示踪气体在工作面漏风通道和漏风量测定的应用

刘振华

（大同煤矿集团有限责任公司大斗沟煤业有限公司，山西 大同 037026）

石圪台煤矿是神东煤炭集团公司主力生产矿井之一，位于陕西省神木县境内，井田面积65.283 km2，石圪台煤矿共有8 个可采煤层，其中主采煤层为1-2、2-2、3-1 煤层。目前开采的3-1 煤煤层埋藏较浅、工作面顶板基岩较薄，顶板上部的覆盖层较疏松[1]。若存在多煤层开采，煤层间距小，当下层煤开采时，受二次采动的影响，上下采空区垮落联通，裂隙直达地表，漏风情况极为明显[2-3]。若工作面周边存在小煤窑采空区，则漏风通道变得更为复杂化[4]。本文为验证31201 采空区与周边邻近采空区及工作面的漏风通道和漏风量，通过采用SF6示踪气体进行测定，为制定漏风防治措施提供技术参考。

1 工作面及周边采动概况

1.1 工作面概况

31201 工作面宽311.4 m，走向长1 865 m，采高4.0 m，地面标高：1 168~1 230 m，煤层底板标高：1 078~1 088 m。工作面范围内无断层、褶皱地质构造带，局部地区存在冲刷带构造。31201 工作面进回风巷掘进区煤层为较稳定煤层，总体为负坡掘进，局部煤层顶部有0.2～0.6 m 的砂质泥岩夹矸；工作面上覆有48～120 m 厚的基岩。

1.2 工作面周边采动情况

1）上覆采空区。31201 工作面上部为原天隆煤矿22 煤层开采采空区，22 煤层厚度3.99～5.32 m，平均4.84 m。两煤层之间的层间距在27.25～40.57 m，平均间距39.27 m。

2）邻近采空区。31201 工作面开切眼南侧有已经关停的7 个小煤矿，经过对石圪台煤矿31201 工作面周边存在的小煤矿现场查看及采空区气体采集分析，工作面南部的刘石畔煤矿等5 个小煤窑采空区遗煤存在自然发火迹象。

2 工作面漏风通道检测

2.1 漏风通道检测方案

2013 年 8 月 19 日，31201 工作面开始回采，采用负压通风方式。 9 月 9 日，31201 工作面回采约110m，老顶来压垮落。对31201 工作面已回采对应地表区域进行查看，发现距离工作面切眼约50 m 有多处裂隙，最宽约1.5 m，深约10 m，可以观测到明显的漏风现象，判断漏风方向为地表向裂隙深处漏风。

为验证地表与井下的漏风通道，制定了使用SF6示踪气体进行漏风通道测定的实施方案，步骤如下：

2.1.1 确定SF6示踪气体释放点

31201 工作面地表测漏风示意图见图1。SF6示踪气体的释放点为距离回顺约110 m 处的明显裂隙。

图1 31201 工作面地表测漏风示意图

2.1.2 确定SF6示踪气体接收点

预先选定4 个气样取样点，依次为：①井下31201 工作面上隅角；②31201 回风顺槽距离上隅角50 m 处（33 与34 号联巷之间）；③刘石畔煤矿主井；④神府碳窑渠煤矿2 号井。

2.1.3 示踪气体检测与气样采集

将SF6释放装置与气源、释放杆连接，各接收点配备携带SF6检测仪的取样员提前到位。9 月9 日1：30 pm，释放点将气体释放速度设置在5 L/min 并保证连续稳定地释放。

1：55pm，31201 工作面上隅角检测到 SF6示踪气体，待气流稳定后，每隔5 min 钟采集1 个气样，共取3 个气样。2：00 pm，31201 回风顺槽距离上隅角50 m处也检测到SF6示踪气体，待气流稳定后采集气样。

2：30pm，神府碳窑渠煤矿2 号井检测到SF6示踪气体，待气流稳定后采集气样。

12：00pm，刘石畔煤矿主井检测到SF6示踪气体，待气流稳定后采集气样。

2.1.4 气样分析

对采集的气样分析，得到SF6浓度结果如下：

1）31201 工作面上隅角采集的3 个气样中SF6浓度依次为：99.94×10-9、92.27×10-9、86.37×10-9。

2）31201 回风顺槽距离上隅角50m 处（33 号与34 号联巷之间）采集的2 个气样中SF6浓度依次为：90.53×10-9、88.09×10-9。；

3）神府碳窑渠煤矿2 号井采集的1 个气样中SF6浓度为 100.25×10-9。

4）刘石畔煤矿主井采集的1 个气样中SF6浓度为 88.81×10-9。

2.2 煤层天隆采空区与小煤窑漏风通道现场测试

31201 工作面上覆22 煤层天隆采空区，糖浆渠二矿曾越界开采并破坏了天隆采空区与31201 工作面南部7 个小煤矿之间的保安煤柱，小煤矿采空区之间有互相连通，天隆采空区与小煤窑采空区之间可能存在漏风通道。所以需要对天隆采空区与小煤窑采空区之间的漏风通道和漏风线路进行漏风测试。

9 月10 日，制定了使用SF6示踪气体进行漏风通道测定的实施方案，具体步骤如下：

1）确定SF6示踪气体释放点。通过周期性的对水文观测孔进行取气观察，分析其气体变化规率，选定在31201 工作面内距离切眼190 m 处的5 号水文观测孔为SF6示踪气体的释放点。该孔位于22 煤天隆220402 采空区。

2）确定SF6示踪气体接收点。SF6示踪气体的接收点选择位于刘石畔煤矿的9 号水文观测孔。

3）示踪气体检测与气样采集。将SF6释放装置与气源、释放杆连接，各接收点配备携带SF6检测仪的取样员提前到位。9 月10 日9：30 am，释放点将气体释放速度设置在3 L /min 并保证连续稳定地释放，12：00 pm 停止释放。

12：30 pm，9 号水文观测孔检测到SF6示踪气体，待气流稳定后，共取3 个气样，间隔5 min。

4）气样分析。取样结束后，将气样及进行分析，气样中检测SF6浓度为9.20×10-9。

2.3 检测结果分析

1）31201 工作面地表裂隙与井下漏风通道现场测试结果分析。31201 工作面地表裂隙与井下漏风通道现场测试结果显示4 个接收点气样中均存在SF6示踪气体，其中31201 工作面上隅角最先检测到示踪气体，且其气样中SF6示踪气体浓度大于回风顺槽气样中浓度，这表明：①31201 工作面采空区与31201工作面地表裂隙之间存在连通的漏风通道，负压通风下，地表空气经漏风通道向31201 采空区漏风；②31201 工作面与22 煤层天隆采空区之间存在连通的漏风通道，天隆采空区气体向31201 工作面运移。

此外，神府碳窑渠煤矿2 号井先于刘石畔煤矿主井检测到SF6示踪气体，且前者气样中示踪气体浓度大于后者，说明：31201 工作面地表裂隙与神府碳窑渠煤矿2 号井和刘石畔煤矿主井之间存在连通的漏风通道，且漏风线路为：地表空气→31201 工作面地表裂隙→神府碳窑渠煤矿2 号井→刘石畔煤矿主井。

2）22 煤层天隆采空区与小煤窑漏风通道现场测试结果分析。现场测试结果显示5 号水文观测孔与刘石畔煤矿9 号水文观测孔之间存在连通的漏风通道。由于5 号水文观测孔与22 煤天隆采空区相通，因此可以判定天隆采空区与小煤窑采空区之间存在连通的漏风通道。

3 工作面漏风量测定

3.1 漏风量测定方案

为了避免短时间内SF6气体在采空区的滞留，固选择10 月30 日对31201 工作面的漏风量进行测定。

此时工作面已经回采至主运顺槽28 号联络巷处，距离开切眼约516 m 处。为研究工作面漏风量的变化，做到有效的采取自然发火预防措施，使用SF6示踪气体进行漏风量检测，具体步骤如下：

1）确定SF6示踪气体释放点。31201 工作面为负压通风，工作面的主运顺槽和辅运顺槽进风，经过27联巷后风流汇合。主、辅顺槽之间的28 联巷已封闭，并留有反水孔、措施孔和观测孔。因此，27 联巷至31201 工作面之间巷道截面的中间位置作为SF6示踪气体释放点。

根据公式L≥32S/U 计算出释放点和取样点的位置，进而确定释放点与取样点、漏风点与接收点之间的距离。进风巷巷道高3.4 m，宽5.4 m，回风巷巷道高3.4 m，宽5.0 m，代入公式计算得出：

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为进风巷道；Lh为回风巷巷道。

取Lj=Lh=35 m，确定SF6示踪气体释放点R 在进风巷距离工作面70 m 处（27 与28 号联巷之间），符合要求。

2）确定SF6示踪气体接收点。根据释放点与取样点之间应满足的距离关系，确定接收点位置为：①进风巷接收点S1距离31201 工作面35 m 处；②回风巷接收点S2距离31201 工作面35 m 处。

31201 工作面漏风测定示意图见图2。

图2 31201 工作面测漏风示意图

3）示踪气体检测与气样采集。

10 月 30 日 4：30 pm，将 SF6释放装置与气源、释放杆连接，各接收点配备携带SF6检测仪的取样员提前到位。释放点R 保证5L/min 的释放速率连续稳定地释放SF6示踪气体。

4：50 pm，进风巷接收点S1检测到示踪气体，待气流稳定共计取4 个气样，间隔10 min。

5：00 pm，回风巷接收点S2检测到示踪气体，待气流稳定共计取4 个气样，间隔10 min。

4）气样分析与漏风量计算。对采集的气样及时进行分析，得到气样中SF6浓度见表1。

表1 31201 工作面漏风测定气样分析表

测定结果要求至少3 组数据相对误差均在5%以内，检测结果有效。根据上表可知，第3 组数据进风巷中SF6气体浓度小于回风巷浓度，可能是由于人工采样送样气体泄露所致，但1、2、4 这3 组数据满足要求。排除第3 组数据后计算得S1平均SF6气体浓度为 34.62×10-6，S2平均 SF6气体浓度为 32.13×10-6。

根据浓度守恒定律，相同时间内SF6质量相等，可有如下公式：

实际测得回风风量Q2为1 510 m3/min，可计算31201 工作面漏风量为：

计算31201 采空区漏风率为：

3.2 测定结果分析

根据气样分析检测结果，计算得到31201 工作面漏风量为109 m3/min，漏风率为7.78%。

4 结 论

31201 工作面主要受上覆22 煤天隆采空区气体下泄的影响，受小煤窑采空气体影响较小，严重的漏风可能导致天隆采空区遗煤自然发火，天隆采空区气体下泄将严重影响31201 工作面的安全生产，所以应立即对地表存在的裂隙进行回填，尽量减少地表向井下漏风。在31201 工作面回采过程中出现的地表裂隙，应安排专人负责巡视、检查，发现裂隙立即采取回填措施，并进行记录，同时考查井下风量变化情况，判断回填效果。