葉慶樹，戴廣龍，李 鵬，唐明云，聶士斌，宋小林

(1.神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

導(dǎo)致采空區(qū)遺煤自燃的主要原因之一是采空區(qū)漏風(fēng)，因此研究采空區(qū)漏風(fēng)對(duì)于防治采空區(qū)遺煤自燃具有重要意義[1-4]。神東礦區(qū)多為淺埋藏、薄基巖、易自燃煤層，自然發(fā)火期短、采空區(qū)面積大，地表上的空氣通過(guò)地表裂隙源源不斷地滲入采空區(qū)，為采空區(qū)內(nèi)遺煤提供氧氣，使其自燃危險(xiǎn)性加大[5-7]。若能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出工作面對(duì)應(yīng)地表的有效漏風(fēng)范圍，就能為煤礦現(xiàn)場(chǎng)的裂隙填埋工作提供很好的技術(shù)支撐，這不僅能夠減少大量的人力物力，還能夠更加有效減少采空區(qū)地表漏風(fēng)，從而為減少采空區(qū)遺煤自燃提供有力保障。

關(guān)于淺埋藏工作面采空區(qū)地表漏風(fēng)，我國(guó)學(xué)者主要采用數(shù)值模擬和示蹤技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的研究。李宗翔等[8]以大柳塔煤礦活雞兔井21208工作面為例，建立了層面漏風(fēng)的定解數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上模擬分析得到層面漏風(fēng)強(qiáng)度主要取決于頂板斷裂帶的尺寸和地表沙土層帶的厚度和密實(shí)性；鄔劍明等[9]利用SF6瞬時(shí)釋放技術(shù)，測(cè)定了大柳塔礦活雞兔井21304工作面井上、下漏風(fēng)規(guī)律，得出正壓通風(fēng)下地表裂隙是采空區(qū)向地表漏風(fēng)的主要通道，并測(cè)出該工作面的最大漏風(fēng)帶最大寬度為230m；王建文等[10，11]利用SF6示蹤氣體測(cè)定了檸條塔煤礦N1201工作面地表漏風(fēng)通道，得出采礦塌陷形成的裂隙帶是漏風(fēng)的主要通道，巷道附近裂隙漏風(fēng)相對(duì)較大，采空區(qū)深部漏風(fēng)也比較嚴(yán)重；張海峰、霍忠鋒等[12，13]利用從地表裂隙釋放SF6氣體方法對(duì)淺埋煤層抽出式通風(fēng)方式下采空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)行檢測(cè)，得出采空區(qū)地表裂隙漏風(fēng)風(fēng)速；趙啟峰等[14]用瞬時(shí)釋放SF6的方法對(duì)平朔礦區(qū)9203工作面地表漏風(fēng)進(jìn)行檢測(cè)，確定了漏風(fēng)通道最短距離為地表裂縫至工作面回風(fēng)隅角的垂距和最低漏風(fēng)風(fēng)速；張建業(yè)等[15]選用SF6作為示蹤氣體，分別采用瞬時(shí)釋放和連續(xù)釋放法對(duì)7312-2回采工作面的臨近采空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)行了定性和定量測(cè)定，得出7312老空區(qū)存在向試驗(yàn)工作面漏風(fēng)，并根據(jù)檢測(cè)時(shí)間計(jì)算出最小的漏風(fēng)風(fēng)速，驗(yàn)證了采用示蹤技術(shù)檢測(cè)漏風(fēng)的可行性；張立國(guó)[16]利用SF6示蹤氣體對(duì)補(bǔ)連塔煤礦22308工作面漏風(fēng)進(jìn)行過(guò)研究，分析影響工作面漏風(fēng)主要因素，但示蹤氣體的釋放地點(diǎn)選擇在工作面相鄰采空區(qū)，而未對(duì)該工作面地表漏風(fēng)范圍進(jìn)行研究。

以上研究可以看出，眾多學(xué)者主要利用單一的SF6示蹤氣體對(duì)淺埋藏工作面采空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)行研究，而且主要是靜態(tài)的測(cè)試采空區(qū)地表裂隙的漏風(fēng)通道，較少采用連續(xù)測(cè)試這一動(dòng)態(tài)方法測(cè)定采空區(qū)地表漏風(fēng)范圍。本研究主要采用雙元示蹤技術(shù)，對(duì)補(bǔ)連塔煤礦22310工作面采空區(qū)地表裂隙有效漏風(fēng)通道進(jìn)行多次動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)試和分析，以研究該試驗(yàn)工作面采空區(qū)地表有效漏風(fēng)規(guī)律。

1 工作面概況

補(bǔ)連塔22煤層屬于Ⅰ類易自燃煤層，自然發(fā)火期41d。22310工作面傾角1°～3°，走向長(zhǎng)5342.2m，傾向長(zhǎng)315.4m；地表與22煤層底板垂高平均209m；工作面采用傾斜長(zhǎng)壁采煤法，采高6.8m，一次采全高，全部垮落法處理采空區(qū)；該工作面采用抽出式負(fù)壓通風(fēng)，供風(fēng)量2166m3/min，22310工作面通風(fēng)是由運(yùn)輸巷和輔助運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)，流經(jīng)工作面后由回風(fēng)巷回風(fēng)。采空區(qū)漏風(fēng)主要是從地表空氣通過(guò)裂隙帶和冒落帶滲入采空區(qū)，從工作面漏出。以22310工作面為例，淺埋煤層抽出式通風(fēng)工作面地表漏風(fēng)情況如圖1所示。

圖1 淺埋煤層抽出式通風(fēng)工作面地表漏風(fēng)示意圖

2 漏風(fēng)范圍測(cè)定試驗(yàn)

2.1 抽出式通風(fēng)地表漏風(fēng)范圍測(cè)試難點(diǎn)

若裂隙與工作面采空區(qū)相連通，則屬于有效裂隙，而與工作面采空區(qū)不連通的裂隙屬于無(wú)效裂隙。相比壓入式通風(fēng)，抽出式通風(fēng)的地面漏風(fēng)范圍更難測(cè)試，因?yàn)樵诔槌鍪酵L(fēng)下，釋放地點(diǎn)需要設(shè)在工作面采空區(qū)對(duì)應(yīng)的地表，若地表裂隙選擇不合理，容易導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，即在工作面根本檢測(cè)不到地面釋放的示蹤氣體。

工作面采空區(qū)對(duì)應(yīng)的地表裂隙比較多，如何在工作面對(duì)應(yīng)位置找出最明顯、最典型裂隙作為釋放示蹤氣體的釋放地點(diǎn)也是試驗(yàn)的難點(diǎn)之一。試驗(yàn)首先在開拓平面圖上確定出工作面的進(jìn)風(fēng)隅角和回風(fēng)隅角的具體坐標(biāo)，用GARMIN型導(dǎo)航定位儀對(duì)地表對(duì)應(yīng)的工作面進(jìn)、回風(fēng)隅角坐標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航定位，以此確定工作面推進(jìn)位置。然后分別在采空區(qū)地表的進(jìn)風(fēng)隅角和回風(fēng)隅角附近，對(duì)所有比較明顯的裂隙進(jìn)行編號(hào)統(tǒng)計(jì)，并記錄各條裂隙的寬度和深度，再進(jìn)行綜合比較，最后分別在工作面地表進(jìn)、回風(fēng)側(cè)各優(yōu)選出一條典型裂隙作為釋放示蹤氣體的具體位置。

示蹤氣體的選擇是地表漏風(fēng)測(cè)試試驗(yàn)的又一難點(diǎn)，以往的采空區(qū)漏風(fēng)測(cè)試試驗(yàn)，均以單一SF6示蹤氣體為主，而使用單一示蹤氣體因采空區(qū)示蹤氣體殘留問(wèn)題，導(dǎo)致試驗(yàn)的周期更長(zhǎng)，工作量更大。本次試驗(yàn)研究需要對(duì)工作面采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)兩個(gè)區(qū)域的漏風(fēng)范圍同時(shí)檢測(cè)，故需要采用兩種示蹤氣體。本研究經(jīng)過(guò)大量的氣相色譜實(shí)驗(yàn)，最終優(yōu)選出SF6和CF2ClBr(1211)兩種。這兩種示蹤氣體具有熱物理化學(xué)穩(wěn)定，色譜分析精度高，能用同一色譜柱檢測(cè)分析等優(yōu)點(diǎn)，可大大減少工作量[17]。SF6和1211混合氣體的色譜分析圖如圖2所示。由圖2可知，SF6氣體與1211氣體的色譜峰處在空氣峰的兩側(cè)，說(shuō)明當(dāng)采用氣相色譜儀分析SF6與1211氣體的混合物時(shí)，完全能夠定量的分析出它們各自的氣體濃度值。

圖2 含SF6與CF2ClBr(1211)氣體譜圖

2.2 釋放地點(diǎn)和取樣地點(diǎn)的確定

為了更能準(zhǔn)確的獲得工作面采空區(qū)對(duì)應(yīng)地表的漏風(fēng)范圍，本研究進(jìn)行兩次動(dòng)態(tài)漏風(fēng)測(cè)試試驗(yàn)，兩次試驗(yàn)的釋放裂隙的對(duì)應(yīng)位置如圖3所示。本研究進(jìn)行第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，工作面已回采至進(jìn)風(fēng)側(cè)的41～42聯(lián)巷之間。釋放示蹤氣體時(shí)，在進(jìn)風(fēng)側(cè)主要釋放SF6氣體，回風(fēng)側(cè)主要釋放1211氣體。進(jìn)風(fēng)側(cè)SF6釋放裂隙在第1天試驗(yàn)時(shí)其位置距22310工作面91.26m，回風(fēng)側(cè)1211釋放裂隙位置距該工作面79.97m，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行第6天時(shí)，SF6釋放裂隙位置距工作面162.95m，1211釋放裂隙位置距工作面151.94m。進(jìn)行第二次試驗(yàn)時(shí)，工作面推進(jìn)至進(jìn)風(fēng)側(cè)的39～40聯(lián)巷之間，選擇釋放SF6的裂隙位置距22310工作面5m，釋放1211的裂隙位置距該工作面67.25m，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行第6天時(shí)，SF6釋放裂隙位置距工作面75.28m，1211釋放裂隙位置距工作面137.73m。

圖3 地表釋放裂隙距工作面距離

為檢測(cè)地表有效裂隙是否與工作面聯(lián)通，地表漏風(fēng)源是否通過(guò)裂隙經(jīng)過(guò)采空區(qū)流入工作面，在22310工作面傾向選取了5處取樣地點(diǎn)，取樣地點(diǎn)分別為工作面距進(jìn)風(fēng)隅角的第50～51液壓支架處(1#取樣點(diǎn)，距進(jìn)風(fēng)巷90m)，第100～101液壓支架處(2#取樣點(diǎn)，距進(jìn)風(fēng)巷180m)，第150～151液壓支架處(3#取樣點(diǎn)，距進(jìn)風(fēng)巷270m)，上隅角風(fēng)簾后(4#取樣點(diǎn)，距進(jìn)風(fēng)巷313m)和回風(fēng)隅角(5#取樣點(diǎn)，距進(jìn)風(fēng)巷315m)，井下取樣地點(diǎn)如圖4所示。

圖4 工作面取樣地點(diǎn)示意圖

2.3 地表漏風(fēng)范圍測(cè)定

雖然每天在同一個(gè)裂隙地點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，但是工作面的位置每天是動(dòng)態(tài)變化的，所以本研究是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過(guò)程。每次動(dòng)態(tài)漏風(fēng)測(cè)試試驗(yàn)分釋放和取樣兩組同時(shí)進(jìn)行。

1)釋放過(guò)程：在22310工作面采空區(qū)地表靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)處各篩選出一條固定的典型裂隙后，從兩條典型裂隙處分別釋放一定量的SF6和1211氣體，直到當(dāng)天釋放的示蹤氣體在井下工作面傾向上各個(gè)取樣點(diǎn)未收到為止，本次動(dòng)態(tài)漏風(fēng)測(cè)試試驗(yàn)才能結(jié)束。為了盡量減少示蹤氣體擴(kuò)散至大氣中，需要把釋放口深入至裂隙深處進(jìn)行釋放。釋放流量視裂隙的開度進(jìn)行調(diào)整，本研究?jī)纱卧囼?yàn)的釋放流量均為60mL/min，釋放持續(xù)時(shí)間為1h，釋放過(guò)程采用浮子流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。

2)取樣過(guò)程：在工作面傾向上，每隔一定距離的液壓支架間抽取氣樣進(jìn)行檢測(cè)。為避免采空區(qū)殘留的示蹤氣體對(duì)第2次示蹤氣體試驗(yàn)影響，在地表漏風(fēng)源釋放示蹤氣體之前取1h本底氣樣，分析本底氣樣沒(méi)有殘留示蹤氣體時(shí)，方可再次進(jìn)行釋放示蹤氣體試驗(yàn)。每個(gè)取樣點(diǎn)的取樣間隔時(shí)間為20min，連續(xù)取樣6h，取樣后將實(shí)驗(yàn)氣樣用GC-4000A型氣相色譜儀進(jìn)行分析。

最后，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合22310工作面在試驗(yàn)期間的推進(jìn)速度，綜合判定工作面采空區(qū)地表有效漏風(fēng)范圍。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 地表有效漏風(fēng)范圍

在兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，所有氣樣均未分析到SF6，但是分別在2#～5#共4個(gè)取樣地點(diǎn)分析到了1211氣體。由于數(shù)據(jù)量較大，每個(gè)取樣地點(diǎn)在每天分析結(jié)果中取所有含有1211氣體的濃度平均值作為該天的1211氣體濃度，同時(shí)根據(jù)不同取樣日期，反求出釋放地點(diǎn)距工作面距離，得到每個(gè)取樣地點(diǎn)的1211氣體濃度與釋放地點(diǎn)距工作面距離的關(guān)系曲線，如圖5、6所示。

圖5 第1次試驗(yàn)1211氣體濃度與釋放點(diǎn) 距工作面走向距離的關(guān)系曲線

圖6 第2次試驗(yàn)1211氣體濃度與釋放點(diǎn) 距工作面走向距離的關(guān)系曲線

從圖5可知，第1次實(shí)驗(yàn)的第1天分別在工作面的2#～5#取樣點(diǎn)都分析出1211氣體，但是在1#取樣點(diǎn)未收到1211氣體，說(shuō)明在回風(fēng)側(cè)釋放的1211氣體主要是經(jīng)采空區(qū)漏至22310工作面的回風(fēng)側(cè)。而且隨著工作面的推進(jìn)，釋放地點(diǎn)距離工作面越遠(yuǎn)，使得不同取樣地點(diǎn)的1211氣體濃度下降。當(dāng)?shù)?天進(jìn)行示蹤氣體試驗(yàn)時(shí)，此時(shí)地表釋放地點(diǎn)距工作面水平距離為151m，工作面的4個(gè)取樣地點(diǎn)均未分析到1211氣體，所以根據(jù)第1次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，地表有效漏風(fēng)范圍沿工作面走向?yàn)?～[122m，151m)。

從圖6可知，第2次實(shí)驗(yàn)的第1～5d分別在工作面的3#～5#的取樣點(diǎn)分析到1211氣體，說(shuō)明此時(shí)地表回風(fēng)側(cè)1211釋放裂隙與工作面連通；但是在1#和2#兩個(gè)取樣點(diǎn)未收到1211氣體，這與第1次實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，即1211氣體主要是經(jīng)采空區(qū)直接漏至22310工作面的回風(fēng)側(cè)。在試驗(yàn)的第6d天，此時(shí)工作面距離釋放1211的裂隙水平距離為137m，3個(gè)取樣點(diǎn)均未分析到1211氣體，說(shuō)明根據(jù)第2次試驗(yàn)結(jié)果，地表有效漏風(fēng)范圍沿工作面走向?yàn)?～[123m，137m)。

從以上分析可知，第1次試驗(yàn)得到有效漏風(fēng)范圍沿工作面走向?yàn)?～[122m，151m)，第2次試驗(yàn)的有效漏風(fēng)范圍沿工作面走向?yàn)?～[123m，137m)。由此可判斷22310工作面對(duì)應(yīng)地表沿工作面走向的有效漏風(fēng)范圍為：0～[123m，137m)。

兩次實(shí)驗(yàn)都未檢測(cè)出進(jìn)風(fēng)側(cè)釋放的SF6氣體，僅檢測(cè)出在回風(fēng)側(cè)釋放的1211氣體，由此說(shuō)明抽出式通風(fēng)下，地表靠近采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)量小于回風(fēng)側(cè)，地表漏風(fēng)源主要從采空區(qū)回風(fēng)側(cè)裂隙漏入采空區(qū)。這主要是因?yàn)榛仫L(fēng)側(cè)與地面之間的通風(fēng)阻力最小，從能位角度分析，在工作面采空區(qū)范圍，回風(fēng)隅角的能位最低，則地面與回風(fēng)隅角的能位差最大，而能位差越大，越有利于漏風(fēng)的產(chǎn)生。因此，始終未檢測(cè)出在進(jìn)風(fēng)側(cè)釋放的SF6氣體，僅分析出回風(fēng)側(cè)釋放的1211氣體。

最后根據(jù)以上分析結(jié)果，可以得到該試驗(yàn)工作面地表有效漏風(fēng)分布示意圖，如圖7所示。從圖7可知，該工作面地表存在一定的漏風(fēng)，地表漏風(fēng)范圍主要位于工作面走向0～[123m，137m)范圍內(nèi)，所以在該工作面回采過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)對(duì)該區(qū)域的地表裂隙及時(shí)回填，特別是靠近工作面回風(fēng)側(cè)裂隙，應(yīng)列為重點(diǎn)監(jiān)管對(duì)象。此外，在井下工作面區(qū)域還要加強(qiáng)該工作面與采空區(qū)之間的隔離，可專設(shè)擋風(fēng)簾進(jìn)行密封，盡可能的杜絕工作面與采空區(qū)的連通。

圖7 抽出式通風(fēng)方式下的地面漏風(fēng)示意圖

3.2 采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)速計(jì)算

煤自燃危險(xiǎn)性受多種因素影響，除了煤的種類等內(nèi)在因素外，還受采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度等多種外在因素的影響[4，18]，所以研究采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速對(duì)采空區(qū)煤炭自燃防治具有重要作用[15]。淺埋煤層采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速的影響因素較多，它不僅受地表與工作面的能位差和工作面通風(fēng)阻力等因素的影響，還與煤層的頂?shù)装鍘r性，工作面推進(jìn)速度等有關(guān)。由于采空區(qū)是由頂板冒落巖石堆積而成，所以工程技術(shù)人員無(wú)法進(jìn)入采空區(qū)進(jìn)行測(cè)試，但可通過(guò)示蹤氣體在采空區(qū)內(nèi)流動(dòng)的時(shí)間和釋放與取樣地點(diǎn)的相對(duì)位置確定采空區(qū)內(nèi)的計(jì)算漏風(fēng)風(fēng)速。本研究主要根據(jù)示蹤氣體試驗(yàn)中1211氣體在采空區(qū)內(nèi)的流動(dòng)時(shí)間，并用式(1)計(jì)算地表漏風(fēng)源流入采空區(qū)的漏風(fēng)風(fēng)速：

式中，V為計(jì)算漏風(fēng)風(fēng)速，m/min；L為漏風(fēng)源距工作面水平距離，m；H為地表與工作面的垂直距離，根據(jù)采掘工程平面圖，取209m；t為檢測(cè)與釋放示蹤氣體的時(shí)間間隔，min。

根據(jù)式(1)，結(jié)合工作面實(shí)際的推進(jìn)速度，計(jì)算出的采空區(qū)內(nèi)計(jì)算漏風(fēng)風(fēng)速見(jiàn)表1。從表1可知，第1次示蹤氣體測(cè)試的計(jì)算漏風(fēng)風(fēng)速為2.98m/min；第2次示蹤氣體測(cè)試的計(jì)算漏風(fēng)風(fēng)速為3.99m/min，說(shuō)明兩次的計(jì)算漏風(fēng)風(fēng)速不同。這是由于第1次和第2次釋放地點(diǎn)距工作面的距離不同，第2次釋放點(diǎn)距工作面水平距離更近，而采空區(qū)距工作面越近，采空區(qū)內(nèi)裂隙越大，所以漏風(fēng)風(fēng)速也越大。

表1 采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速計(jì)算表

4 結(jié) 論

1)利用雙示蹤技術(shù)對(duì)補(bǔ)連塔煤礦淺埋煤層抽出式22310工作面采空區(qū)地表漏風(fēng)規(guī)律進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)試和分析，該工作面對(duì)應(yīng)地表存在向采空區(qū)漏風(fēng)，地表有效漏風(fēng)沿走向范圍為0～[123，137m)；

2)采空區(qū)對(duì)應(yīng)地表有效漏風(fēng)沿傾向集中在回風(fēng)側(cè)，而且漏入采空區(qū)的風(fēng)量主要回至工作面回風(fēng)隅角附近，

3)沿采空區(qū)走向方向，地表向采空區(qū)漏風(fēng)的風(fēng)速不同，越靠近工作面位置，采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)風(fēng)速越大。