基于通風能位測定的封閉采空區漏風通道識別方法及應用*

馬 旭 , 余 陶 , 張連鋒 , 劉建忠

（1. 兗州煤業有限公司南屯煤礦，山東 鄒城 273500；2. 安徽建筑大學安全工程系，安徽 合肥 ，230022）

0 引 言

煤層開采后形成的封閉采空區“看不見”、“摸不著”，屬于礦井通風系統的一部分，與周邊風流存在交換通道。由于采掘擾動和通風系統風流變化，往往形成較為穩定的漏風通道，此類漏風長期發展，極易誘發封閉采空區遺煤自燃[1-2]。特別是邊角煤開采回收的資源緊張礦井，各采區的封閉采空區連成一片，遺煤多，漏風通道多，自燃風險十分嚴峻。在瓦斯礦井，漏風誘發的煤自燃，已成為礦井瓦斯爆炸重特大事故的新根源[3-4]。如2013 年3.29 吉林八寶煤礦瓦斯爆炸事故，漏風誘發的煤自燃多次引起瓦斯爆炸，傷亡十分慘重。然而現有的CO 監測手段，因為漏風通道不明，無法掌握產生CO 的高溫原點或CO 隨漏風遷移到其他區域，觀測點無法獲取封閉采空區的真實情況，此類問題常使現場防火工作無所適從。SF6 常被用于尋找漏風通道，但現場操作諸多不便，如需要接收氣體的端頭多，氣體運移時間不定，都為準確識別漏風通道帶來困難[4.-5]。因此，有必要研究一種簡單有效的方法，識別封閉采空區與周邊通風系統的漏風通道，掌握整體漏風趨勢。本文研究了一種基于通風能位測定的封閉采空區漏風通道識別方法，并成功應用于南屯煤礦3304 工作面停采線封閉區，對推進煤自燃防治的精準化，實現工作面安全高效開采，具有十分重要的意義。

1 通風能位測定技術

1.1 能位測定原理

礦井通風系統中風流流動的源動力是能位差，風流總是從能位高的地方流向能位低的地方，其中的能量消耗主要是通風阻力的作用。主通風機產生通風動力對空氣做功，形成能位差，保證空氣連續不斷地流動。因此，通過能位測定，定量確定其數值，可作為識別漏風通道及趨勢的依據。

礦井通風系統中，兩點之間能位差可由兩點間的能量相減獲得，依據能量守恒的Bernoulli 方程可知，井下通風系統能位差可按（1）式計算[7]：

式中：Pb1、Pb2分別為 1、2 測點的靜壓，Pa；Pa1、Pa2分別為測定期間固定基點的靜壓，Pa；ρ1、ρ2分別為 1、2兩測點的空氣密度，kg/m3；V1、V2分別為 1、2 兩測點的風速，m/s；g 重力加速度，m/s2；Z12分別 1、2 測點間的標高差，m；ρm121、2 兩測點間的空氣平均密度，kg/m3。

其中空氣密度可按（2）式計算

式中： P 為測得的大氣壓力，kPa；T 為空氣絕對溫度，K；Φ 為空氣相對濕度；Psat為飽和水蒸汽壓，kPa。

方程（1）各項的物理意義為：Pb1- Pb2表示兩測點之間的靜壓差；Pa2- Pa1表示測定時期的大氣壓的變化；兩測點之間的位壓差。

1.2 能位測定步驟

測定能位差測量時使用兩臺精密氣壓計，一臺放在基點不動，每隔一定時間讀一次大氣壓力值，記下讀值時間；另一臺儀器從基點開始，沿預先選定的測定路線逐點測量各點風流的靜壓，并記下測定時間。同時用測量各測點斷面上的平均風速，干濕球溫度，以及標高。固定在基點的儀器用于觀測大氣壓力隨時間的變化規律，以便校正大氣壓力變化對另一臺儀器測量數值的影響。測定時首先設置初始點為基點，那么測定路線上各點與基點的能量差，反映了所測路線的能位分布。

2 漏風通道識別方法

封閉采空區是一個獨立的小環境，它與周邊通風系統通過一些節點相聯，形成自身小環境與大通風系統的風流交換，這些節點是研究漏風通道和漏風趨勢的關鍵。常見的關鍵節點主要為采空區封閉墻和采空區與周邊巷道的圍巖裂隙，前者的識別較為簡單，其核心在于掌握封閉墻的漏風趨勢，可以通過觀測孔測量封閉墻內外壓差，判別風流的流入流出狀態及壓差大小；后者的識別較為復雜，受巷道圍巖變形和通風系統能位差綜合影響，因此需要結合能位測定綜合判斷。

風流流動趨勢是從能位高的點流向能位低的點，一般能位差越大，漏風可能性越大。漏風通道識別時，首先要掌握封閉采空區周邊通風系統風流流動情況，選擇主要風流流動路線上的關鍵節點為測點，依次測定通風能位，畫出能位差分布圖，從封閉墻漏風狀態和壓差以及能位差較大點的圍巖狀態，綜合識別漏風通道和漏風趨勢。

3 漏風通道識別應用

3.1 試驗工作面采空區概況

南屯煤礦3304 工作面位于三采區南部，周邊相鄰3302 工作面采空區與3306 工作面（未采），工作面停采線運順側位于3 煤軌道巷巷中以西50m（沿順槽方向），軌順側較運順側向東調斜30m。工作面軌順長944.5m、運順長929.5m，傾斜方向最大寬度254.3m。工作面回采3 煤層。3 煤層厚 8.1～8.73m，平均8.40m，分層開采。

3304 工作面回采后，為方便3306 工作面接續，特將支架臨時封閉在3304 工作面停采線內。在3304 軌順進風隅角開始，依次沿傾向向下的121 架、90 架、63架、45 架、3304 運順回風隅角布置束管，取樣監測CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、O2、N2等氣體濃度。并在3304 軌順封閉墻布置一路注氮管路，注氮量約為10m3/min。自6 月6 日開始監測，至今3304 運順回風隅角O2取樣濃度未能低于10%，其余各處O2濃度自漏風流方向（即304 軌順進風隅角→121 架→90 架→63 架→45 架）逐漸降低14%～12%，由于3 煤為易自燃煤層，存在一定的煤自燃風險。

3.2 封閉采空區能位測定

該區域通風系統復雜，封閉墻多，3304 工作面回采結束后尚未完全壓實，存在可能的漏風通道。普遍認為漏風流由3304 軌順封閉墻進入，從3304 運順封閉墻流出，但O2濃度一直未能有效降低。因而須對此處通風系統進行能位測定，掌握真實漏風趨勢，為防治自然發火奠定基礎。將局部通風系統簡化后如圖1所示。

依據3304 封閉墻周邊通風系統，制定能位測定測點布置如圖1 所示，風流形成3 條路線如下：1，- 260 大巷單軌吊四岔口西→2，3302 運順聯巷→3，3304 軌順封閉墻→4，- 300 軌回通道；1，- 260 大巷單軌吊四岔口西→2，3302 運順聯巷→5，3304 運順封閉墻→6，三采東區橫貫東；1，- 260 大巷單軌吊四岔口西→7，七采西部皮帶機巷3302 停采線下。

圖1 3304 停采線封閉區域通風系統能位測定圖

3.3 封閉采空區漏風識別

1）風流流動分析。由測定結果可知，軌順封閉墻外側能位高于運輸封閉墻外側能位約19.3Pa，即推知封閉區域內應由軌順流向運順方向；七采西部皮帶機巷3302 停采線下與軌順封閉墻外側能位基本近似，即此處向軌順封閉墻內漏風有一定可能性。

圖2 各路線相對能位分布圖

表1 封閉墻壓差測定

2）封閉墻漏風分析。測定了關鍵節點處封閉墻壓差及漏風狀態，如表1 所示。分析可知，運順密閉壓差較大，可達113Pa，此處位于3306 軌順掘進回風處，與常規認識不同，該密閉墻為進氣狀態，且壓差較大，但3302 運順密閉壓差不大，僅10Pa，加3304 之軌、運順封閉墻外側能位差19.3Pa，推知封閉區內部與低負壓點有聯通通道。查詢通風系統圖，發現3304 開切眼處與西翼總回風巷較近，且3304 剛收作不久，采空區垮落在運順處形成的“落三角”未完全壓實，存在漏風通道。

3.4 封閉采空區漏風驗證

基于能位測定七采西部皮帶機巷3302 停采線下處于進風通道，有向軌順封閉墻內漏風有一定可能性，現場調查皮帶機較為完好，巷變形不大，且壓差較小，可以排除此處的漏風可能性。

在西翼總回風巷施工向3304 開切眼處的排水鉆孔，發現出氣大，壓差可達142Pa，可以判定西翼總回風巷與3304 開切眼存在漏風裂隙，即西翼總回風巷是封閉采空區的最大漏風匯。

4 結 論

本文基于能位測定技術實現了封閉采空區漏風通道的量化識別，有效應用于南屯煤礦3304 停采線封閉區，確定了回風區域封閉墻進風，改變了回風區域出風的常規認識，并發現了封閉采空區的最大漏風匯西翼總回風巷，最終確定了該封閉采空區的漏風通道為：3304 軌、運順封閉墻均進風，3304 軌順流向運順方向，經由運順未完全壓實采空區，溝通西翼總回風巷。此漏風通道量化識別方法可為類似條件礦井封閉采空區漏風識別提供基礎。