馮 彬，吳禹默

(1. 大同煤礦集團(tuán) 挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司,山西 大同 037000;2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000)

在煤層開采過程中,當(dāng)煤層距離地面垂直距離較小時(shí),采空區(qū)受到采動(dòng)的影響會(huì)在采空區(qū)上方地面形成裂隙,造成地表塌陷,從而形成貫通地面與采空區(qū)之間的漏風(fēng)通道。采空區(qū)存在的漏風(fēng)通道升高了氧濃度,增加遺煤自燃的威脅,影響煤礦安全高效生產(chǎn)[1]。虎龍溝煤礦N1201工作面屬于易自燃煤層,通過對(duì)其采空區(qū)地面漏風(fēng)規(guī)律的研究,為工作面自燃災(zāi)害的預(yù)防提供借鑒。

1 礦井概況

虎龍溝煤礦地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。礦井現(xiàn)采用斜井開拓方式,綜合機(jī)械化采煤,一次采全高；煤層屬易自燃煤層,煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性；采用頂板自然垮落法管理頂板。

N1201工作面順槽長(zhǎng)度2 500 m,工作面傾角0°～1°,采用雙柱掩護(hù)式液壓支架支護(hù),共173架支架。煤層平均厚度約4 m,煤層埋藏較淺,無地?zé)嵛：?地溫正常。煤塵爆炸指數(shù)38.5,有爆炸危險(xiǎn)。瓦斯涌出量小,地壓無異常。N1201工作面直接頂為細(xì)砂巖,老頂為粉砂巖-中細(xì)砂巖。

2 采空區(qū)地表裂隙沉降特性

1)根據(jù)虎龍溝煤礦現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),隨著工作面的推進(jìn),地表出現(xiàn)塌陷,采空區(qū)上方地表出現(xiàn)多條裂縫。

2)虎龍溝煤礦煤層埋藏淺,頂板較軟,在工作面推進(jìn)過程中引起上覆巖層失穩(wěn),改變了原有應(yīng)力狀態(tài),產(chǎn)生多處裂隙貫通采空區(qū)與地表,造成地表變形等威脅。

3)虎龍溝煤礦井田多為含砂丘陵地貌,采空區(qū)上覆巖層砂巖豐富,砂巖疏松透氣,膠結(jié)程度低。在礦井強(qiáng)度開采過程中,受采動(dòng)影響,采空區(qū)與地表貫通的裂隙不易壓實(shí),該地區(qū)氣候干旱少雨多風(fēng),裂隙難以閉合,且裂隙縱橫交錯(cuò),為礦井通風(fēng)管理帶來障礙。

4)地表裂縫與塌陷破壞了大面積的植被生存條件,造成地表砂土松軟,受風(fēng)化影響大。

5)冬季氣溫低,地表空氣密度較井下大,若礦井存在大面積漏風(fēng),地表與井下壓差升高,影響采空區(qū)遺煤自燃程度[2]?；垳厦旱V地面裂隙程度見圖1、圖2。

3 采空區(qū)地表裂隙漏風(fēng)規(guī)律

3.1 瞬時(shí)釋放SF6技術(shù)

SF6氣體無色無嗅,不溶于水,不易被井下材料吸附,是一種良好的負(fù)電性氣體。SF6氣體物理活性大,能迅速混合且均勻地分布在井下空氣中。SF6氣體易被檢測(cè),靈敏度高,釋放操作簡(jiǎn)單,易于控制。因此，常被用來檢測(cè)采空區(qū)的漏風(fēng)和礦井漏風(fēng)通道。

在采空區(qū)漏風(fēng)測(cè)定中,常常采用脈沖釋放法[3],即在地面裂隙處釋放一定數(shù)量的SF6氣體,同時(shí)在工作面回風(fēng)隅角處預(yù)定采樣點(diǎn)定時(shí)采集氣樣,在實(shí)驗(yàn)室利用電子捕獲的氣相色譜儀分析采集的氣樣中是否含有SF6，從而確定從釋放到接收到SF6氣體的時(shí)間。

3.2 采空區(qū)漏風(fēng)測(cè)算

根據(jù)N1201工作面觀測(cè)結(jié)果可知,工作面地表與井下回風(fēng)隅角總壓力差為ΔH,則

ΔH=pi+ρgh-p0=88 590+1.29×9.8×70-88 850=625 Pa .

(1)

式中:ΔH為工作面地表與井下回風(fēng)隅角總壓力差,Pa;pi為井下回風(fēng)隅角大氣壓力,Pa;ρ為密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;h為地表與井下回風(fēng)隅角高度,m;p0為地表大氣壓力,Pa。

在工作面進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷分別穩(wěn)定釋放SF6氣體10 min,釋放流量2 ml/min,間隔釋放時(shí)間5 min,然后在取樣點(diǎn)取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室氣體分析并根據(jù)下式計(jì)算風(fēng)量值Q。

(2)

式中:Q為巷道風(fēng)量值,m3/min;q為SF6氣體釋放流量,mL/min;c為實(shí)驗(yàn)室SF6氣體分析濃度,%。經(jīng)計(jì)算,進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量值Q1=1 498 m3/min,回風(fēng)巷風(fēng)量值Q2=1 530 m3/min,地表漏風(fēng)ΔQ=Q2-Q1=32 m3/min。

3.3 SF6測(cè)采空區(qū)漏風(fēng)

利用釋放SF6氣體的方法進(jìn)行采空區(qū)漏風(fēng)測(cè)定,通過在地面裂隙處釋放SF6氣體,測(cè)得井下對(duì)應(yīng)工作面回風(fēng)隅角處檢測(cè)出SF6氣體所需時(shí)間,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選定測(cè)點(diǎn)布置,見圖3。

單位/mm圖3 N1201 工作面SF6氣體釋放點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)位置平面圖Fig.3 SF6 gas releasing and measuring points on the N1201 working surface

由式(3)計(jì)算漏風(fēng)速度v:

(3)

式中：v為漏風(fēng)速度,m/s;L為釋放點(diǎn)至檢測(cè)點(diǎn)距離,m;Δt為從釋放到接收到SF6氣體的時(shí)間,s。7#測(cè)點(diǎn)未檢測(cè)出SF6氣體,其它各測(cè)點(diǎn)地表漏風(fēng)速度如表1所示。

表1 地表漏風(fēng)速度Table 1 Surface air leakage speed

3.4 采空區(qū)地表裂隙漏風(fēng)分析

從表1可以看出,N1201工作面地表漏風(fēng)有如下幾個(gè)特點(diǎn):

1)采空區(qū)存在大量的漏風(fēng)通道,地表漏風(fēng)速度平均在0.6 m/s。

2)通過地表向采空區(qū)的滲流是不均勻的。在進(jìn)風(fēng)側(cè)地表裂隙的漏風(fēng)比較嚴(yán)重,在回風(fēng)側(cè)地表裂隙的漏風(fēng)很小。

3)6#測(cè)點(diǎn)距工作面50 m左右,漏風(fēng)速度0.891 7 m/s,該處高度80 m,處于采空區(qū)塌陷邊緣裂隙處,由此可推算裂隙角度為120°。

4)采空區(qū)中間位置由于地表砂土的流動(dòng)性,隨著頂板垮落空隙率變小,壓實(shí)程度逐漸變高。

5)距離工作面較遠(yuǎn)的12#、13#測(cè)點(diǎn)漏風(fēng)速度分別為0.576 5 m/s、0.301 6 m/s,即存在地表向下漏風(fēng),采空區(qū)內(nèi)部存在漏風(fēng)。

3.5 采空區(qū)地表漏風(fēng)裂隙特點(diǎn)研究

等效水力隙寬反應(yīng)了粗糙裂隙的氣體滲流特性,等效水力隙寬bH公式[4-5]:

(4)

式中:μ為空氣粘性系數(shù),取1.789×10-5kg/(ms);γ為空氣容重,取12.687 N/m3。把測(cè)試數(shù)據(jù)帶入式(2),得到圖4各測(cè)點(diǎn)等效水力隙寬柱形圖[6]。

圖4 各測(cè)點(diǎn)等效水力隙寬柱形圖Fig.4 Equivalent hydraulic aperture of measuring points

可以看出: 6#、11#測(cè)點(diǎn)等效水力隙寬大于1 mm,裂隙發(fā)育,漏風(fēng)嚴(yán)重;靠近工作面順槽的釋放點(diǎn)6#、9#、11#和12#等效水力隙寬較大,漏風(fēng)速度較大,工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)遺煤自燃危險(xiǎn)程度較高;等效水力隙寬大的位置呈條帶狀。

4 結(jié)束語

1)虎龍溝煤礦N1201工作煤層屬于淺埋煤層,采空區(qū)上覆巖層裂隙發(fā)育,受采動(dòng)影響,地表多裂縫、塌陷?；垳厦旱V井田多為含砂丘陵地貌,砂巖豐富,膠結(jié)程度低,裂隙不易壓實(shí)閉合,造成礦井漏風(fēng)程度高。

2)通過瞬時(shí)釋放SF6氣體技術(shù)測(cè)定采空區(qū)地表裂隙漏風(fēng)規(guī)律,采空區(qū)存在大量的漏風(fēng)通道,漏風(fēng)嚴(yán)重;工作面采空區(qū)兩側(cè)的漏風(fēng)比較通暢,進(jìn)風(fēng)側(cè)地表漏風(fēng)大于回風(fēng)側(cè),中部漏風(fēng)程度相對(duì)較弱;采空區(qū)內(nèi)部仍存在漏風(fēng)。

3)靠近工作面順槽的位置漏風(fēng)嚴(yán)重,表明工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)遺煤自燃危險(xiǎn)程度較高。