淺埋煤層采空區漏風檢測

淺埋煤層采空區漏風檢測

作者：張海峰¹張茂文²

（內蒙古伊泰煤炭股份有限公司煤炭生產事業部技術中心、陽灣溝煤礦，內蒙古鄂爾多斯017000）

摘要：本文03manbetx 了淺埋煤層的漏風特點，選取陽灣溝煤礦6202工作麵采空區為漏風通道檢測對象，利用釋放SF₆示蹤氣體方法檢測出漏風風速，並實測出漏風風量，為淺埋煤層漏風研究和防滅火管理提供技術保障。

關鍵詞：淺埋煤層；漏風；檢測；六氟化硫（SF₆）

采空區漏風是造成采空區內自然發火的必要條件之一，是煤礦安全生產的重大安全隱患。淺埋煤層受到開采影響，易引起塌陷，使采空區地表形成許多裂縫，不易封閉，在礦井負壓通風的作用下，空氣從地表滲入采空區，並從采煤工作麵流出，存在較為明顯的采空區地表漏風現象。地表漏風使得淺埋煤層采空區氧濃度升高，加大了采空區遺煤自燃危險性。因此，有效檢測淺埋煤層采空區的漏風通道，以便有針對性地采取措施，消除漏風或將漏風控製在易自燃風速之外是防止或抑製淺埋煤層采空區遺煤及破碎煤柱自燃發火的重要手段。

1淺埋煤層采空區漏風通道的形成

淺埋煤層埋藏淺，頂板基岩薄，頂板上部僅有鬆散的覆蓋層。大量研究表明薄基岩淺埋煤層工作麵覆岩不存在“三帶”，基本上隻有冒落帶和裂隙帶^[1]。淺埋煤層采空區上部形成的冒落帶可達到基岩頂界麵，裂縫帶可達到地表或高出地表。隨著淺埋煤層的開采和工作麵推進，地表不斷的產生非連續式裂縫破壞帶，並且地表將出現急劇下沉，易出現較深的沙漏鬥並形成圓錐形、橢圓形塌陷坑。上覆岩土層移動變形破壞在工作麵煤壁形成裂縫，關鍵塊逆向回轉使裂縫張開，致使大量采空區和地表間的裂隙通道的形成。隨著高強度、大規模的開采，淺埋煤層關鍵層結構破斷，引起工作麵強烈來壓和工作麵出現台階下沉，造成基岩全厚切落和地表非連續破壞出現地塹。

當礦井采用抽出式通風時，在地麵與采空區通風壓差的作用下，漏風風流由地麵裂隙處滲入，經過采空區，然後往工作麵回風側或其他低位能點滲漏，如圖1所示。空氣在采空區鬆散介質中的滲流過程十分複雜，影響的因素繁多。漏風主要由風流運動的動力梯度供給，漏風強度的大小與采空區鬆散介質的空隙率和風壓梯度有關。

圖1采空區漏風示意圖

采空區的漏風強度與煤體蓄熱條件都是和空隙率密切相關的，但嚴格說采空區空隙率應分為兩個部分考慮：一是鬆散煤體的空隙率；二是垮落頂板空隙率。鬆散煤體的空隙率主要影響著煤體內部氧滲透和分布、高溫點的深度等；垮落頂板空隙率主要影響煤體表麵散熱的快慢和漏風強度，隨著工作麵向前的推進和時間的推移，采空區的空隙率隨時發生變化。一般而言，頂板岩層越堅硬，空隙率也就越大；礦壓越大空隙率越小，並且采空區距工作麵越遠，礦壓越大，作用時間長，空隙率就越小；反之就越大^[2]。在高生產強度的綜采工作麵生產過程中，冒落帶和裂隙帶是滲流的主要區域。

2漏風通道的測定

2.1測定地點選擇及工作麵概況

Y煤礦礦區位於內蒙古自治區準格爾煤田窯溝詳查區內，地層賦存總的特征是：煤層埋藏淺，頂板基岩薄，煤係地層上方為厚風積沙層覆蓋層，地質構造簡單，裂隙帶易構成地表與采空區漏風的通道。地麵裂隙如圖2所示。

圖2采空區裂隙現場踏勘圖

Y煤礦6202工作麵距地麵約為 226m 。工作麵範圍內，開采煤層厚度為15.05~ 20.51m ，平均 18.95m ，為單一穩定可采煤層。煤層產狀：沿工作麵推采方向，煤層總體呈水平，傾角0～3°左右，局部呈現波狀起伏狀態。即6202工作麵處煤層頂部地層厚度累計值平均約為 207m 。工作麵走向長為 117m ，傾斜長度為 386.7m ，麵積達 45243.9m² 。6202煤層頂底板情況如表1所示。

表16202煤層頂底板情況表

2.2漏風原因03manbetx

Y煤礦采用全負壓通風，6202工作麵進風隅角壓力為89070Pa，回風隅角比進風隅角壓力略大，約為P₀=89190Pa，地表大氣壓力為P₁=87700Pa。由於地表各點高度差別不大，按其平均距離煤層底板高度h= 226m 算。則地表與井下回風隅角總壓力差為：

∆H=P₁+ρgh-P₀=87700+1.08×9.8×226-89190=902（Pa）

由此可知采空區的兩端地表與井下存在較大的壓差，由於Y煤礦屬於淺埋薄基岩煤層，采空區與地麵之間存在大量裂隙，空氣將流經采空區從地麵向井下流動，造成地表對采空區漏風。

2.3漏風測定步驟

礦井采空區漏風檢測一般采用SF₆示蹤氣體，其基本原理是：在可疑漏風源（能位高處）處釋放出一定量的SF₆氣體，在可疑漏網彙（能位低處）處進行取樣檢測，根據檢測結果，檢測距離，檢測到的時間和濃度，找出漏風通道，推算漏風風速和漏風量。以便采取切實可行的堵漏措施，達到防滅火的理想效果。測定步驟：1）首先根據礦井通風係統圖03manbetx 可能的漏風通道、漏風源、漏風彙；2）在地麵將SF₆氣體裝入氧氣袋中，帶往選定的漏風源處釋放SF₆氣體；3）在漏風彙每隔一定時間用球膽采集氣樣；4）將采集的氣樣送地麵用檢測儀進行檢測；5）根據氣樣檢測結果確定漏風通道和漏風風速。

2.3.1 釋放點和取樣地點的確定

為了確定采空區地麵裂縫是否與井下采空區溝通，選擇在進風側高能位點的裂縫處作為釋放地點，取樣地點當然就選在低能位點的密閉或順槽煤壁及工作麵回風隅角。根據能位03manbetx 和礦井通風測試資料，對6號煤采空區所有密閉和6202工作麵進、回風順槽可能漏風的地點進行全麵檢查分析，查找可能進風和出風的漏風通道，以便準確確定釋放地點和取樣地點。

釋放地點：6202工作麵采空區上方不同的裂縫（根據離工作麵煤壁距離遠近大致成片劃分為1、2、3……號，釋放SF₆時用GPS儀測量釋放點坐標並記錄下來）。

取樣地點：（1）6202工作麵回風隅角；（2）6202工作麵50#支架處；（3）6202工作麵90#支架處。

2.3.2 釋放方案

首先從6202工作麵采空區上方1號裂縫釋放SF₆氣體 1kg 左右，三個取樣地點進行取樣，考慮到釋放地點與采樣地點的距離、漏風風流的速度和SF₆的擴散速度等因素，第一次取樣的時間有所不同，以後每隔4小時取一次即一班取兩次，連續取兩個班。過1天後，再從第二個釋放地點即2#裂縫瞬時釋放 1kg 左右的SF6氣體，第一次取樣後也每隔4小時取一次即一班取兩次，連續取兩個班。依此類推，直到劃分的區域全部實驗完成或者已經檢出漏風通道為止。本次實驗共選取了5個地點作為SF₆氣體的釋放點，氣體釋放點和取樣點的示意圖如圖3所示。

S_×——第×個釋放點；Q₁——6202工作麵50#支架處的取樣點；

Q₂——6202工作麵90#支架處的取樣點；Q₃——6202工作麵回風隅角的取樣點

圖3采空區漏風通道檢測SF₆氣體釋放點和取樣點示意圖

3檢查結果

1號點和2號點釋放SF₆後，未在工作麵範圍內檢測出示蹤氣體，3號點、4號點、5號點釋放後，分別檢測出示蹤氣體。漏風風速可以用下式進行計算：

（1）

式中：V_min——最小漏風風速，m/min；L_min——漏風源與漏風彙之間最短的漏風距離，m；t——從SF₆釋放到氣體檢測到SF₆所經曆的時間，min。檢測結果及漏風風速結果見下表所示。

表2檢測結果

Tab.2Result of detection

從檢測結果可以發現，漏風通道大麵積存在（5次試驗，3次均檢測到漏風），漏風風速大概為（0.79+0.88+0.85）/3= 0.84m /min。可以看出采空區的主要漏風通道的漏風風速較大，對煤炭自然發火較為有利。

4漏風量的現場測定

Y煤礦6202工作麵是所屬采區唯一開采的工作麵，故采空區漏風量的測定可通過測定進風巷和回風巷的風量差計算。選取6202工作麵進、回風巷平直巷道中，前後 10m 範圍內未風流分支、彙合點，巷道無拐彎、無障礙，斷麵無變化處，按照下圖所示測定各點風速。

圖4進、回風巷測點布置圖

通過井下風量監量，發現6202工作麵進風和回風側風量分別為 1457.06m³ /min和 1552.95m³ /min，即地表漏風約 96m³ /min。具體測量數據見表3。

表3風量測定數據表

Tab.3Dates of flowrate measurement

5淺埋煤層漏風治理及自然發火防治措施

（1）及時對采空區地表產生的裂縫進行充填，對井下連接采空區的裂隙漏風通道的局部區域進行噴塗封堵；

（2）增加回風巷的阻力，使風壓分配更加合理，盡量減少地麵與采空區壓差；

（3）對於綜放工作麵,要盡量減少丟煤，提高回收率；

（4）加快工作麵的推進速度，正確安排工作麵回采順序，對采空區采取注氮灌漿等防滅火措施，從根本上杜絕自然發火的產生；

（5）加強對采空區漏風及自然發火標誌性氣體的監測監控，發現異常情況，立即采取有效措施進行處理。

6結論

（1）淺埋煤層工作麵覆岩不存在彎曲下沉帶，采空區漏風的主要通道是冒落帶和裂隙帶形成的滲流區域，由於地麵和工作麵存在壓差，形成地表漏風，並且漏風強度的大小與采空區鬆散介質的空隙率和風壓梯度有關。

（2）通過SF₆對Y煤礦地麵與6202采空區的漏風通道進行檢測，可發現淺埋煤層深裂隙多，漏風通道寬，漏風速度達到 0.84m /min，同時通過實測得到漏風風量為 96m³ /min，漏風風速和風量較大，對采空區遺煤自然發火較為有利；

（3）采空區漏風是造成煤礦自然發火的重大安全隱患，必須及時對形成的漏風通道進行封堵，減少地麵和工作麵風壓梯度，加強監測監控，並采取相關預防自然發火措施，以杜絕自然發火02manbetx.com 產生。

參考文獻：

[1]黃慶享,淺埋煤層的礦壓特征和淺埋煤層定義[J].岩石力學和工程學報,2002（21）8:1174~1177.

[2]崔凱等.采空區遺煤自燃帶確定及風流場數值模擬[J].山東科技大學學報,2002.12:88~89.

[3]王省身,張國樞.礦井火災防治[M].徐州：中國礦業大學出版社,1990.

[4]褚廷湘,餘明高,楊勝強.煤岩裂隙發育誘導采空區漏風及自燃防治研究[J].采礦與安全工程學報,2010,27(1):87~93.

[5]吳剛.檸條塔礦淺埋煤層綜采麵采空區漏風規律研究[D].西安：西安科技大學,2011.

第一作者簡介：

張海峰，男，1973年3月出生，1997年畢業於遼寧工程技術大學礦山測量專業，1999年5月調入伊泰集團工作，先後從事技術員、技術科長、副礦長、礦長等職務，現任伊泰煤炭股份有限公司陽灣溝煤礦礦長，由於其在工作崗位一直表現較好，連續8年被評為公司先進，2005年獲得“鄂爾多斯科技新星”榮譽稱號，2007年被煤炭部評為“勞動模範”榮譽稱號。

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