近距離煤層復(fù)雜采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律及防控技術(shù)研究

萬(wàn) 磊，孫茂如，趙吉誠(chéng)，蔡滌標(biāo)，馬守龍(中煤新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232000)

煤層自燃是礦井生產(chǎn)災(zāi)害之一，造成資源浪費(fèi)的同時(shí)，也具有嚴(yán)重的安全隱患[1-3]。采空區(qū)漏風(fēng)是產(chǎn)生煤層自燃的主要原因[4-5]，在近距離煤層開采的情況下，煤巖裂隙發(fā)育[6-7]，采空區(qū)漏風(fēng)情況嚴(yán)重，更易造成采空區(qū)煤自燃。掌握采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律可以提前采取措施，降低近距離煤層復(fù)雜采空區(qū)煤自燃的可能性。

目前眾多學(xué)者對(duì)近距離煤層群采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律進(jìn)行了大量研究，其中，SF6示蹤法被大量應(yīng)用于近距離煤層群采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律的研究，張立國(guó)[8]結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐研究了近距離煤層群復(fù)合采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律；張緒林等[9]利用SF6示蹤氣體連續(xù)定量釋放法定量研究并掌握了許疃煤礦7228工作面及回采巷道漏風(fēng)規(guī)律，提出了解決方法；王超群等[10]采用SF6示蹤法、重點(diǎn)區(qū)域指標(biāo)氣體數(shù)據(jù)分析法研究了發(fā)耳煤礦采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律、防治方法；葉慶樹等[11]采用SF6示蹤氣體定性測(cè)定法總結(jié)出不同間距近距離煤層漏風(fēng)規(guī)律；郭海相[12]利用SF6示蹤氣體檢測(cè)技術(shù)對(duì)不同的深度、層間距、通風(fēng)方式及周邊采空區(qū)情況進(jìn)行漏風(fēng)測(cè)定，總結(jié)出神東礦區(qū)漏風(fēng)規(guī)律。

上述研究雖然取得了一定的效果，但是研究手段較為單一，且主要通過(guò)預(yù)判選擇示蹤氣體釋放地點(diǎn)，風(fēng)源的選擇也大多來(lái)自于經(jīng)驗(yàn)，主觀性強(qiáng)，精確度難以保證。對(duì)于近距離煤層復(fù)雜采空區(qū)，漏風(fēng)路線多，采用單一的研究和防控手段已無(wú)法滿足目前的防控要求。本文以新集二礦2201工作面采區(qū)為工程背景，采用壓差測(cè)定、能位測(cè)定、氣體分析以及雙元示蹤氣體技術(shù)相結(jié)合的方法，揭示了新集二礦2201工作面采區(qū)的漏風(fēng)規(guī)律，并提出了針對(duì)性的綜合防控技術(shù)，取得了有效的漏風(fēng)防控效果，保障了2201工作面采區(qū)的安全高效開采。

1 工程概況

新集二礦2201工作面采區(qū)分為1上煤層和1煤層上下兩層開采，1上煤層上覆為中厚層狀砂巖堅(jiān)硬頂板，矸石膠結(jié)困難，2201工作面采區(qū)工作面布置如圖1所示。1上煤層存在220116工作面、220112工作面、220108工作面、220106工作面和220102工作面共5個(gè)工作面，其中，220116工作面、220112工作面已開采，220108工作面與1煤層首采工作面220115工作面(位于220116工作面采空區(qū)下方)同時(shí)開采，220106工作面、220102工作面為待開采工作面。1煤層與1上煤層間夾矸均厚1.1 m，兩煤層屬于近距離煤層群開采。在220115工作面掘進(jìn)回采時(shí)，機(jī)風(fēng)巷及采空區(qū)與1上煤層采空區(qū)接近或直接連通，再生頂板完整性差、透氣性強(qiáng)，采空區(qū)的多通道漏風(fēng)和上部采空區(qū)漏風(fēng)難以控制，在采空區(qū)內(nèi)不同區(qū)域出現(xiàn)了高溫及CO超限現(xiàn)象。

圖1 2201工作面采區(qū)布置示意圖Fig.1 Layout of 2201 working face mining area

2 現(xiàn)場(chǎng)漏風(fēng)規(guī)律分析

工作面采動(dòng)后，在礦山壓力的作用下，采空區(qū)密閉墻的衍生裂隙將采空區(qū)與回采巷道貫通，導(dǎo)致漏風(fēng)防治困難。受采空區(qū)群密閉墻和巷道數(shù)量以及示蹤氣體種類的限制，無(wú)法利用示蹤技術(shù)研判全部地點(diǎn)。因此，為保證漏風(fēng)規(guī)律分析、風(fēng)流示蹤的準(zhǔn)確性，首先需通過(guò)壓差和能位測(cè)定分析確定采空區(qū)群漏風(fēng)源。

2.1 壓差和能位測(cè)定

主通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生通風(fēng)動(dòng)力對(duì)空氣做功，形成能位差，促使空氣流動(dòng)，其值是靜壓差、動(dòng)壓差和位能差之和，其中動(dòng)壓差見式(1)。

(1)

式中：ρi、ρi+1分別為i、i+1點(diǎn)的空氣密度，kg/m3；vi、vi+1分別為i、i+1點(diǎn)的風(fēng)速，m/s。靜壓差按式(2)計(jì)算。

(2)

hz(i,i+1)=9.81×ρm(Zi-Zi+1)

(3)

式中，Zi、Zi+1分別為測(cè)段上下兩測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高，m。

采用氣壓計(jì)逐點(diǎn)測(cè)定2201工作面采區(qū)的能位，按照測(cè)點(diǎn)測(cè)定和式(1)～式(3)計(jì)算得到部分結(jié)果見表1。

由表1可知，220115工作面運(yùn)輸巷道是本次測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的能位最高點(diǎn)，220115工作面回風(fēng)巷道是本次測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的能位次高點(diǎn)，這兩個(gè)地點(diǎn)有可能是漏風(fēng)源。在220108工作面回風(fēng)巷道、220108工作面底板巷、220112工作面回風(fēng)巷道密閉墻、220112工作面高抽巷密閉墻、220116工作面回風(fēng)巷道密閉墻、220116工作面運(yùn)輸巷道密閉墻能位較低，均可能是漏風(fēng)匯。具體的漏風(fēng)源和漏風(fēng)匯判定還需要結(jié)合觀測(cè)孔的內(nèi)外壓差及其變化，觀測(cè)孔內(nèi)外的氣體濃度變化等綜合因素進(jìn)行判定。

2.2 漏風(fēng)源、漏風(fēng)匯判定

根據(jù)觀測(cè)孔外的能位高低、孔內(nèi)氧氣濃度高低、孔內(nèi)外壓差大小、孔內(nèi)外壓差在上午、下午的偏差，結(jié)合觀測(cè)孔內(nèi)外的氣體濃度氣相色譜分析，可得2201工作面采區(qū)觀測(cè)點(diǎn)漏風(fēng)源、匯判定參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

由表2可知，測(cè)試得到下午觀測(cè)孔內(nèi)外壓差均大于上午內(nèi)外壓差，說(shuō)明觀測(cè)點(diǎn)處觀測(cè)孔內(nèi)的采空區(qū)氣壓改變存在一定的滯后性。220115工作面運(yùn)輸巷道3#觀測(cè)點(diǎn)、220115工作面回風(fēng)巷道2#觀測(cè)點(diǎn)，220112工作面運(yùn)輸巷道密閉墻是2201工作面采區(qū)的漏風(fēng)源。而220108工作面底板巷密閉墻、220116工作面回風(fēng)巷道密閉墻、220116工作面運(yùn)輸巷道密閉墻、220112工作面回風(fēng)巷道密閉墻和220112工作面高抽巷密閉墻是漏風(fēng)匯。

表1 壓差能位測(cè)定結(jié)果Table 1 Measurement results of differential pressure energy level

表2 2201工作面采區(qū)觀測(cè)點(diǎn)處漏風(fēng)源、匯判定統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table for determination of air leakage source and sink at observation points in 2201 working face mining area

2.3 雙元示蹤氣體測(cè)定

為進(jìn)一步研究采區(qū)漏風(fēng)規(guī)律，在得到采空區(qū)群漏風(fēng)源、匯的基礎(chǔ)上，采用SF6與CF2ClBr(1211)雙元示蹤氣體技術(shù)進(jìn)一步分析采空區(qū)流場(chǎng)及漏風(fēng)通道以歸納采空區(qū)群的復(fù)雜漏風(fēng)網(wǎng)絡(luò)體系。

根據(jù)能位測(cè)試結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)考察與理論分析，選擇在220115工作面運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷道分別通過(guò)鉆孔釋放SF6氣體和1211氣體，鉆孔的終孔位置為220116工作面采空區(qū)。示蹤氣體釋放過(guò)程依據(jù)方案實(shí)施，220115工作面運(yùn)輸巷道鉆孔釋放SF6的時(shí)間為15:27～15:47，共釋放20 min，釋放后壓風(fēng)3 min。220115工作面回風(fēng)巷道鉆孔釋放1211氣體的時(shí)間為17:04～17:31，釋放后壓風(fēng)5 min。

釋放地點(diǎn)和采樣地點(diǎn)具體布置如圖2所示。由圖2可知，共設(shè)置2個(gè)釋放點(diǎn)，在220115工作面運(yùn)輸巷道打穿層鉆孔，鉆孔的終點(diǎn)為220116工作面采空區(qū)，從鉆孔釋放SF6氣體，在220115工作面回風(fēng)巷道打穿層鉆孔，鉆孔的終點(diǎn)為220116工作面采空區(qū)，從鉆孔釋放1211氣體。共設(shè)置8個(gè)采樣點(diǎn)。

采樣結(jié)果匯總見表3。11#、12#、13#、14#、15#等5個(gè)地點(diǎn)氣樣均未檢測(cè)到示蹤氣體，21#、31#、32#等3個(gè)地點(diǎn)檢測(cè)到SF6氣體和1211氣體。

圖2 采樣點(diǎn)和釋放點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of sampling point and release point layout

表3 分析結(jié)果匯總表Table 3 Summary of analysis results

由表3可知，在220108工作面底板巷檢測(cè)到來(lái)自220115工作面運(yùn)輸巷道鉆孔內(nèi)的SF6氣體及220115工作面回風(fēng)巷道鉆孔內(nèi)的1211氣體，說(shuō)明1上煤層220116工作面、220112工作面與220108工作面之間的采空區(qū)相互連通；由于220108工作面底板巷抽采的強(qiáng)負(fù)壓作用，風(fēng)流集中流向220108工作面底板巷，形成“短路”效應(yīng)，釋放的SF6氣體和1211氣體隨風(fēng)流自220108工作面底板巷流出，造成220108工作面回風(fēng)巷道、220108工作面上隅角抽采管路、220108工作面鉆孔抽采管路、220112工作面回風(fēng)巷道密閉墻、220112工作面高抽巷密閉墻未檢測(cè)到氣體；220116工作面運(yùn)輸巷道密閉墻與220116工作面回風(fēng)巷道密閉墻均檢測(cè)到SF6氣體與1211氣體。220116工作面回風(fēng)巷道密閉墻檢測(cè)到的SF6氣體有隨時(shí)間逐漸增大的趨勢(shì)，這說(shuō)明在采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)作用下，自220115工作面運(yùn)輸巷道鉆孔釋放的SF6氣體隨著采空區(qū)風(fēng)流逐漸積聚在220116工作面回風(fēng)巷道密閉墻內(nèi)。而220116工作面運(yùn)輸巷道密閉墻檢測(cè)到的1211氣體濃度變化較為均勻，未出現(xiàn)積聚現(xiàn)象，可判斷220116工作面運(yùn)輸巷道密閉墻的1211氣體為220115工作面回風(fēng)巷道鉆孔釋放氣體的擴(kuò)散作用導(dǎo)致。

根據(jù)示蹤氣體分析結(jié)果，1上煤層220116工作面采空區(qū)、220112工作面采空區(qū)與220108工作面采空區(qū)相互連通，因此，當(dāng)220115工作面與220108工作面上下同采時(shí)，各采空區(qū)形成漏風(fēng)通道。220115工作面的新鮮風(fēng)流流入采空區(qū)時(shí)，部分風(fēng)流由回風(fēng)巷道流出，還有部分風(fēng)流會(huì)沿著漏風(fēng)通道，流經(jīng)220116工作面采空區(qū)、220112工作面采空區(qū)及220108工作面采空區(qū)，進(jìn)入220108工作面底板巷，而220108工作面新鮮風(fēng)流流入采空區(qū)后，由220108工作面底板巷和220108工作面回風(fēng)巷道流出，整個(gè)采區(qū)形成“多源多匯”的采空區(qū)流場(chǎng)如圖3所示。

由圖3可知，2201工作面采區(qū)共有4條漏風(fēng)路線。風(fēng)流1(路線1)自220116工作面運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷道、220112工作面運(yùn)輸回風(fēng)巷道密閉墻及圍巖(煤)裂隙進(jìn)入1上煤層老空區(qū)，從220115工作面回風(fēng)巷道頂幫裂隙、220108工作面采空區(qū)上隅角流入總回風(fēng)巷。風(fēng)流2(路線2)自220115工作面運(yùn)輸巷道頂幫裂隙進(jìn)入1上煤層老空區(qū)，從220116工作面回風(fēng)巷道、220112工作面運(yùn)輸和回風(fēng)巷道密閉墻及圍巖(煤)裂隙、220108工作面風(fēng)巷流入總回風(fēng)巷。風(fēng)流3(路線3)自220115工作面進(jìn)入本煤層采空區(qū)、1上煤層老空區(qū)，從220115工作面回風(fēng)巷道頂幫裂隙、220116工作面回風(fēng)巷道、220112工作面運(yùn)輸回風(fēng)巷道密閉墻及圍巖(煤)裂隙、220108工作面回風(fēng)巷道流入總回風(fēng)巷。風(fēng)流4(路線4)自220108工作面進(jìn)入本煤層采空區(qū)，由220108工作面采空區(qū)上隅角流入總回風(fēng)巷。

圖3 采區(qū)流場(chǎng)立體示意圖Fig.3 Three dimensional diagram of flow field in mining area

3 綜合立體漏風(fēng)治理技術(shù)

根據(jù)風(fēng)源、風(fēng)匯分析和雙元示蹤氣體技術(shù)得出的2201工作面采區(qū)立體漏風(fēng)分布規(guī)律，針對(duì)新集二礦1煤層開采漏風(fēng)防控難題，提出2201工作面采區(qū)“噴注+密封圈二次堵漏+兩道兩線隔斷”綜合立體漏風(fēng)防治技術(shù)，包括傳統(tǒng)堵漏技術(shù)，如噴漿技術(shù)和注漿技術(shù)，以及在此基礎(chǔ)之上增加的水泥密封圈二次堵漏技術(shù)和“兩道兩線”隔斷技術(shù)，以降低2201工作面采區(qū)漏風(fēng)量，有效控制2201工作面采區(qū)采(老)空區(qū)CO濃度、O2濃度。

3.1 噴漿、注漿技術(shù)

噴漿技術(shù)的作用在于密閉墻、巷道的縫隙在高速射入混凝土的黏結(jié)作用下被封堵，有效防止了漏風(fēng)。同時(shí)，具有一定柔性的噴層可與圍巖產(chǎn)生徑向位移，形成非彈性變形區(qū)，防止圍巖產(chǎn)生裂隙。注漿技術(shù)可改善圍巖的力學(xué)性能及完整性結(jié)構(gòu)，封堵裂隙。

3.2 水泥密封圈二次堵漏技術(shù)

受條件制約，巷道噴漿難免存在小的空洞或噴漿盲點(diǎn)，同時(shí)2201工作面采區(qū)采用“U”棚支護(hù)，其凹槽無(wú)法充實(shí)，均易形成漏風(fēng)通道，對(duì)老空區(qū)產(chǎn)生不利影響。為彌補(bǔ)噴漿措施的不足，2201工作面采區(qū)實(shí)施水泥密封圈二次堵漏技術(shù)，如圖4所示。

圖4 密封圈示意圖Fig.4 Schematic diagram of sealing ring

該技術(shù)的原理為，向巷道頂幫灌注水泥漿，凝固后在巷道漿體外殼和頂幫煤巖間形成水泥密封圈，達(dá)到封閉圍巖、阻斷漏風(fēng)點(diǎn)的效果。注漿設(shè)備采用ZBY317-11型煤礦用液壓注漿泵。注漿采用單液水泥漿，水灰比為1∶0.7～1∶1.0，裂隙較大時(shí)，則提高漿液的濃度。

3.3 “兩道兩線”隔斷技術(shù)

在2201工作面采區(qū)掘進(jìn)巷道或其他合適位置施工措施鉆孔，通過(guò)措施鉆孔向“兩道兩線”灌注水泥、粉煤灰或其他充填材料形成隔斷帶，充填量原則上以注不進(jìn)去為止。隔斷示意圖如圖5所示。充填材料必須滿足阻燃、抗靜電、安全性及環(huán)保性要求，并要制定安全監(jiān)測(cè)制度和安全防護(hù)措施。

4 漏風(fēng)防控效果分析

2201工作面采區(qū)運(yùn)用上述“噴注+密封圈二次堵漏+兩道兩線隔斷”綜合立體漏風(fēng)防治技術(shù)后，220115工作面在掘進(jìn)期間，監(jiān)測(cè)回風(fēng)巷道、運(yùn)輸巷道上覆老空區(qū)CO濃度及O2濃度，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6和圖7所示。數(shù)據(jù)表明，回采巷道掘進(jìn)期間，回風(fēng)巷道上覆老空區(qū)的CO濃度基本上為0，最大濃度不超過(guò)5 ppm，O2濃度一半時(shí)間維持在20%左右，一半時(shí)間明顯低于20%；運(yùn)輸巷道上覆老空區(qū)的CO濃度一直為0，O2濃度有較大波動(dòng)，基本維持在10%左右，CO濃度、O2濃度均在正常范圍之內(nèi)，說(shuō)明“噴、注、隔”立體漏風(fēng)防治技術(shù)有效地防止了2201工作面采區(qū)漏風(fēng)，降低了2201工作面采區(qū)采(老)空區(qū)自燃的可能。

圖5 “兩道兩線”隔斷示意圖Fig.5 Schematic diagram of “two roads andtwo lines” partition

圖6 220115工作面回風(fēng)巷道上覆老空區(qū)CO濃度、O2濃度Fig.6 CO and O2 concentration of old goaf overlyingreturn air roadway of 220115 working face

圖7 220115工作面運(yùn)輸巷道上覆老空區(qū)CO濃度、O2濃度Fig.7 CO and O2 concentration of old goaf overlyingtransportation roadway of 220115 working face

5 結(jié) 論

1) 綜合分析新集二礦2201工作面采區(qū)風(fēng)源為220115工作面運(yùn)輸回風(fēng)巷道、220112工作面運(yùn)輸巷道，220108工作面底板巷密閉墻、220116工作面回風(fēng)巷道密閉墻、220116工作面運(yùn)輸巷道密閉墻220112工作面回風(fēng)巷道密閉墻和220112工作面高抽巷密閉墻是漏風(fēng)匯，精確判定了2201工作面采區(qū)四條風(fēng)流路線，分析了復(fù)雜采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律。

2) 提出了“噴注+密封圈二次堵漏+兩道兩線隔斷”的綜合立體漏風(fēng)防控技術(shù)，包括傳統(tǒng)堵漏技術(shù)，如噴漿技術(shù)、注漿技術(shù)，以及在此基礎(chǔ)之上增加水泥密封圈二次堵漏技術(shù)和“兩道兩線”隔斷技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)堵漏技術(shù)中，噴漿技術(shù)的不足，增強(qiáng)了漏風(fēng)防治效果。

3) 將“噴注+密封圈二次堵漏+兩道兩線隔斷”的綜合立體漏風(fēng)防控技術(shù)運(yùn)用于2201工作面采區(qū)，使得2201工作面采區(qū)上覆老空區(qū)CO濃度基本上為0，O2濃度大部分時(shí)間在20%左右，有效地控制了2201工作面采區(qū)漏風(fēng)，降低了2201工作面采區(qū)采(老)空區(qū)自燃的可能性，保障了2201工作面采區(qū)的安全生產(chǎn)。