近距離煤層群采空區漏風規律及防控措施研究

王超群，周 明，郭 英，王 燁

(1.貴州能化發耳煤業有限公司，貴州 六盤水 553001； 2.兗礦集團有限公司，山東 鄒城 273500；3.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

煤自燃是威脅煤礦安全生產的主要災害之一[1-2]。近年來，煤自燃現象不僅造成了大量的經濟損失，同時排放出有毒有害氣體，造成大氣環境污染[3-4]。對于高瓦斯礦井，煤自燃易引發瓦斯爆炸等次生災害，造成重大人員傷亡事故[5-6]。

近距離煤層群礦井采空區間距小，煤層賦存條件復雜，氣體運移規律變化多樣[7-8]。近年來，許多學者對近距離煤層群采空區漏風規律及氣體運移規律進行了深入研究[9-10]，采用了SF6示蹤法等對漏風路線進行示蹤[11-12]，取得了一定效果。由于各礦井通風方式不同，采空區位置也存在一定的差異，因此并不能對具體礦井的漏風規律一概而論[13]。

經鑒定，貴州發耳煤礦主采煤層屬不易自燃煤層，建井期間未安設防滅火監測系統。礦井煤層群開采過程中互相影響，造成采空區之間形成漏風通道，采空區漏風地點增多，防滅火工作難度增大。目前主采的31006工作面與31004采空區為沿空留巷布置，上覆7#煤層采空區，層間距約為14 m。為解決31006工作面回風巷沿空留巷CO濃度異常這一問題，需要對相關采空區漏風規律進行研究。通過現場實測及實驗數據分析，對存在的問題采取了相應措施，取得了一定的成效。研究結果對該礦其他采空區煤自燃治理具有一定的指導意義。

1 漏風情況分析

1.1 工作面概況

31006綜采工作面位于三采區中部，工作面上部7#煤層采空區為30708采空區(2017年7月15日停采)、30706采空區(2018年4月25日停采)；5-3煤層采空區為35307采空區(2017年5月25日停采)，與上部采空區最大間距17.6 m，最小間距11.3 m，平均間距13.8 m。工作面沿傾向布置，采用傾向長壁采煤法開采，主采煤層為貧瘦煤。平均煤厚1.68 m，工作面平均傾斜長886.5 m，走向寬為279.0 m，平均傾角17°，煤層最大埋深203 m，最小埋深79 m，一般141 m，屬Ⅲ類不易自燃煤層。工作面回風巷側采用沿空留巷布置方式，與31004采空區相鄰。31006工作面采用U型通風方式，工作面設計通風量為820 m3/min，推進速度為5～6 m/d，已推進 71 m。

31004采空區位于三采區中部，在30704、30706、30708采空區正下方，工作面沿傾向布置。工作面西起于31004回風巷，東止于31004運輸巷，走向寬為217.8 m、105.8 m，平均161.8 m；南起于31004開切眼，北止于31004工作面設計終采線，工作面上限標高為+1 220.6 m，下限標高為+986.8 m，工作面平均傾斜長983.9 m，平均面積為167 376 m2。相關工作面布置如圖1所示。

1.2 漏風測定

根據31006工作面通風設置，結合目前CO從31006工作面回風巷下650 m處噴漿縫隙中漏出量分析，選取7個點(編號1#～7#)作為風量測試點，判定31004采空區各段漏風量。測點布置見圖1。

圖1 31006工作面布置示意圖

風量、CO體積分數、瓦斯濃度(CH4體積分數)實測結果平均值見表1。

表1 31006工作面各測點實測結果平均值

注：風量數據為2019年6月1日至5日5 d實測風量的平均值。

各測點風量及CO、瓦斯濃度如圖2～3所示，從31006工作面回風巷工作面往下800 m左右處的 4#測號點至7#測點，風量由758 m3/min升高到842 m3/min，增加漏風量為84 m3/min。因此從通風方式及漏風點分析，31004采空區漏風區域多在回風隅角及下部孔隙。從4#測點開始，CO、CH4體積分數均出現明顯升高，這進一步表明隨著氣流流動，31004采空區內氣體運移規律為由上部聯絡巷位置向31006工作面回風巷下部運移。到達31006工作面回風巷下部800 m左右時，由于墻體噴漿不均，存在一定的孔隙結構，氣體在孔隙中滲流，造成31006工作面回風巷下部CO濃度偏高，同時導致瓦斯超限。CO體積分數最高可達0.007%，說明31004采空區中存在煤體氧化、煤自燃危險。

圖2 各測點風量及CO體積分數

圖3 各測點風量及瓦斯濃度

2 SF6示蹤氣體檢測

為進一步驗證31004采空區漏風來源，為CO治理提供相關依據，防控煤自燃危險，采用SF6示蹤法對采空區漏風通道進行檢測。

2.1 示蹤原理

SF6是一種無色無味、無毒、無腐蝕性的氣體，且不具有燃爆性，密度為6.1 kg/m3，極難溶于水且不易稀釋和擴散，在空氣中含量極少。基于其特殊的物化性質，SF6已經被廣泛應用于礦井漏風通道檢測中[14]。

在判定選取相應的釋放點后，定量釋放SF6，并采用AR5750B型SF6接收儀開始實時監測氣體濃度變化等級。通過測算接收時間和接收距離，得到采空區漏風風速及其漏風通道的判定依據。

2.2 示蹤過程

預判于31004開切眼聯絡巷、30704開切眼處、上覆7#煤層采空區聯絡巷、31004工作面回風巷側密閉位置釋放接收SF6氣體。以1 L/min的速度分別在3個點持續釋放10 min。并于氣體釋放10 min后，開啟SF6示蹤檢測儀，放置于31006工作面回風巷檢測孔內，實時監測SF6氣體濃度情況，并記錄氣體濃度等級變化數據。

2.3 示蹤結果分析

在31004工作面回風巷側密閉墻內釋放SF6，于工作面運輸巷側瓦斯監測孔處接收數據，此兩點距離差為106 m，釋放和接收時間差為83 min。可以得到這一區域范圍內采空區漏風風速為1.27 m/min。說明在31004工作面回風巷側密閉存在漏風通道，在31004開切眼聯絡巷位置釋放SF6，于96 min后在31006工作面回風巷下接收到，于134 min后在回風大巷接收到。結合巷道進風量與回風量的差值分析，說明31004采空區整體漏風情況為：31004開切眼聯絡巷、30704開切眼、31004工作面回風巷側密閉等地點均存在不同程度的漏風。風流經31004開切眼聯絡巷密閉墻、30704開切眼密閉進入采空區。因31004工作面運輸巷為沿空留巷布置，存在風壓不均，氣流經采空區后，其中一部分從7#煤層間孔隙中流往上部采空區，另一部分由采空區往下滲流，最后從沿空留巷墻體中緩慢漏出，并與31004終采線附近的煤柱發生緩慢氧化反應，造成該處CO氣體體積分數超標。最后風流經31006工作面回風巷流往回風大巷。SF6測定結果見表2。

表2 SF6測定結果

計算結果表明，31004上部采空區漏風情況嚴重，風速大。當風流進入采空區后，由于采空區內部空間較大，風速逐漸減弱。根據從31004工作面運輸巷兩側的釋放接收數據分析，由于31004工作面回風巷側目前為實體墻，不存在通風情況，故而風速較慢，因此判定31004采空區內左右漏風情況較小，整體風流情況為由上至下，且向31006工作面回風巷側偏移。造成目前漏風情況嚴重的原因主要為31004開切眼聯絡巷密閉位置目前為三采區主要進風區域，風量大，同時加上密閉墻體厚度較小，無法起到較好的防漏風效果。另外，31004采煤工作面及目前正在開采的31006工作面在開采期間都對上覆7#煤層采空區造成了不同程度的擾動，加之煤層間距過小，極易形成漏風通道，從而形成了目前31004采空區的漏風通道，導致了漏風量過大，氧氣與預留煤柱發生氧化反應，造成CO體積分數偏高。

3 治理措施

根據漏風源及風量判定，結合現場實際，對31004采空區采取相應防控措施，以降低漏風量及CO濃度。

3.1 治理建議及措施

1)加大密閉管理力度，對重點密閉墻位置增加1道密閉墻，并采用1+8+1修建密閉墻(即前后1 m厚墻體中間充填8 m厚粉煤灰)，形成雙重密閉保護，減小31004開切眼聯絡巷位置的漏風量；采用擋風板，引導風向，避免風流與密閉墻形成垂直吹射，減少進風量。

2)對31004采空區沿空留巷壁面進行二次風筒網噴漿，對頂板和底板存在的較大孔隙處進行重點噴漿，堵截漏風，確保孔隙中的瓦斯和CO涌出量減少。

3)對煤柱位置進行重點觀測，及時監測煤體氧化程度，對該區域的漏風情況進行重點控制，減小煤體氧化程度，將CO體積分數控制在0.001 5%以下；加強采空區內氣體監測，如出現異常數值的情況，應立即采取措施；保證通風負壓穩定，將CO控制在31004采空區內；避免將采空區內氣體釋放到31006工作面回風巷中，消除安全隱患。

4)采取注水注氮措施，降低采空區煤自燃溫度，并惰化區域內氧氣，減少煤體氧化程度，從而達到控制CO涌出量的目的。

3.2 治理效果分析

對31004沿空留巷壁面進行二次噴漿后，墻體孔隙明顯減小，瓦斯及CO涌出量均下降，漏風情況得到有效控制。31004采空區為傾斜布置，存在高低落差，水流具有天然優勢。選擇從31004開切眼聯絡巷位置連續注水3 d。監測數據表明，CO體積分數明顯下降，僅為0.000 5%～0.000 9%。說明注水效果較好，對采空區煤體起到了降溫的作用，有效抑制了煤體自燃進一步發展。

圖4 CO體積分數變化圖

4 結論

1)貴州發耳煤礦31004采空區漏風通道為：由31004開切眼聯絡巷密閉、30704開切眼密閉進入，一部分經上下漏風通道流往上覆采空區，另一部分繼續往下流向31004采空區下部，再從噴漿墻體涌出后到達31006回風巷，最后流入回風大巷。并在遺留煤柱位置與煤柱發生氧化反應，產生CO，匯同氣流一起涌出；漏風主要來源于31004開切眼聯絡巷密閉墻縫隙。

2)煤柱位置為重點防控區域，重點加強該區域指標氣體監測，確保采空區煤自燃氧化程度低；同時采用注水措施降低了采空區內溫度，CO體積分數由原來的0.007%降低到0.000 5%，阻止了煤體進一步升溫。

3)根據漏風規律及CO氣體超限區域分析，制訂了CO治理措施，保證了31006工作面的安全開采。