虎龍溝煤礦N1201工作面采空區漏風規律研究

馮 彬，吳禹默

(1. 大同煤礦集團 挖金灣虎龍溝煤業有限公司,山西 大同 037000;2. 遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院,遼寧 阜新 123000)

在煤層開采過程中,當煤層距離地面垂直距離較小時,采空區受到采動的影響會在采空區上方地面形成裂隙,造成地表塌陷,從而形成貫通地面與采空區之間的漏風通道。采空區存在的漏風通道升高了氧濃度,增加遺煤自燃的威脅,影響煤礦安全高效生產[1]。虎龍溝煤礦N1201工作面屬于易自燃煤層,通過對其采空區地面漏風規律的研究,為工作面自燃災害的預防提供借鑒。

1 礦井概況

虎龍溝煤礦地質構造簡單。礦井現采用斜井開拓方式,綜合機械化采煤,一次采全高；煤層屬易自燃煤層,煤塵具有爆炸危險性；采用頂板自然垮落法管理頂板。

N1201工作面順槽長度2 500 m,工作面傾角0°～1°,采用雙柱掩護式液壓支架支護,共173架支架。煤層平均厚度約4 m,煤層埋藏較淺,無地熱危害,地溫正常。煤塵爆炸指數38.5,有爆炸危險。瓦斯涌出量小,地壓無異常。N1201工作面直接頂為細砂巖,老頂為粉砂巖-中細砂巖。

2 采空區地表裂隙沉降特性

1)根據虎龍溝煤礦現場觀測,隨著工作面的推進,地表出現塌陷,采空區上方地表出現多條裂縫。

2)虎龍溝煤礦煤層埋藏淺,頂板較軟,在工作面推進過程中引起上覆巖層失穩,改變了原有應力狀態,產生多處裂隙貫通采空區與地表,造成地表變形等威脅。

3)虎龍溝煤礦井田多為含砂丘陵地貌,采空區上覆巖層砂巖豐富,砂巖疏松透氣,膠結程度低。在礦井強度開采過程中,受采動影響,采空區與地表貫通的裂隙不易壓實,該地區氣候干旱少雨多風,裂隙難以閉合,且裂隙縱橫交錯,為礦井通風管理帶來障礙。

4)地表裂縫與塌陷破壞了大面積的植被生存條件,造成地表砂土松軟,受風化影響大。

5)冬季氣溫低,地表空氣密度較井下大,若礦井存在大面積漏風,地表與井下壓差升高,影響采空區遺煤自燃程度[2]。虎龍溝煤礦地面裂隙程度見圖1、圖2。

3 采空區地表裂隙漏風規律

3.1 瞬時釋放SF6技術

SF6氣體無色無嗅,不溶于水,不易被井下材料吸附,是一種良好的負電性氣體。SF6氣體物理活性大,能迅速混合且均勻地分布在井下空氣中。SF6氣體易被檢測,靈敏度高,釋放操作簡單,易于控制。因此，常被用來檢測采空區的漏風和礦井漏風通道。

在采空區漏風測定中,常常采用脈沖釋放法[3],即在地面裂隙處釋放一定數量的SF6氣體,同時在工作面回風隅角處預定采樣點定時采集氣樣,在實驗室利用電子捕獲的氣相色譜儀分析采集的氣樣中是否含有SF6，從而確定從釋放到接收到SF6氣體的時間。

3.2 采空區漏風測算

根據N1201工作面觀測結果可知,工作面地表與井下回風隅角總壓力差為ΔH,則

ΔH=pi+ρgh-p0=88 590+1.29×9.8×70-88 850=625 Pa .

(1)

式中:ΔH為工作面地表與井下回風隅角總壓力差,Pa;pi為井下回風隅角大氣壓力,Pa;ρ為密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;h為地表與井下回風隅角高度,m;p0為地表大氣壓力,Pa。

在工作面進風巷與回風巷分別穩定釋放SF6氣體10 min,釋放流量2 ml/min,間隔釋放時間5 min,然后在取樣點取樣進行實驗室氣體分析并根據下式計算風量值Q。

(2)

式中:Q為巷道風量值,m3/min;q為SF6氣體釋放流量,mL/min;c為實驗室SF6氣體分析濃度,%。經計算,進風巷風量值Q1=1 498 m3/min,回風巷風量值Q2=1 530 m3/min,地表漏風ΔQ=Q2-Q1=32 m3/min。

3.3 SF6測采空區漏風

利用釋放SF6氣體的方法進行采空區漏風測定,通過在地面裂隙處釋放SF6氣體,測得井下對應工作面回風隅角處檢測出SF6氣體所需時間,根據現場實際情況選定測點布置,見圖3。

單位/mm圖3 N1201 工作面SF6氣體釋放點及測點位置平面圖Fig.3 SF6 gas releasing and measuring points on the N1201 working surface

由式(3)計算漏風速度v:

(3)

式中：v為漏風速度,m/s;L為釋放點至檢測點距離,m;Δt為從釋放到接收到SF6氣體的時間,s。7#測點未檢測出SF6氣體,其它各測點地表漏風速度如表1所示。

表1 地表漏風速度Table 1 Surface air leakage speed

3.4 采空區地表裂隙漏風分析

從表1可以看出,N1201工作面地表漏風有如下幾個特點:

1)采空區存在大量的漏風通道,地表漏風速度平均在0.6 m/s。

2)通過地表向采空區的滲流是不均勻的。在進風側地表裂隙的漏風比較嚴重,在回風側地表裂隙的漏風很小。

3)6#測點距工作面50 m左右,漏風速度0.891 7 m/s,該處高度80 m,處于采空區塌陷邊緣裂隙處,由此可推算裂隙角度為120°。

4)采空區中間位置由于地表砂土的流動性,隨著頂板垮落空隙率變小,壓實程度逐漸變高。

5)距離工作面較遠的12#、13#測點漏風速度分別為0.576 5 m/s、0.301 6 m/s,即存在地表向下漏風,采空區內部存在漏風。

3.5 采空區地表漏風裂隙特點研究

等效水力隙寬反應了粗糙裂隙的氣體滲流特性,等效水力隙寬bH公式[4-5]:

(4)

式中:μ為空氣粘性系數,取1.789×10-5kg/(ms);γ為空氣容重,取12.687 N/m3。把測試數據帶入式(2),得到圖4各測點等效水力隙寬柱形圖[6]。

圖4 各測點等效水力隙寬柱形圖Fig.4 Equivalent hydraulic aperture of measuring points

可以看出: 6#、11#測點等效水力隙寬大于1 mm,裂隙發育,漏風嚴重;靠近工作面順槽的釋放點6#、9#、11#和12#等效水力隙寬較大,漏風速度較大,工作面進風側遺煤自燃危險程度較高;等效水力隙寬大的位置呈條帶狀。

4 結束語

1)虎龍溝煤礦N1201工作煤層屬于淺埋煤層,采空區上覆巖層裂隙發育,受采動影響,地表多裂縫、塌陷。虎龍溝煤礦井田多為含砂丘陵地貌,砂巖豐富,膠結程度低,裂隙不易壓實閉合,造成礦井漏風程度高。

2)通過瞬時釋放SF6氣體技術測定采空區地表裂隙漏風規律,采空區存在大量的漏風通道,漏風嚴重;工作面采空區兩側的漏風比較通暢,進風側地表漏風大于回風側,中部漏風程度相對較弱;采空區內部仍存在漏風。

3)靠近工作面順槽的位置漏風嚴重,表明工作面進風側遺煤自燃危險程度較高。