采空區漏風對上隅角瓦斯積聚影響研究

王萬群

（臨汾天平安全技術評價有限公司，山西 臨汾 041000）

采用U 型通風方式的工作面，在巷道拐角處由于自身風向變化和采空區漏風的相互作用，極易形成渦流，造成工作面上隅角瓦斯積聚。本文針對譚坪礦12409 回采工作面存在瓦斯超限隱患等問題，采用現場實測分析的方法對無抽采條件下工作面漏風量、漏風路徑、上隅角瓦斯積聚特性進行研究，以期解決采煤工作面漏風和上隅角瓦斯超限等問題。

1 工作面概況

譚坪礦主采4#煤層，采用斜井開拓方式，綜合機械化開采，皮帶運輸。礦井屬高瓦斯礦井，主井、副井進風，邊界風井回風。4#煤層瓦斯含量為0.22～9.55 m3/t，平均5.64 m3/t，礦井絕對瓦斯涌出量19.42 m3/min，相對瓦斯涌出量10.88 m3/t，礦井總回風量為4 608.7 m3/min，總進風量為4 525.8 m3/min，有效風量4 407.2 m3/min。12409 工作面采用U 型通風方式，通風路線如下：（1）進風路線：主井、副井→+730 m 水平運輸大巷→2 采區下部材料車場→2 采區運輸上山→12409 進風巷→12409 工作面；（2）回風路線：12409 工作面→12409 回風巷→2采區軌道上山→南翼總回大巷→風井。

2 工作面采空區漏風量來源分析

12049 工作面采空區外部漏風來源主要有地表貫通性裂隙漏風、頂板上覆老窯采空區漏風；內部漏風主要有通風構筑失效引起的漏風、頂底板煤巖裂隙引起的漏風、工作面開采形成的垮落帶和裂隙帶引起的漏風。

2.1 工作面采空區漏風量測定

（1）測點布置

為研究12409 工作面漏風量及漏風規律，采用間接測量法，沿著傾向方向每間隔15 m 布置1 個測點，利用表尺測量各測點位置斷面面積，每隔1 h利用風表對各測點測量一次風速，計算得出各個測點風量。工作面累計布置11 個測點，測點位置如圖1 所示。

圖1 12409 工作面測點布置示意圖

（2）工作面實測結果分析

對12409 工作面各個測點進行三次風速測量，測量結果見表1。

表1 工作面各測點風量統計

根據表1 各測點實測風速，繪制工作面沿程風量分布圖，如圖2 所示。

圖2 工作面沿程風量分布圖

由圖2 可以看出，12409 工作面沿傾斜方向三次風量測量結果基本一致，均為先減小后增大，工作面漏風曲線整體呈拋物線形狀。對各測點風量差值進行具體分析發現，1#～6#測點通過工作面斷面的風量逐漸減小且在1#～3#測點段風量差值較大；6#～11#測點通過工作面斷面的風量逐漸增大且在9#～11#測點段風量增幅較大。可以說明從工作面進風側到工作面傾向6#（73 m）測點位置為工作面風流漏入采空區的漏風區域，且在0～30 m 范圍內為主要漏風區域，累計漏出風量為150 m3/min。6#測點至回風巷位置為采空區風流漏入工作面的漏風區域，且在115～145 m 范圍內為主要漏風區域，累計漏入風量約為153 m3/min。

2.2 漏風量對上隅角瓦斯積聚的影響

表2 不同工作面通風數據統計表

圖3 各參量隨配風量變化曲線

由圖3 可知，采空區漏風量與工作面配風量和瓦斯涌出量呈正相關，與上隅角瓦斯濃度呈負相關。主要原因是：配風量越大，工作面與采空區的壓差越大，從而導致漏入采空區的風量增大；漏入采空區的風量越大，則流動范圍越大，導致工作面瓦斯涌出量也增大；工作面配風量增大，將會使采空區漏入工作面的瓦斯得到充分稀釋，從而使上隅角瓦斯濃度降低。

3 采空區漏風路徑分析

3.1 漏風路徑分析

通過在12409 工作面下隅角連續穩定地釋放SF6示蹤氣體，分析工作面漏入采空區風流的不同漏風路徑。工作面示蹤氣體釋放點與采樣點如圖4所示。1#、2#、3#測點采空區6 m、30 m、60 m 位置處，測試過程每隔5 min 對各測點進行一次氣體采樣，采樣時長共計140 min，樣本總量共計86 個。

圖4 U 型工作面采空區漏風示意圖

圖5 SF6 氣體濃度-時間變化曲線

由圖4、圖5 可知，檢測到SF6氣體的先后順序為1#測點～2#測點～3#測點。各測點繪制的SF6氣體時間-濃度曲線總體呈拋物線形狀，且距離工作面越近拋物線最值越大。主要原因：1#測點所在位置漏風路徑短，漏風量大，可在第一時間監測到SF6氣體。隨著SF6氣體的移動，2#、3#測點相繼收集到SF6氣體。在SF6氣體釋放的前1 h 內，隨著時間的推移各測點收集到的SF6氣體濃度持續增加，對應SF6氣體濃度曲線逐漸上升。當SF6氣體釋放時間超過1 h 后，各測點收集到的SF6氣體出現短時間的穩定，持續約30 min 后開始逐漸下降，對應SF6氣體濃度曲線平穩中略有波動。當SF6氣體連續釋放1.5 h 后，由于采空區漏風流對SF6氣體的稀釋，監測到SF6氣體不斷減少，對應曲線上SF6氣體濃度持續下降。（1）1#測點位于0～15 m 漏風帶Ⅰ內，漏風路徑短，風量、風速最大；2#測點位于15～50 m 漏風帶Ⅱ內，漏風路徑相對較長，風量、風速度相對較小；3#測點位于50～200 m 的漏風帶Ⅲ內，漏風路徑最長，風速、風量最小。（2）3 個測點SF6氣體峰值濃度距離工作面越遠其濃度越低。主要原因是各個漏風帶內的風速和風量的不同且不同位置SF6氣體的擴散速率不同。（3）隨著時間的推移，最后監測到SF6氣體的測點順序為3#測點-2#測點-1#測點。其主要原因是風速和漏風量隨著漏風路徑的增長逐漸減小，SF6氣體的擴散速度也逐漸減小，風速大的測點SF6氣體匯入時間最短，最先完成監測，風速最小的測點SF6氣體匯入時間最長，最后才能完成監測。

3.2 漏風路徑對上隅角瓦斯積聚影響分析

通過收集12049 工作面一個月內上隅角瓦斯監測數據，對其進行處理分析。

圖6 上隅角瓦斯濃度變化曲線

通過圖6 中12409 工作面瓦斯最小濃度曲線和平均濃度曲線可知上隅角瓦斯濃度整體處于一個較為穩定的濃度范圍。分析瓦斯最大濃度曲線發現工作面上隅角瓦斯受采空區漏入工作面漏風量影響，存在潛在的超限可能。主要原因：采空區漏風帶Ⅰ、漏風帶Ⅱ巖體處于自然垮落或者受載未壓實狀態，而且該區域漏風量大，風速高，對瓦斯的稀釋作用明顯，因此該區域瓦斯異常涌出對上隅角瓦斯濃度的影響較弱；采空區漏風帶Ⅲ巖體處于壓實區，風量小，風速底，對瓦斯的稀釋作用弱，瓦斯濃度異常涌出時對工作面上隅角瓦斯濃度影響明顯，容易造成瓦斯超限。

4 防止工作面上隅角瓦斯積聚的措施

根據采空區漏風量、漏風路徑對工作面上隅角瓦斯濃度的影響分析結果，在保證采煤工作面實際需要的基本條件下，可采取以下措施減少及防止工作面上隅角瓦斯積聚的問題。

（1）加強通風，配足工作面風量，使得采空區漏入工作面的瓦斯得到充分稀釋。

（2）在上隅角上風側設置斜風板或風障，迫使有風流流經上隅角處，即通過引流的方式排除該處積聚瓦斯。

（3）增設局部通風機專吹上隅角，加大風量以充分稀釋該處瓦斯，同時促進該處瓦斯快速排出，避免積聚。

（4）必要時拆開上部（回采面后方50m 外）采空區密閉，使得采空區瓦斯能夠從上部采空區直接排入到工作面回風通道當中，從而防止漏至工作面產生積聚。

5 結論

（1）12409 工作面漏入采空區風量為150 m3/min，主要漏風區域為工作面進風側0～30 m；采空區漏入工作面風量為153 m3/min，主要漏入區域為工作面進風側110～145 m。采空區漏風量與工作面配風量和瓦斯涌出量呈正相關，與上隅角瓦斯濃度呈負相關。

（2）主要漏風區為工作面后方0～50 m，該區域瓦斯不均衡涌出對上隅角瓦斯濃度的影響較弱；50～200 m 漏風量較少，瓦斯濃度較高，該區域瓦斯涌出對工作面上隅角瓦斯濃度的影響較強。