井下采空區構筑物漏風實測裝置研發及應用*

趙洪寶，王宏冰，張 歡，王 濤，魏子強

(1.中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院 北京 100083；2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，河南理工大學，河南 焦作 454001)

0 引言

近年來，隨著地下煤炭開采強度的增加，特別是涉及瓦斯的礦井安全事故頻繁發生，給人民的生命財產造成了巨大損失[1]，其中采空區瓦斯是誘導事故的主要因素之一，而采空區構筑物漏風是在開采過程中不可忽視的問題，特別是在有自燃傾向性的煤層中開采時，由于采空區中集聚了大量的瓦斯，工作面與采空區之間的漏風流一方面將采空區瓦斯積聚在工作面上隅角中，造成瓦斯含量超限[2]；另一方面漏風流增加了采空區的氧氣濃度，為采空區發生瓦斯爆炸(遺煤自燃)提供了氧氣條件，嚴重威脅著礦區的安全[3]。

目前針對井下采空區沿空留巷構筑物漏風規律的研究方法主要有理論分析、數值模擬、相似模擬實驗等。如章夢濤等[4]提出了一種滲流場的數學模型；黃伯軒[5]、李宗翔[6]等相繼提出不同數學模型及計算方法；鄧軍等[7]利用滲流場理論預測了采空區自燃危險區域。自20世紀數值模擬軟件流行以來，我國學者如胡千庭等[8]、高建良等[9]、梁運濤等[10]采用CFD數值軟件模擬研究了采空區瓦斯及風流流動規律；車強[11]通過研究采空區多組分氣體的運移規律，進一步完善了采空區氣體運移的CFD模擬模型；王春等[12]基于Fluent軟件，對綜放開采采空區遺煤自燃過程進行了三維數值模擬研究；任擎華[13]、王洪勝[14]、高亮[15]等都以現場實際工作面為原型，通過建立相似模型，研究了在不同的通風方式下采空區內部瓦斯運移規律及采空區內部漏風規律。因采用理論分析、數值模擬及相似模擬實驗的手段對采空區漏風流場進行的研究有時與現場實際情況有所差異，嚴重時可能偏離了現場實際問題，不能真正的解決現場問題，因此需要針對現場實際問題進行現場實測研究。

目前主要的井下漏風實測技術是SF6示蹤技術[16-19]，但該技術操作過程過于繁瑣，需要專門的技術人員進行取樣和檢驗操作，不便于及時的指導工程現場對采空區漏風的控制。因此本文針對現場生產實際需要，研發了一種簡便經濟適用的井下構筑物漏風實測裝置，并將該裝置應用于現場實踐，可實時監測記錄留巷構筑物漏風的情況，能夠準確、便捷、動態地反映井下采空區構筑物的漏風規律，為采空區留巷漏風治理提供理論依據和基礎數據，以保障礦井的高效開采和安全生產。

1 井下構筑物漏風實測裝置的設計及測試原理

1.1 井下構筑物漏風實測裝置的設計

該裝置主要包括采氣盒、密封管、設備固定裝置、氣體壓力測定裝置和集氣盒。裝置中采氣盒的長、寬、高分別為100，100和20 mm，是由厚度為0.5 mm的鋁合金材料制成的無底空心盒，底面緊貼巷道面，頂面焊接通氣管與流量監測裝置相連；密封管是圍繞采氣盒一周的矩形管，是寬度為20 mm，高度為20 mm，厚度為5 mm的無底空心管。在緊貼煤壁時，上部2個注密封膠孔，下部1個注密封膠孔，通過孔向管內注射密封膠實現實測區域與四周隔離；設備固定裝置焊接于密封管四周，每條邊上2個方向向煤壁上打固定螺絲；氣體壓力測定裝置為U型管氣體壓力測定儀，且其通過管道與采氣盒連接。如圖1為井下構筑物漏風實測裝置圖。

圖1 井下構筑物漏風實測裝置Fig.1 Air leakage measurement device diagram in structures of gob-side entry retaining

1.2 監測原理

1)數據采集

將裝置采氣盒固定在井下構筑物巷道壁上且其周圍密封固定，采空區中氣體通過巷壁上的裂隙涌出到采氣盒中，此時裝置的采氣盒通過軟膠管與U型管氣體壓力測定儀相連，這樣采空區氣體經過采氣盒的積聚進入U型管氣體壓力測定儀，接著記錄U型管兩端液面的變化示數，從而確定構筑物的漏風情況，緊接著將U型管氣體壓力測定儀中液體放掉，使得采空區氣體經過U型管直接進入集氣盒中，最后對集氣盒中采空區氣體進行檢測分析。

2)數據處理

(1)

式中：P為靜壓，MPa；ρ為密度；h為液面高度，m；υ為氣體平均流速，m/s；C為常數。

圖2為U型管氣體壓力測定儀工作示意圖，通過對U型管兩端采用伯努力方程得：

(2)

(3)

由于上式中P為采空區氣體壓強，MPa；P0為大氣壓強，MPa；h1為左端液面高度，m；h2為右端液面高度，m；υ1為左端氣體流速，m/s；υ2為右端液體速度，m/s；ρ為密度；當U型管內液體穩定時υ2為0，假設U型管內氣體流動的整個過程沒有能量損失，即初始采空區涌出氣體的能量全部轉化為使液體上升所具有的能量，因此將式(2)和式(3)聯立計算得：

(4)

通過該裝置的U型管可以得到采空區側構筑物巷壁氣體涌出口處的壓強P，最后帶入伯努利方程(4)，計算出采空區氣體速度υ1。

圖2 U型管氣體壓力測定儀工作示意Fig.2 Schematic diagram of gas flow monitoring meter for U tube

2 工程實踐

2.1 工程背景

本次監測的礦井是山西省長治市長子縣霍爾辛赫煤礦3202工作面，施工地點為Y型通風的采空區側尾巷內沿空留巷段，主采3#煤層。基本情況如下：3#煤層位于山西組下部，下距9 #煤層55.72～79.70 m，平均58.04 m。煤層厚4.49～7.17 m，平均煤厚為5.65 m。井田內3#煤層東厚西薄，含泥巖、炭質泥巖夾矸0～2層，一般1層，距底板約 0.78 m 左右較為穩定(平均厚度 0.30 m)。3#煤層頂板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，局部為砂巖，底板為黑色泥巖、砂質泥巖，深灰色粉砂巖。該層煤全井田可采，結構簡單，厚度變化不大。

2.2 工作面巷道布置

3202工作面位于3#煤層二盤區，巷道沿煤層頂板掘進，布置上進風巷、下進風巷(輔助進風巷)、沿空留巷、輔助回風巷等。具體巷道規格及支護形式如表1所示。

表1 巷道規格及支護形式Table 1 Specification and support form of laneway

2.3 現場試驗方案

霍爾辛赫礦3202工作面采空區側沿空留巷段構筑物漏風實測裝置布置，如圖3所示。

圖3 3202工作面采空區側沿空留巷段構筑物漏風實測裝置布置Fig.3 Air leakage measurement device layout in structures of 3202 surface gob-side entry retaining

從上進風巷流經工作面的風流，在整個工作面范圍內都有向采空區漏風的情況，根據質量守恒定律，采空區中的風流一部分會從工作面下隅角重新涌向工作面，另一部分可能會從采空區側沿空留巷段巷道構筑物中孔隙流向留巷中，因此，將漏風裝置沿著采空區側沿空留巷布置1#～6#監測點，其中1#監測點距離端頭支架20 m位置布置，兩相鄰監測點之間相距20 m。通過這些漏風測點進一步監測采空區向留巷的漏風情況，得出采空區側沿空留巷段的漏風規律。

試驗方案如下：

①固定設備。結合3202工作面實際情況，在采空區側沿空留巷段選取距工作面端頭支架120 m的長度，每間隔20 m布置1處采氣盒。

②密封設備。在采氣盒周圍用結構膠將連接縫隙密封，避免留巷中氣體通過連接縫隙進入采氣盒中，對監測結果產生干擾。

③連接設備。采用軟膠管將采氣盒出氣端與U型管氣體壓力測定儀連接，且保持U型管氣體壓力測定儀中的液體與采氣盒出氣端口相平。

④記錄數據。待U型管氣體壓力測定儀中液面穩定時，分別記錄每一監測位置處的U型管氣體壓力測定儀上刻度，將數據帶入公式(4)，計算出采空區氣體速度。

⑤收集氣體。待漏風數據記錄完全后，將U型管氣體壓力測定儀中的液體取出，使得氣體進入收集盒中，采用專門氣體成分分析設備，得到采空區中瓦斯的濃度分布情況，為采空區瓦斯治理措施提供基礎數據。

2.4 試驗數據處理

1)漏風處風流涌出情況

沿著工作面走向，采用風速監測工具(翼式風表)從上隅角開始每間隔20 m監測向采空區的漏風情況，得到的工作面涌向采空區漏風風速圖，如圖4所示。

圖4 工作面向采空區漏風風流速度Fig.4 Velocity diagram of air leakage from working face to goaf

實時記錄漏風裝置內U型管壓力測定儀內左右液體的變化刻度，進而采用式(4)計算出采空區氣體的涌出速度，得到的采空區向沿空留巷段監測點1#～6#漏風風流速度曲線如圖5所示。

圖5 采空區向沿空留巷段漏風風流速度Fig.5 velocity diagram of air leakage from goaf to gob-side entry retaining

2)漏風處瓦斯涌出情況

由于采空區中賦存著大量的瓦斯，在工作面風流涌向采空區時，與賦存的瓦斯混合，一部分混雜著瓦斯的風流通過工作面下隅角可能涌向工作面，另一部分風流可能就從采空區側沿空留巷段涌向留巷內，因此為了進一步監測漏風流中瓦斯濃度，采用該留巷構筑物漏風實測裝置，通過將U型管內液體取出，使得采空區涌出氣體通過U型管直接進入集氣盒，最后就可以采用傳統的瓦斯濃度測量裝置，在該集氣裝置內直接測量出，避免了外部留巷內氣體干擾。采空區向沿空留巷漏風流中瓦斯濃度實測裝置布置如圖6所示；采空區向沿空留巷段漏風流中瓦斯濃度如圖7所示。圖6中，C0測點，采用瓦檢儀進行監測；C1，C2測點，采用漏風實測裝置進行監測。

圖6 采空區向沿空留巷段漏風流中瓦斯濃度實測裝置布置Fig.6 Arrangement of measuring device diagram for gas concentration of air leakage from goaf to gob-side entry retaining

圖7 采空區向沿空留巷段漏風流中瓦斯濃度Fig.7 Gas concentration diagram of air leakage from goaf to gob-side entry retaining

2.5 實測結果分析

1)從圖4可以看出，在工作面端頭漏風速度發生了急速改變，之后一段距離內基本保持穩定，但在靠近工作面末端位置時，漏風速度又急速發生改變。分析原因：可能是由于風流在工作面的上下進風口位置(上下隅角位置)由于風流方向發生突變，加上其他方向風流的擾動而形成了一個風流渦區，風流渦區的存在可能對漏風產生了影響。通過對速度曲線進行積分可以得出工作面不同位置的漏風量，通過計算在距離工作面上隅角0～20 m位置的漏風量約為總漏風量的35%左右，在距離工作面上隅角140～160 m位置的漏風量約為總漏風量的40%左右。

2)從圖5可以看出，在沿著采空區走向方向上隨著監測距離長度增加，采空區側漏風速度曲線近似呈“L”型下降，且在0～20 m內漏風速度急速下降，30～120 m內漏風速度下降的趨勢有所減弱，通過對漏風速度圖進行積分，可得出漏風量隨著距離增加也在減小。分析原因：距離工作面液壓支架越遠采空區的壓實程度越高，其向留巷漏風風流受到阻礙作用越高，因此風速越小。

3)圖6中對采空區側沿空留巷內C1，C2這2點采用漏風實測裝置進行監測，對于C0點采用瓦檢儀進行監測，得到如圖7所示2監測點瓦斯濃度圖。從圖7可以看出，C0監測點瓦斯濃度介于C1，C2監測點瓦斯濃度之間，而C0，C2監測點的瓦斯濃度都低于C1監測點的瓦斯濃度。分析原因：C0監測點是處于工作面與液壓支架之間位置的瓦斯濃度，其瓦斯來源一部分包括工作面涌出瓦斯，另一部分包括采空區通過漏風流涌出的瓦斯；而C1監測點是位于距離工作面20 m位置的瓦斯濃度，其瓦斯來源一部分包括采空區遺煤中涌出的瓦斯，另一部分包括工作面涌出瓦斯通過漏風流進入采空區中，而C2監測點位置采空區壓實程度比較高，其瓦斯來源基本為采空區遺煤涌出瓦斯。

4)采用Y型通風的通風方式，其工作面隅角瓦斯濃度超限現象得到了有效的遏制，保證了工作面的安全生產，但是從圖7可以看出C0的瓦斯濃度小于C1處的瓦斯濃度，工作面上隅角瓦斯濃度超限問題并沒有從真正意義上得到解決，而是轉移至采空區上隅角位置，工作面與采空區之間的漏風流增加了采空區的氧氣濃度，為采空區發生瓦斯爆炸(遺煤自燃)提供了氧氣條件，當采空區頂板垮落時，矸石間相互摩擦出的火花，可能會造成采空區的瓦斯爆炸事故。

2.6 采空區漏風范圍

通過圖4可以看出，采空區的漏風范圍在距工作面端頭0～20 m的位置，上進風巷的大量風流涌向采空區，而在距工作面140～160 m的位置采空區中風流通過漏風流涌向工作面下隅角位置，大致風流流線如圖8中①，②所示；由圖5可以看出，采空區走向方向在距離工作面端頭支架0～20 m位置漏風速度急速下降，在30～120 m內漏風速度下降的趨勢有所減弱，大致風流流線如圖8中③，④，⑤所示。因此，通過圖4，圖5可以判斷出采空區沿空留巷漏風范圍，其漏風可以分為3個區域：0～20 m的風速渦流區，20～100 m風速過渡區，100～120 m風速穩定區，如圖8所示。

圖8 采空區漏風范圍分布示意Fig.8 Diagram of air leakage range distribution in Goaf

3 結論

1)為了彌補現有井下采空區構筑物漏風實測技術的不足，實現對井下采空區構筑物實時監測其漏風情況，自主研發了一種井下構筑物漏風實測裝置，提供了一種便捷經濟的實時動態監測漏風情況的手段。

2)由該裝置的工作原理及其在實際工程中的應用可得，井下采空區構筑物漏風實測裝置具有實際的應用價值，可反應出井下構筑物漏風的實際情況，能夠準確、便捷、動態地反映井下采空區構筑物的漏風規律，為采空區留巷漏風治理提供理論依據和基礎數據。

3)現場實測結果表明，沿著采空區走向方向隨著監測距離長度增加，采空區側漏風規律大致呈“L”型下降，即在0～20 m內漏風速度急速下降，20～120 m內漏風速度下降的趨勢有所減弱，通過對漏風速度圖進行積分，其漏風量隨著距離增加也在減小。采空區漏風可以分為3個區域：0～20 m的風速渦流區，20～100 m風速過渡區，100～120 m風速穩定區。通過對采空區涌出氣體收集分析，反映出采空區中瓦斯濃度分布情況，為針對采空區瓦斯治理提供了一種新的監測技術手段，能有效地降低采空區瓦斯事故發生率，保證礦井的安全生產，具有廣泛推廣意義。