浅埋煤层采空区密闭漏风量测定研究

刘旭东 LIU Xu-dong；王坤 WANG Kun；龙在海 LONG Zai-hai；王永敬 WANG Yong-jing；师吉林 SHI Ji-lin；姬周飞 JI Zhou-fei

（①国家能源集团新疆能源有限责任公司乌东煤矿，乌鲁木齐 830000；②中煤科工集团沈阳研究院有限公司，抚顺 113122；③中煤科工集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室，抚顺 113122）

0 引言

根据2018年，我国煤炭产量与消费量分别占一次能源和消费总量的69.1%和59.0%。截止到2018年底，全国共有煤矿5800余处，由于煤炭资源分布广泛、地质及生产条件多样、矿井火灾事故时有发生。根据煤自燃氧化理论，矿井火灾的产生、发展均离不开漏风供氧，因此可以看出火与风是相辅相成的关系。其中，采空区密闭漏风与采空区密闭设施不严密、自然风压、采空区注氮、矿井通风参数等多种因素密切相关。为了有效防控采空区瓦斯、CO等有毒有害气体逸出，及采空区自然发火，必须掌握采空区密闭漏风规律。

然而，近年来国内外学者对采空区密闭漏风量研究甚少，主要停留在漏风定性测量及封堵治理方面。其中，师吉林，杨贵儒等利用SF6示踪气体定性判断井上下是否存在漏风，及漏风速率。刘忠全，王伟等学者，通过在工作面联络巷注氮，保持密闭空间的微正压，达到减小采空区漏风强度和抑制遗煤自燃氧化的目的[1-3]。

本文通过释放SF6气体，检测密闭前后不同的SF6气体浓度，计算得到采空区密闭的漏风量；然后，将检测漏风量代入挡风墙漏风量计算公式，得出漏风系数的平均值，最终给出挡风墙漏风量计算公式，从而实现对密闭漏风量快速、准确的计算，为其他矿井采空区密闭漏风量计算提供科学依据。

1 矿井密闭概况

乌东煤矿南区B3+6煤层倾角86°～89°，平均倾角87°，走向N58°～60°之间，最大厚度52.3m，最小厚度39.85m，平均厚度48.87m，内含夹矸4～20层，夹矸总厚0.08～4.40m，有益厚度为44.99m，属于急倾斜特厚煤层。南区B1+2煤层平均厚度为30m，倾角85°～88°，平均倾角87°，走向N58°～60°之间，全井田范围煤稳定可开采。B1+2、B3+6煤层最短自然发火期均为45天，且煤尘具有爆炸危险性。

南区B1+2、B3+6煤层初次开采标高为+550m，分阶段综放开采，阶段高度25m，已开采至+425m。+450水平B1+2、B3+6煤层采空区密闭附近区域对应地面标高为+825m，距地表垂距为375m。

2 密闭漏风定量测定原理

2.1 SF6示踪气体释放装置

①SF6示踪气体释放装置由钢瓶、一级减压阀、二级减压阀、稳流阀和流量计等组成，如图1所示。②释放装置SF6示踪气体释放量有流量计测定，流量计精确度等级≥2.5级。③释放装置能够保证SF6示踪气体连续稳定地释放，释放量可以灵活调整。④SF6示踪气体的分析仪器应采用带检测SF6气体功能的气相色谱仪，检测最小检测浓度应≥10-8，即达到0.01ppm精度。

2.2 密闭正压漏风定量测定

在一条存在密闭正压漏风的巷道中[4-7]（如图2），将SF6示踪气体释放装置放在漏风点上风侧Ri处，连续定量释放示踪气体，释放量为q（m3/min），在漏风点下风侧设置检测点S，取样测定SF6示踪气体浓度为Ci；然后移动释放装置到与检测点同侧的Ri+1，连续定量释放示踪气体，释放量仍为q，并在J点取样测定SF6气体浓度Ci+1。

2.3 密闭负压漏风定量测定

在一条存在密闭负压漏风的巷道中[8-9]（如图3），将释放点放置在漏风点的上风侧R处，连续定量释放SF6示踪气体，释放量为q（m3/min），在与释放点同侧布置取样点Si，取样测定SF6示踪气体浓度为Ci；同时在巷道漏风点的下风侧布置取样点Si+1，取样测定SF6示踪气体浓度为Ci+1。

2.4 漏风量的计算

密闭漏风量按公式（1）计算：

式中：ΔQi—被检测巷道中第i段的漏风量（i=1、2、3、…n-1），m3/min；

q—SF6示踪气体的连续定量释放量，m3/min；

Ci、Ci+1—分别为i、i+1的SF6气体浓度。

3 漏风定量测定与计算

3.1 漏风定量测定方案

3.1.1 释放点确定

根据密闭U型压差计显示的读数，确定密闭所处正负压漏风，正压漏风SF6气体释放点Ri距密闭5m，Ri+1距密闭5m，J点距密闭15m。负压漏风SF6气体释放点R距密闭15m，Si距密闭5m，Si+1距密闭5m。释放时记录时间及释放流量。

3.1.2 检测点确定

根据密闭所处正负压漏风状态，确定正压漏风的SF6气体检测点为Ri+1和J点，负压漏风的SF6气体检测点为Si和Si+1点。检测时记录检测时间及检测SF6气体浓度[10]。

3.1.3 测定流程

①在选择的释放点用释放装置将SF6气体持续释放，选定释放流量为0.6m3/min，连续释放2min左右。②检测点检测SF6气体浓度时，需风量测定人员同步测定密闭周围风量，并做好记录。③SF6检测人员根据密闭正负压漏风确定检测点，检测时记录检测SF6浓度。

3.2 漏风定量测定过程及风量计算

2021年12 月10日，对+450mB6密闭和+450mB3密闭进行了漏风量测定，12月11日对+450mB1密闭和+450mB2密闭进行了漏风量测定。

SF6气体释放人员12:10时在B3密闭周围释放SF6气体，12:12停止释放SF6气体，检测人员12:12在距B3密闭上风侧5m处检测到稳定的SF6气体浓度，之后立即到距B6密闭下风侧5m处检测SF6气体。

SF6气体释放人员11:20时在B6密闭周围释放SF6气体，11:22停止释放SF6气体，检测人员11:23在距B3密闭下风侧5m处检测到稳定的SF6气体浓度，之后立即到距B3密闭下风侧15m处检测SF6气体。

同理，+450mB1密闭、+450mB2密闭漏风测定过程与+450mB6密闭测定过程相同。（表1）

表1 乌东煤矿+450水平密闭漏风定量检测记录表

利用2.4节中的公式（1）进行密闭漏风量计算，计算结果如表2所示。

表2 乌东煤矿+450水平密闭漏风量计算表

3.3 密闭挡风墙漏风量计算方法

根据矿井巷道的风量及通风阻力公式，及当量直径d=4S/U，可推导出密闭漏风相关公式：

得出：

挡风墙的漏风量计算公式可按照公式（2）进行计算，由于挡风墙的风阻R与密闭墙厚度b呈正相关，因此挡风墙的漏风量[14-15]可用下式计算：

式中：KDFQ—挡风墙的漏风系数；Δh—挡风墙两侧压差，Pa；b—挡风墙的厚度，m；u—挡风墙与巷道壁接触周长，m。

根据检测的密闭漏风量、密闭内外压差、密闭厚度及密闭与巷道壁接触周长，可计算出挡风墙的漏风系数K，具体计算见表3所示。

根据表3中的密闭漏风系数，计算得到其算术平均值为6.75×10-3m3.5/（N0.5s），代入公式（3），得到挡风墙漏风量计算公式（4）如下：

表3 挡风墙的漏风系数计算结果

根据公式（4）、密闭物理参数及密闭内外压差等数据，可计算出密闭挡风墙的漏风量，及ΔQ2与检测的漏风量间的误差，如表4所示。

由表4可以看出，由密闭漏风量公式（3）计算的漏风量ΔQ2与检测的漏风量ΔQ1的误差在5.0%范围以内，即计算的漏风量与检测的漏风量非常接近。因此，对于+450mB1密闭、+450mB2密闭、+450B3密闭及+450mB6密闭可按照格式（3）快速计算采空区密闭的漏风量，为其他矿井密闭漏风检测与计算提供了科学的参照。

表4 计算的漏风量及其误差

4 结论

①利用SF6示踪气体，检测密闭漏风处前后SF6气体浓度，得到乌东煤矿+450水平各密闭的漏风量，+450mB1密闭、+450mB2密闭、+450B3密闭及+450mB6密闭的漏风量分别为1.81m3/min、2.30m3/min、1.05m3/min、1.35m3/min。②根据检测的密闭漏风量，计算得到密闭漏风系数的平均值为6.75×10-3m3.5/（N0.5s），并以公式（3）计算出各密闭的漏风量与检测的漏风量非常接近，误差均在5.0%范围以内。③观测井下密闭内外压差，并根据密闭参数，可快速计算得到密闭的漏风量，并为其他矿井密闭漏风量的检测与计算提供了科学的参照。