潞寧煤業(yè)31102工作面示蹤氣體測漏風技術研究

張偉龍

(潞安集團 潞寧煤業(yè)公司，山西 忻州 036000)

1 工程概況

潞寧煤業(yè)31102工作面位于礦井3號煤層膠帶下山、軌道下山和總回風下山巷道的西南側，其頂部為22102工作面和部分22104工作面采空區(qū)；煤層最大厚度為1.8 m，最小厚度為1 m，均厚1.6 m，平均傾角13°；煤層賦存穩(wěn)定，結構簡單，一般不含夾矸；直接頂為泥巖，均厚3.3 m，基本頂為砂巖，均厚7.5 m；直接底為泥巖，均厚2 m，基本底為粉砂巖，均厚6 m；采用綜合機械化采煤工藝，工作面采用沿空留巷技術，Y型通風，即兩條進風巷、一條回風巷。為保證工作面回采過程中通風系統(tǒng)的可靠性，采用示蹤氣體測量工作面漏風情況，并用數值模擬進行了驗證。

2 示蹤氣體測漏風原理

根據眾多礦井風量測量的工程實踐可知，風量的測試結果會受到風量取樣點位置的影響，另外由于示蹤氣體在低風速的巷道內存在著混合不均勻的問題，因此有相關學者采用恒定釋放法將示蹤氣體以穩(wěn)定的速率進行釋放，在全區(qū)域里保持一個穩(wěn)定值[1-2]，當該區(qū)域內的示蹤氣體未流失的前提下，則該區(qū)域的風量通過下式計算：

(1)

式中：Q為待測風量，m3/min；c為示蹤氣體的濃度，m3/m3；q為示蹤氣體的持續(xù)釋放速率，m3/min。

在對示蹤氣體進行衡量釋放時，示蹤氣體被以恒定速率放出，氣體會在動力彌散作用下經過一定的距離L后能夠混合均勻，在示蹤氣體的濃度達到穩(wěn)定后，將其濃度代入式(1)中能夠得出待測區(qū)域的風量。

工作面示蹤氣體測漏風技術的工作原理為：假設工作面采空區(qū)為一密閉空間，注入的示蹤氣體的含量較小，不計入總風量，在工作面進風巷側釋放示蹤氣體q，根據工作面供風量Q的實際情況，在一定的時間內釋放示蹤氣體，依據采空區(qū)煤巖體為松散介質的特征，示蹤氣體進入采空區(qū)后以過渡流和滲流的狀態(tài)進行運移，示蹤氣體的滲流速度與工作面風流相比較慢，以工作面采用U型通風為例，基于采空區(qū)內部氣體的質量守恒定律及連續(xù)性可知，采空區(qū)漏出的風量Q2與采空區(qū)漏入的風量Q1是相等的，另外采空區(qū)漏入和漏出風會同時發(fā)生，故基于此可知：當工作面進風巷釋放的示蹤氣體的濃度高于回風巷接收到的示蹤氣體的濃度，則根據釋放與接收到示蹤氣體濃度的差值即可推算出工作面整體的漏風量。

3 示蹤氣體測工作面漏風方案

3.1 測試方案

1) 測試內容。為有效分析31102工作面的漏風分布和漏風量的情況，采用示蹤氣體測試技術對主副進風巷及沿空留巷的風量進行測量，然后計算得出工作面的漏風情況。

2) 測試參數設置。結合示蹤氣體測試原理，針對31102工作面主、副進風巷及沿空留巷確定采用恒量釋放法對示蹤氣體進行釋放，設置釋放速度為46.574 L/min，副進風巷釋放速度設置8.438 L/min，沿空留巷的釋放速度設置為42.693 L/min，根據眾多工程實踐表明，在距離釋放點40 m以后的區(qū)域，示蹤氣體即處于穩(wěn)定峰值狀態(tài)，此階段需要的時間為37 s，傳感器的響應時間為15 s，基于此為保證接受到完整的峰值確定進風巷示蹤氣體的釋放時間為90 s。

3) 測點布置。工作面主進風巷：示蹤氣體測量接收點C1設置在距離工作面端頭10 m的位置處，氣體的釋放點R1設置在距離工作面端頭50 m的位置處(見圖1)。

圖1 31102工作面示蹤測試點位置示意

工作面副進風巷：示蹤氣體測試接收點C2設置在距離工作面端頭10 m的位置處，釋放點R2布置于距離工作面端頭50 m的位置處。

工作面沿空留巷：沿空留巷柔模墻體漏風測試的釋放地點布置在工作面距離上隅角40 m的位置處，示蹤氣體的接收地點C3布置在沿空留巷距離上隅角20 m的位置處。

4) 測試順序。在采用示蹤氣體對工作面主進風巷、副進風巷及沿空留巷內的風量進行測試時，按照主進風巷—副進風巷—沿空留巷的順序依次進行示蹤氣體的測試。

3.2 測試結果分析

根據31102工作面主進風巷和副進風巷示蹤氣體的測試結果，能夠得出示蹤氣體-時間曲線，具體31102工作面主、副進風巷的測試結果如圖2所示。

圖2 工作面主、副進風巷示蹤氣體測試結果

由圖2可知，主進風巷內示蹤氣體檢測儀器從響應到讀數為零共經歷了278 s，主進風巷示蹤氣體的濃度峰值約為13×10-6，且示蹤氣體的峰值維持時間為48 s，根據主進風巷示蹤氣體的釋放速度q=46.574 L/min，c=13×10-6，代入式(1)能夠計算出工作面的進風風量為3 582.6 m3/min，工作面實測的風量為3 440 m3/min；工作面副進風巷示蹤氣體檢測儀器從響應到讀數為零共經歷了256 s，示蹤氣體的濃度峰值c=12×10-6，峰值維持時間為27 s，副進風巷示蹤氣體的釋放速度q=8.438 L/min，同理代入式(1)能夠計算出副進風巷的進風量為703.1 m3/min，實測的風量為650 m3/min，據此可知使用示蹤氣體法測出的進風量與實際值的誤差較小。

根據工作面沿空留巷示蹤氣體的測試結果，得出示蹤氣體的濃度-時間曲線如圖3所示。

圖3 沿空留巷示蹤氣體測試結果曲線

由圖3可知，沿空留巷處示蹤氣體的濃度峰值c=11×10-6，示蹤氣體在濃度最大值處維持了約30 s的時間，結合沿空留巷示蹤氣體的釋放速度q=42.693 L/min，代入式(1)能夠計算出釋放點與接收點間的風量為3 881.2 m3/min，沿空留巷的風量來自工作面和副進風巷，根據上述示蹤氣體在主副進風巷的測試結果可知，副進風巷的進風量為703.1 m3/min，基于此能夠計算出沿空留巷來自工作面的風量為3 178.1 m3/min，再根據上述測量得到的主進風巷的風量為3 582.6 m3/min，能夠計算出工作面向采空區(qū)內的漏風量為404.5 m3/min。

3.3 數值模擬驗證

為對31102工作面示蹤氣體測試漏風情況的結果進一步驗證，對其進行數值模擬，設置工作面高2 m，寬6 m，采空區(qū)的傾向長度320 m，走向長度200 m，高度為40 m，將工作面的下隅角設置為坐標原點，將工作面膠帶和進風巷設置為風流速度進口，沿空留巷出口設置為風流出口，根據示蹤氣體的測試結果，設置主進風巷和副進風巷的風量分別為3 582.6 m3/min和703.1 m3/min，對工作面采空區(qū)采用多孔介質進行設置[3-4]，將工作面、液壓支架及采空區(qū)的接觸部分，工作面、液壓支架與巷旁充填體、沿空留巷的接觸部分設置為內部邊界，其它部分設置為壁面邊界，基于上述設置條件建立數值模擬模型，根據數值模擬結果得出采空區(qū)的壓力分布如圖4所示。

圖4 31102工作面采空區(qū)壓力分布

由圖4可知，工作面壓力的最大值位于工作面的進口位置處，壓力的最小值位于沿空留巷的出口位置處，從工作面的傾向上分析，能夠得出風壓從膠帶巷一側向回風巷一側逐漸減小，可知風流在采空區(qū)內部風流的運移方向是從工作面的下隅角向著沿空留巷的方向移動的，這與示蹤氣體測得的三條巷道的風量結果相吻合；從工作面走向上分析，能夠得出風壓從工作面向采空區(qū)深部逐漸減小；針對工作面采空區(qū)裂隙帶，其在水平方向上的壓力分布基本與垮落帶相同，但是其整體壓力小于垮落帶，進而會致使風流從垮落帶向著裂隙帶內移動，隨后再流入留巷內部。

另外根據數值模擬結果得出工作面沿空留巷一側沿程風量的曲線如圖5所示。

圖5 沿空留巷沿程風量曲線

由圖5可知，31102工作面沿空留巷內的風量出現緩慢增大的趨勢，沿空留巷前170 m范圍內漏風范圍比較均勻，在工作面后30m范圍內漏風量出現急劇增大的情況，出現該狀況的原因為沿空留巷出口位置處壓力梯度增大，進而致使漏風量增大。另外從圖中能夠看出沿空留巷出口位置處風量為4 240 m3/min，上隅角位置處的風量為3 799 m3/min，將二者作差能夠計算得出工作面向采空區(qū)的漏風量為441 m3/min，與示蹤氣體實測404.5 m3/min之間的誤差率為9.0%，出現該種誤差的原因為在進行示蹤氣體測量工作面漏風情況時，沿空留巷前20 m的漏風量未計入測量結果，故基于此可知示蹤氣體實測的工作面漏風結果與數值模擬得出的漏風結果基本保持一致。

4 結 語

為有效掌握潞寧煤業(yè)31102工作面的漏風情況，通過采用示蹤氣體測試，得出工作面的漏風量為404.5 m3/min，并經數值模擬驗證，兩者結果基本保持一致，說明基于示蹤氣體測量工作面漏風量的可行性。