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煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 0引言 煤层开采后形成的封闭采空区“看不见” 、“摸不 着” ， 属于矿井通风系统的一部分， 与周边风流存在交 换通道。由于采掘扰动和通风系统风流变化， 往往形 成较为稳定的漏风通道， 此类漏风长期发展， 极易诱 发封闭采空区遗煤自燃[1-2]。特别是边角煤开采回收的 资源紧张矿井， 各采区的封闭采空区连成一片， 遗煤 多， 漏风通道多， 自燃风险十分严峻。在瓦斯矿井， 漏 风诱发的煤自燃， 已成为矿井瓦斯爆炸重特大事故的 新根源[3-4]。如 2013 年 3.29 吉林八宝煤矿瓦斯爆炸事 故， 漏风诱发的煤自燃多次引起瓦斯爆炸， 伤亡十分 惨重。然而现有的 CO监测手段， 因为漏风通道不明， 无法掌握产生 CO的高温原点或 CO随漏风迁移到其 他区域，观测点无法获取封闭采空区的真实情况， 此 类问题常使现场防火工作无所适从。SF6 常被用于寻 找漏风通道， 但现场操作诸多不便， 如需要接收气体 的端头多， 气体运移时间不定， 都为准确识别漏风通 道带来困难[4.-5]。因此， 有必要研究一种简单有效的方 法，识别封闭采空区与周边通风系统的漏风通道， 掌 握整体漏风趋势。本文研究了一种基于通风能位测定 的封闭采空区漏风通道识别方法， 并成功应用于南屯 煤矿 3304 工作面停采线封闭区，对推进煤自燃防治 的精准化， 实现工作面安全高效开采， 具有十分重要 的意义。 1通风能位测定技术 1.1能位测定原理 矿井通风系统中风流流动的源动力是能位差， 风 流总是从能位高的地方流向能位低的地方， 其中的能 量消耗主要是通风阻力的作用。主通风机产生通风动 力对空气做功， 形成能位差， 保证空气连续不断地流 基金项目 安徽省自然科学基金 1808085QE150、 兖煤科 “风压扰动下深井密闭湿热空间漏风诱发遗煤复热自燃机理研究” 资助。 基于通风能位测定的封闭采空区漏风通道识别方法及应用 * 马 旭 1, 余 陶2, 张连锋1, 刘建忠1 （1. 兖州煤业有限公司 南屯煤矿 ， 山东 邹城 273500； 2. 安徽建筑大学 安全工程系 ， 安徽 合肥 ， 230022 ） 摘要 为防治易自燃煤层封闭采空区自然发火， 本文试验了一种漏风通道量化识别方法， 应用于南 屯煤矿 3304 工作面停采线封闭区。 通过通风能位测定， 掌握了封闭采空区周边通风系统的能位分布， 确定了关键节点封闭墙的压差及漏风状态。 研究改变了回风区域封闭墙出风的常规认识， 发现了封闭 采空区的最大漏风汇西翼总回风巷， 最终确定了该封闭采空区的漏风通道。 本研究可为类似条件矿井 封闭采空区漏风识别提供基础。 关键词 漏风通道 ； 封闭采空区 ； 通风能位 ； 量化识别 中图分类号 TD728文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0117- 03 Identification and application of air leakage channel in closed goaf based on determination of ventilation energy level MA Xu 1, YU Tao2, ZHANG Lianfeng1, LIU Jianzhong1 （1. Yanzhou Coal MiningCo., Ltd. Nantun Coal Mine , Zoucheng 273500 ， China ; 2. Department ofSafetyEngineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230022 ， China ） Abstract In order toprevent spontaneous combustion in closed goafs ofeasily spontaneous coal seams, a quantitative identification of air leakage channels was tested in this paper and applied to the closed area of stoppage line of 3304 working face in Nantun coal mine. Through the measurement of ventilation energy level, the energy level distribution of the ventilation system around the closed- mined- out area was mastered, and the pressure difference and air leakage state of the closed wall of key nodes were determined. The study changed the con- ventional understandingofthe wind exit from the closed wall in the return air area, and found the maximumair leakage in the closed goaf. This studycan provide a basis for air leakage identification in closed goafs ofsimilar mines. Keywords air leakage channel ; closed goaf; ventilation energylevel ; quantitative identification 117 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 动。因此， 通过能位测定， 定量确定其数值， 可作为识 别漏风通道及趋势的依据。 矿井通风系统中， 两点之间能位差可由两点间的 能量相减获得，依据能量守恒的 Bernoulli 方程可知， 井下通风系统能位差可按 （1 ） 式计算[7] E12Pb1- Pb2Pa2- Pa11 2 ρ1v 2 1- 1 2 ρ2v 2 2gρm12z12 （1 ） 式中 Pb1、 Pb2分别为 1、 2 测点的静压， Pa； Pa1、 Pa2 分别为测定期间固定基点的静压， Pa； ρ1 、 ρ 2分别为 1、 2 两测点的空气密度， kg/m3； V1、 V2分别为 1、 2 两测点的 风速， m/s； g重力加速度， m/s2； Z12分别 1、 2 测点间的标 高差， m； ρm121、 2 两测点间的空气平均密度， kg/m 3。 其中空气密度可按 （2 ） 式计算 ρ3.484P T 1- 0.378ΦPsat P （2 ） 式中 P 为测得的大气压力， kPa； T 为空气绝对 温度， K； Φ 为空气相对湿度； Psat为饱和水蒸汽压， kPa。 方程 （1 ） 各项的物理意义为 Pb1- Pb2表示两测点之 间的静压差； Pa2- Pa1表示测定时期的大气压的变化； 1 2 ρ1v 2 1- 1 2 ρ2v 2 2表示两测点之间的动压差， gρm12z12表示 两测点之间的位压差。 1.2能位测定步骤 测定能位差测量时使用两台精密气压计， 一台放 在基点不动， 每隔一定时间读一次大气压力值， 记下 读值时间； 另一台仪器从基点开始， 沿预先选定的测 定路线逐点测量各点风流的静压，并记下测定时间。 同时用测量各测点断面上的平均风速，干湿球温度， 以及标高。固定在基点的仪器用于观测大气压力随时 间的变化规律， 以便校正大气压力变化对另一台仪器 测量数值的影响。测定时首先设置初始点为基点， 那 么测定路线上各点与基点的能量差， 反映了所测路线 的能位分布。 2漏风通道识别方法 封闭采空区是一个独立的小环境，它与周边通 风系统通过一些节点相联，形成自身小环境与大通 风系统的风流交换，这些节点是研究漏风通道和漏 风趋势的关键。常见的关键节点主要为采空区封闭 墙和采空区与周边巷道的围岩裂隙，前者的识别较 为简单， 其核心在于掌握封闭墙的漏风趋势， 可以通 过观测孔测量封闭墙内外压差，判别风流的流入流 出状态及压差大小； 后者的识别较为复杂， 受巷道围 岩变形和通风系统能位差综合影响，因此需要结合 能位测定综合判断。 风流流动趋势是从能位高的点流向能位低的点， 一般能位差越大， 漏风可能性越大。漏风通道识别时， 首先要掌握封闭采空区周边通风系统风流流动情况， 选择主要风流流动路线上的关键节点为测点， 依次测 定通风能位， 画出能位差分布图， 从封闭墙漏风状态 和压差以及能位差较大点的围岩状态， 综合识别漏风 通道和漏风趋势。 3漏风通道识别应用 3.1试验工作面采空区概况 南屯煤矿 3304 工作面位于三采区南部，周边相 邻 3302 工作面采空区与 3306 工作面 （未采 ） ， 工作面 停采线运顺侧位于 3 煤轨道巷巷中以西 50m （沿顺槽 方向 ） ， 轨顺侧较运顺侧向东调斜 30m。工作面轨顺长 944.5m、 运顺长 929.5m， 倾斜方向最大宽度 254.3m。 工 作面回采 3 煤层。3 煤层厚 8.1～8.73m， 平均 8.40m， 分 层开采。 3304 工作面回采后， 为方便 3306 工作面接续， 特 将支架临时封闭在 3304 工作面停采线内。在 3304 轨 顺进风隅角开始， 依次沿倾向向下的 121 架、 90 架、 63 架、 45 架、 3304 运顺回风隅角布置束管，取样监测 CO、 CO2、 CH4、 C2H4、 C2H6、 C2H2、 O2、 N2等气体浓度。 并在 3304 轨顺封闭墙布置一路注氮管路，注氮量约为 10m3/min。自 6 月 6 日开始监测， 至今 3304 运顺回风 隅角 O2取样浓度未能低于 10，其余各处 O2浓度自 漏风流方向 （即 304 轨顺进风隅角→121 架→90 架→ 63 架→45 架 ） 逐渐降低 14～12， 由于 3 煤为易自燃 煤层， 存在一定的煤自燃风险。 3.2封闭采空区能位测定 该区域通风系统复杂，封闭墙多， 3304 工作面回 采结束后尚未完全压实， 存在可能的漏风通道。普遍 认为漏风流由 3304 轨顺封闭墙进入， 从 3304 运顺封 闭墙流出， 但 O2浓度一直未能有效降低。因而须对此 处通风系统进行能位测定， 掌握真实漏风趋势， 为防 治自然发火奠定基础。将局部通风系统简化后如图 1 所示。 依据 3304 封闭墙周边通风系统，制定能位测定 测点布置如图 1 所示，风流形成 3 条路线如下 1， - 260 大巷单轨吊四岔口西→2， 3302 运顺联巷→ 3， 3304 轨顺封闭墙→4， - 300 轨回通道； 1， - 260 大巷 118 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 单轨吊四岔口西→2， 3302 运顺联巷→5， 3304 运顺封 闭墙→6， 三采东区横贯东； 1， - 260 大巷单轨吊四岔口 西→7， 七采西部皮带机巷 3302 停采线下。 图 13304 停采线封闭区域通风系统能位测定图 3.3封闭采空区漏风识别 1 ）风流流动分析。由测定结果可知， 轨顺封闭墙 外侧能位高于运输封闭墙外侧能位约 19.3Pa， 即推知 封闭区域内应由轨顺流向运顺方向； 七采西部皮带机 巷 3302 停采线下与轨顺封闭墙外侧能位基本近似， 即此处向轨顺封闭墙内漏风有一定可能性。 图 2各路线相对能位分布图 表 1封闭墙压差测定 2 ）封闭墙漏风分析。 测定了关键节点处封闭墙压 差及漏风状态， 如表 1 所示。分析可知， 运顺密闭压差 较大， 可达 113Pa， 此处位于 3306 轨顺掘进回风处， 与 常规认识不同， 该密闭墙为进气状态， 且压差较大， 但 3302 运顺密闭压差不大， 仅 10Pa， 加 3304 之轨、 运顺 封闭墙外侧能位差 19.3Pa， 推知封闭区内部与低负压 点有联通通道。查询通风系统图， 发现 3304 开切眼处 与西翼总回风巷较近， 且 3304 刚收作不久， 采空区垮 落在运顺处形成的 “落三角” 未完全压实， 存在漏风通 道。 3.4封闭采空区漏风验证 基于能位测定七采西部皮带机巷 3302 停采线下 处于进风通道，有向轨顺封闭墙内漏风有一定可能 性， 现场调查皮带机较为完好， 巷变形不大， 且压差较 小， 可以排除此处的漏风可能性。 在西翼总回风巷施工向 3304 开切眼处的排水钻 孔， 发现出气大， 压差可达 142Pa， 可以判定西翼总回 风巷与 3304 开切眼存在漏风裂隙，即西翼总回风巷 是封闭采空区的最大漏风汇。 4结论 本文基于能位测定技术实现了封闭采空区漏风 通道的量化识别，有效应用于南屯煤矿 3304 停采线 封闭区， 确定了回风区域封闭墙进风， 改变了回风区 域出风的常规认识， 并发现了封闭采空区的最大漏风 汇西翼总回风巷， 最终确定了该封闭采空区的漏风通 道为 3304 轨、运顺封闭墙均进风， 3304 轨顺流向运 顺方向， 经由运顺未完全压实采空区， 沟通西翼总回 风巷。此漏风通道量化识别方法可为类似条件矿井封 闭采空区漏风识别提供基础。 参考文献 [1] 梁运涛, 罗海珠, LIANGYun- tao,等. 中国煤矿火灾防治技术 现状与趋势[J]. 煤炭学报, 2008, 33 （2 ） 126- 130. 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