示蹤氣體在工作面漏風通道和漏風量測定的應用

劉振華

（大同煤礦集團有限責任公司大斗溝煤業有限公司，山西 大同 037026）

石圪臺煤礦是神東煤炭集團公司主力生產礦井之一，位于陜西省神木縣境內，井田面積65.283 km2，石圪臺煤礦共有8 個可采煤層，其中主采煤層為1-2、2-2、3-1 煤層。目前開采的3-1 煤煤層埋藏較淺、工作面頂板基巖較薄，頂板上部的覆蓋層較疏松[1]。若存在多煤層開采，煤層間距小，當下層煤開采時，受二次采動的影響，上下采空區垮落聯通，裂隙直達地表，漏風情況極為明顯[2-3]。若工作面周邊存在小煤窯采空區，則漏風通道變得更為復雜化[4]。本文為驗證31201 采空區與周邊鄰近采空區及工作面的漏風通道和漏風量，通過采用SF6示蹤氣體進行測定，為制定漏風防治措施提供技術參考。

1 工作面及周邊采動概況

1.1 工作面概況

31201 工作面寬311.4 m，走向長1 865 m，采高4.0 m，地面標高：1 168~1 230 m，煤層底板標高：1 078~1 088 m。工作面范圍內無斷層、褶皺地質構造帶，局部地區存在沖刷帶構造。31201 工作面進回風巷掘進區煤層為較穩定煤層，總體為負坡掘進，局部煤層頂部有0.2～0.6 m 的砂質泥巖夾矸；工作面上覆有48～120 m 厚的基巖。

1.2 工作面周邊采動情況

1）上覆采空區。31201 工作面上部為原天隆煤礦22 煤層開采采空區，22 煤層厚度3.99～5.32 m，平均4.84 m。兩煤層之間的層間距在27.25～40.57 m，平均間距39.27 m。

2）鄰近采空區。31201 工作面開切眼南側有已經關停的7 個小煤礦，經過對石圪臺煤礦31201 工作面周邊存在的小煤礦現場查看及采空區氣體采集分析，工作面南部的劉石畔煤礦等5 個小煤窯采空區遺煤存在自然發火跡象。

2 工作面漏風通道檢測

2.1 漏風通道檢測方案

2013 年 8 月 19 日，31201 工作面開始回采，采用負壓通風方式。 9 月 9 日，31201 工作面回采約110m，老頂來壓垮落。對31201 工作面已回采對應地表區域進行查看，發現距離工作面切眼約50 m 有多處裂隙，最寬約1.5 m，深約10 m，可以觀測到明顯的漏風現象，判斷漏風方向為地表向裂隙深處漏風。

為驗證地表與井下的漏風通道，制定了使用SF6示蹤氣體進行漏風通道測定的實施方案，步驟如下：

2.1.1 確定SF6示蹤氣體釋放點

31201 工作面地表測漏風示意圖見圖1。SF6示蹤氣體的釋放點為距離回順約110 m 處的明顯裂隙。

圖1 31201 工作面地表測漏風示意圖

2.1.2 確定SF6示蹤氣體接收點

預先選定4 個氣樣取樣點，依次為：①井下31201 工作面上隅角；②31201 回風順槽距離上隅角50 m 處（33 與34 號聯巷之間）；③劉石畔煤礦主井；④神府碳窯渠煤礦2 號井。

2.1.3 示蹤氣體檢測與氣樣采集

將SF6釋放裝置與氣源、釋放桿連接，各接收點配備攜帶SF6檢測儀的取樣員提前到位。9 月9 日1：30 pm，釋放點將氣體釋放速度設置在5 L/min 并保證連續穩定地釋放。

1：55pm，31201 工作面上隅角檢測到 SF6示蹤氣體，待氣流穩定后，每隔5 min 鐘采集1 個氣樣，共取3 個氣樣。2：00 pm，31201 回風順槽距離上隅角50 m處也檢測到SF6示蹤氣體，待氣流穩定后采集氣樣。

2：30pm，神府碳窯渠煤礦2 號井檢測到SF6示蹤氣體，待氣流穩定后采集氣樣。

12：00pm，劉石畔煤礦主井檢測到SF6示蹤氣體，待氣流穩定后采集氣樣。

2.1.4 氣樣分析

對采集的氣樣分析，得到SF6濃度結果如下：

1）31201 工作面上隅角采集的3 個氣樣中SF6濃度依次為：99.94×10-9、92.27×10-9、86.37×10-9。

2）31201 回風順槽距離上隅角50m 處（33 號與34 號聯巷之間）采集的2 個氣樣中SF6濃度依次為：90.53×10-9、88.09×10-9。；

3）神府碳窯渠煤礦2 號井采集的1 個氣樣中SF6濃度為 100.25×10-9。

4）劉石畔煤礦主井采集的1 個氣樣中SF6濃度為 88.81×10-9。

2.2 煤層天隆采空區與小煤窯漏風通道現場測試

31201 工作面上覆22 煤層天隆采空區，糖漿渠二礦曾越界開采并破壞了天隆采空區與31201 工作面南部7 個小煤礦之間的保安煤柱，小煤礦采空區之間有互相連通，天隆采空區與小煤窯采空區之間可能存在漏風通道。所以需要對天隆采空區與小煤窯采空區之間的漏風通道和漏風線路進行漏風測試。

9 月10 日，制定了使用SF6示蹤氣體進行漏風通道測定的實施方案，具體步驟如下：

1）確定SF6示蹤氣體釋放點。通過周期性的對水文觀測孔進行取氣觀察，分析其氣體變化規率，選定在31201 工作面內距離切眼190 m 處的5 號水文觀測孔為SF6示蹤氣體的釋放點。該孔位于22 煤天隆220402 采空區。

2）確定SF6示蹤氣體接收點。SF6示蹤氣體的接收點選擇位于劉石畔煤礦的9 號水文觀測孔。

3）示蹤氣體檢測與氣樣采集。將SF6釋放裝置與氣源、釋放桿連接，各接收點配備攜帶SF6檢測儀的取樣員提前到位。9 月10 日9：30 am，釋放點將氣體釋放速度設置在3 L /min 并保證連續穩定地釋放，12：00 pm 停止釋放。

12：30 pm，9 號水文觀測孔檢測到SF6示蹤氣體，待氣流穩定后，共取3 個氣樣，間隔5 min。

4）氣樣分析。取樣結束后，將氣樣及進行分析，氣樣中檢測SF6濃度為9.20×10-9。

2.3 檢測結果分析

1）31201 工作面地表裂隙與井下漏風通道現場測試結果分析。31201 工作面地表裂隙與井下漏風通道現場測試結果顯示4 個接收點氣樣中均存在SF6示蹤氣體，其中31201 工作面上隅角最先檢測到示蹤氣體，且其氣樣中SF6示蹤氣體濃度大于回風順槽氣樣中濃度，這表明：①31201 工作面采空區與31201工作面地表裂隙之間存在連通的漏風通道，負壓通風下，地表空氣經漏風通道向31201 采空區漏風；②31201 工作面與22 煤層天隆采空區之間存在連通的漏風通道，天隆采空區氣體向31201 工作面運移。

此外，神府碳窯渠煤礦2 號井先于劉石畔煤礦主井檢測到SF6示蹤氣體，且前者氣樣中示蹤氣體濃度大于后者，說明：31201 工作面地表裂隙與神府碳窯渠煤礦2 號井和劉石畔煤礦主井之間存在連通的漏風通道，且漏風線路為：地表空氣→31201 工作面地表裂隙→神府碳窯渠煤礦2 號井→劉石畔煤礦主井。

2）22 煤層天隆采空區與小煤窯漏風通道現場測試結果分析。現場測試結果顯示5 號水文觀測孔與劉石畔煤礦9 號水文觀測孔之間存在連通的漏風通道。由于5 號水文觀測孔與22 煤天隆采空區相通，因此可以判定天隆采空區與小煤窯采空區之間存在連通的漏風通道。

3 工作面漏風量測定

3.1 漏風量測定方案

為了避免短時間內SF6氣體在采空區的滯留，固選擇10 月30 日對31201 工作面的漏風量進行測定。

此時工作面已經回采至主運順槽28 號聯絡巷處，距離開切眼約516 m 處。為研究工作面漏風量的變化，做到有效的采取自然發火預防措施，使用SF6示蹤氣體進行漏風量檢測，具體步驟如下：

1）確定SF6示蹤氣體釋放點。31201 工作面為負壓通風，工作面的主運順槽和輔運順槽進風，經過27聯巷后風流匯合。主、輔順槽之間的28 聯巷已封閉，并留有反水孔、措施孔和觀測孔。因此，27 聯巷至31201 工作面之間巷道截面的中間位置作為SF6示蹤氣體釋放點。

根據公式L≥32S/U 計算出釋放點和取樣點的位置，進而確定釋放點與取樣點、漏風點與接收點之間的距離。進風巷巷道高3.4 m，寬5.4 m，回風巷巷道高3.4 m，寬5.0 m，代入公式計算得出：

Lj≥32S/U=32×5.4×3.4（／2×（5.4+3.4））=33.4m

Lh≥32S/U=32×5.0×3.4（／2×（5.0+3.4））=32.4m

式中：Lj為進風巷道；Lh為回風巷巷道。

取Lj=Lh=35 m，確定SF6示蹤氣體釋放點R 在進風巷距離工作面70 m 處（27 與28 號聯巷之間），符合要求。

2）確定SF6示蹤氣體接收點。根據釋放點與取樣點之間應滿足的距離關系，確定接收點位置為：①進風巷接收點S1距離31201 工作面35 m 處；②回風巷接收點S2距離31201 工作面35 m 處。

31201 工作面漏風測定示意圖見圖2。

圖2 31201 工作面測漏風示意圖

3）示蹤氣體檢測與氣樣采集。

10 月 30 日 4：30 pm，將 SF6釋放裝置與氣源、釋放桿連接，各接收點配備攜帶SF6檢測儀的取樣員提前到位。釋放點R 保證5L/min 的釋放速率連續穩定地釋放SF6示蹤氣體。

4：50 pm，進風巷接收點S1檢測到示蹤氣體，待氣流穩定共計取4 個氣樣，間隔10 min。

5：00 pm，回風巷接收點S2檢測到示蹤氣體，待氣流穩定共計取4 個氣樣，間隔10 min。

4）氣樣分析與漏風量計算。對采集的氣樣及時進行分析，得到氣樣中SF6濃度見表1。

表1 31201 工作面漏風測定氣樣分析表

測定結果要求至少3 組數據相對誤差均在5%以內，檢測結果有效。根據上表可知，第3 組數據進風巷中SF6氣體濃度小于回風巷濃度，可能是由于人工采樣送樣氣體泄露所致，但1、2、4 這3 組數據滿足要求。排除第3 組數據后計算得S1平均SF6氣體濃度為 34.62×10-6，S2平均 SF6氣體濃度為 32.13×10-6。

根據濃度守恒定律，相同時間內SF6質量相等，可有如下公式：

實際測得回風風量Q2為1 510 m3/min，可計算31201 工作面漏風量為：

計算31201 采空區漏風率為：

3.2 測定結果分析

根據氣樣分析檢測結果，計算得到31201 工作面漏風量為109 m3/min，漏風率為7.78%。

4 結 論

31201 工作面主要受上覆22 煤天隆采空區氣體下泄的影響，受小煤窯采空氣體影響較小，嚴重的漏風可能導致天隆采空區遺煤自然發火，天隆采空區氣體下泄將嚴重影響31201 工作面的安全生產，所以應立即對地表存在的裂隙進行回填，盡量減少地表向井下漏風。在31201 工作面回采過程中出現的地表裂隙，應安排專人負責巡視、檢查，發現裂隙立即采取回填措施，并進行記錄，同時考查井下風量變化情況，判斷回填效果。