi)同樣布置3個采樣點，編號4，5，6。當從釋放源釋放氣體后經(jīng)過1 h開始采樣，在各個采樣點分別采樣兩次，兩次采樣的時間間隔為10 min。

圖2 4109綜放工作面SF6釋放點及采樣點布置方式

3 漏風檢測結(jié)果及分析

3.1 瞬時釋放法漏風檢測結(jié)果及分析

在4109綜放工作面地表裂隙、小窯底板等區(qū)域進行瞬時釋放SF6氣體后，監(jiān)測SF6氣體濃度變化趨勢如圖3所示。由圖3可以看出，在回風隅角處檢測到的小窯底部破壞區(qū)和鄰近工作面所釋放的SF6氣體濃度很低，變化幅度小，表明這兩處所釋放的SF6氣體并未充分到達4109綜放工作面，也就是說從這兩處到4109綜放工作面并無明顯漏風裂隙和通道；而地表裂隙處的SF6氣體濃度明顯高于其他兩處，其SF6氣體濃度呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定、最后迅速降低的趨勢，這主要是由于地表裂隙處釋放的SF6氣體通過裂隙通道逐漸到達4109綜放工作面處，然后在一段時間內(nèi)濃度保持穩(wěn)定，隨后隨著釋放的停止?jié)舛戎饾u降低。地表裂隙處SF6氣體濃度變化規(guī)律表明了從地表裂隙處到4109綜放工作面有明顯的漏風通道，需要進行有效治理。

圖3 瞬時釋放法SF6氣體濃度變化趨勢

3.2 連續(xù)釋放法漏風檢測結(jié)果及分析

巷道內(nèi)各個采樣點連續(xù)兩次檢測SF6氣體的濃度值情況見表1。由表1可以看出，沿著風向流動的方向，SF6濃度逐漸降低，而采樣點的風量卻逐漸增加，表明4109綜放工作面存在明顯漏風。根據(jù)漏風采樣地點的不同，可以將4109綜放工作面漏風地點劃分為進風巷、采空區(qū)、回風巷3個不同區(qū)域，3個不同區(qū)域的具體漏風參數(shù)(平均值)見表2。

表1 4109綜放工作面內(nèi)部采樣點漏風量測定結(jié)果

表2 4109工作面漏風量及漏風率

(1)進風巷道，采樣點1-2-3。結(jié)合表1和表2可以看出，進風通道內(nèi)部的采樣點SF6氣體與巷道內(nèi)空氣混合均勻，濃度變化不大，漏風量及漏風率很小。

(2)采空區(qū)，采樣點3-4。當風流從采樣點3流向4后，SF6氣體濃度急劇降低，漏風量和漏風率也明顯高于進風巷道，表明采空區(qū)內(nèi)存在明顯漏風。由于4109綜放工作面構(gòu)造復(fù)雜，采空區(qū)漏風主要來源于鄰近采空區(qū)及地表裂隙，通過瞬時釋放法也得出，地表裂隙向4109綜放工作面漏風量明顯，造成采空區(qū)漏風增加。

(3)回風巷，采樣點4-5-6。經(jīng)檢測回風巷道內(nèi)部的漏風量在55 m3/min左右，漏風率在3.5%左右，說明回風巷道存在漏風現(xiàn)象。這主要是由于在回風巷道內(nèi)側(cè)留有一定的隔離煤柱，在礦壓的作用下，煤柱受壓變形出現(xiàn)裂隙，形成漏風通道，導(dǎo)致回風巷道出現(xiàn)較大漏風。

工作面漏風的存在會誘導(dǎo)浮煤的氧化自燃，通過利用瞬時-連續(xù)聯(lián)合釋放SF6法，對4109綜放工作面的內(nèi)外漏風通道進行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)4109綜放工作面外部漏風通道主要是地表裂隙通道，內(nèi)部漏風主要來自于采空區(qū)和回風巷，針對主要漏風通道，應(yīng)及時采取有效的堵漏措施，減少風流通過漏風通道，從根本處上切斷供氧源，防止4109綜放工作面的浮煤自燃。

4 結(jié)論

采用瞬時-連續(xù)聯(lián)合釋放法確定了4109綜放工作面外部漏風通道主要是地表裂隙通道，通過合理布置了示蹤氣體釋放點與采樣點的位置，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的漏風通道主要來自于采空區(qū)和回風巷漏風，并進一步計算出漏風量和漏風率，為礦井火災(zāi)的防治提供了依據(jù)；采用瞬時-連續(xù)聯(lián)合釋放法避免了單一方法的局限性，具有一定的推廣意義。

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(責任編輯 張艷華)

Applicationofworkfaceairleakagemonitoringbythejointreleasingmethodofinstantaneous-continuousSF6tracergas

Wu Yuguo, Wang Yongyu

(College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

TD728

A

吳玉國，王涌宇. SF6示蹤氣體瞬時-連續(xù)聯(lián)合釋放法在工作面漏風檢測中的應(yīng)用[J].中國煤炭，2017，43(9)：108-111. Wu Yuguo, Wang Yongyu. Application of work face air leakage monitoring by the joint releasing method of instantaneous-continuous SF6tracer gas [J]. China Coal, 2017, 43(9):108-111.

吳玉國(1978-)，男，湖南汨羅人，副教授，長期從事煤炭自燃火災(zāi)防治的研究。