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第 4 2卷第 8期能 源 与 环 保 V o l 4 2 N o 8 2 0 2 0年8月 C h i n aE n e r g ya n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o nA u g . 2 0 2 0 收稿日期 2 0 2 0- 0 6- 0 1 ; 责任编辑 陈鑫源 D O I 1 0 . 1 9 3 8 9 / j . c n k i . 1 0 0 3- 0 5 0 6 . 2 0 2 0 . 0 8 . 0 1 8 作者简介 张绪林( 1 9 7 6 ) , 男, 江西武宁人, 工程师, 现从事煤矿“ 一通三防” 工作。 引用格式 张绪林, 肖长亮. S F 6示踪气体在近距离煤层群工作面漏风检测中的应用[ J ] . 能源与环保, 2 0 2 0 , 4 2 ( 8 ) 7 6 8 0 . Z h a n gX u l i n , X i a o C h a n g l i a n g . A p p l i c a t i o n o f S F 6t r a c e r g a s i n a i r l e a k a g e d e t e c t i o n o f w o r k i n g f a c e i nc o a l s e a m s a t c l o s e r a n g e [ J ] . C h i n a E n e r g ya n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n , 2 0 2 0 , 4 2 ( 8 ) 7 6 8 0 . S F 6 示踪气体在近距离煤层群工作面漏风 检测中的应用 张绪林1, 肖长亮2 , 3 ( 1 . 淮北矿业集团公司 通防地测部, 安徽 淮北 2 3 5 0 0 0 ; 2 . 煤矿安全技术国家重点实验室, 辽宁 抚顺 1 1 3 1 2 2 ; 3 . 煤科集团沈阳研究院有限公司, 辽宁 抚顺 1 1 3 1 2 2 ) 摘要 近距离煤层群是指在开采本煤层时对邻近煤层有明显采动影响的煤层群。以许疃煤矿 7 22 8回 采工作面为例, 上覆存在7 1煤层采空区, 在煤层采动影响下形成多种漏风通道, 漏风形式复杂, 严重 影响矿井的安全生产。利用S F 6示踪气体连续定量释放法对722 8 工作面及回风巷漏风量规律进行定 量研究, 在0 ~ 1 5 0m ( 距下隅角距离) 范围内工作面主要向采空区漏风, 在1 5 0m后采空区向工作面漏 风, 整体漏风量为9 3m 3/ m i n , 漏风率为4 . 7 %。回风巷在煤层间距薄弱处, 存在明显向上覆采空区漏 风现象, 漏风量为3 7m 3/ m i n , 漏风率为1 . 9 %。通过测试掌握了工作面及巷道漏风规律, 针对性地提 出预防措施, 为该工作面的安全生产提供了保障。 关键词 近距离煤层群; S F 6示踪气体; 连续定量释放; 漏风 中图分类号 T D 7 2 8 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3- 0 5 0 6 ( 2 0 2 0 ) 0 8- 0 0 7 6- 0 5 A p p l i c a t i o no f S F 6t r a c e rg a s i na i rl e a k a g ed e t e c t i o no f w o r k i n gf a c ei n c o a l s e a ms a t c l o s er a n g e Z h a n gX u l i n 1, X i a oC h a n g l i a n g2 , 3 ( 1 . T o n g f a n gG e o d e s yD e p a r t m e n t , H u a i b e i M i n i n gG r o u p , H u a i b e i 2 3 5 0 0 0 , C h i n a ; 2 . S t a t e K e yL a b o r a t o r yo f C o a l M i n e S a f e t yT e c h n o l o g y , F u s h u n 1 1 3 1 2 2 , C h i n a ; 3 . S h e n y a n gR e s e a r c hI n s t i t u t e , C h i n aC o a l T e c h n o l o g ya n dE n g i n e e r i n gG r o u p , F u s h u n 1 1 3 1 2 2 , C h i n a ) A b s t r a c t C l o s e d i s t a n c ec o a l s e a mg r o u pr e f e r s t ot h ec o a l s e a mg r o u pt h a t h a s o b v i o u s m i n i n g i n f l u e n c e o na d j a c e n t c o a l s e a m s w h e n m i n i n gt h i s c o a l s e a m . I t w a s t o o kt h e 7 22 8w o r k i n g f a c e o f X u t u a nC o a l M i n e a s a ne x a m p l e , t h e r e w a s a no v e r l y i n g 71c o a l s e a mg o a f . U n d e r t h ei n f l u e n c e o f c o a l s e a mm i n i n g , v a r i o u s a i r l e a k a g e c h a n n e l s w e r e f o r m e d . T h e a i r l e a k a g e f o r m s w e r e c o m p l e x , w h i c hs e r i o u s l y a f f e c t e dt h es a f e p r o d u c t i o no f t h e m i n e . U s i n g t h e S F 6t r a c e r g a s c o n t i n u o u s q u a n t i t a t i v e r e l e a s e dm e t h o dt o q u a n t i t a t i v e l y s t u d y t h e a i r l e a k a g el a wo f 7 22 8w o r k i n gf a c ea n dt h er e t u r na i r w a y , t h ew o r k i n gf a c em a i n l yl e a k e dt ot h eg o a f w i t h i nt h er a n g eo f 0~ 1 5 0m ( d i s t a n c ef r o mt h el o w e r c o r n e r ) . A f t e r 1 5 0m , t h eg o a f l e a k e dt ot h ew o r k i n gf a c e , t h eo v e r a l l a i r l e a k a g er a t ew a s 9 3m 3/ m i n , a n dt h e a i r l e a k a g e r a t e w a s 4 . 7 %. I nt h e r e t u r na i r w a y , w h e r e t h e c o a l s e a ms p a c i n g w a s w e a k , t h e r e w a s o b v i o u s a i r l e a k a g e i nt h e o v e r l y i n g g o a f . T h ea i r l e a k a g er a t e w a s 3 7m 3/ m i n , a n dt h e a i r l e a k a g e r a t e w a s 1 . 9 %. T h r o u g ht h e t e s t , t h e l a wo f a i r l e a k a g e i nt h e w o r k i n g f a c e a n d r o a d w a yw a s m a s t e r e d , a n dp r e v e n t i v em e a s u r e s w e r ep u t f o r w a r dt op r o v i d eag u a r a n t e ef o r t h es a f ep r o d u c t i o no f t h ew o r k i n gf a c e . K e y w o r d s c o a l s e a m s a t c l o s er a n g e ; S F 6t r a c e r g a s ; c o n t i n u o u s q u a n t i t a t i v er e l e a s e ; a i r l e a k a g e 67 2 0 2 0年第 8期 张绪林, 等 S F 6示踪气体在近距离煤层群工作面漏风检测中的应用第 4 2卷 0 引言 在矿井生产过程中, 新鲜风流的提供是井下作 业劳动的关键保障。而在风流流动过程中不可避免 地会造成部分损失, 诱发采空区遗煤自然发火等危 险。因此, 采空区漏风现象成为了众多学者和管理 者共同研究的问题。目前, 众多学者采用 S F 6示踪 气体来探索采空区漏风规律, 饶孜[ 1 ]采用 S F 6示踪 气体对白皎煤矿近距离煤层群漏风通道以及漏风规 律进行了探索查明; 王辉跃等[ 2 3 ]利用 S F 6示踪气体 对工作面及巷道漏风进行定量研究; 李斌[ 4 ]通过释 放 S F 6示踪气体研究了采空区“ 呼吸” 现象与大气 压之间的变化关系; 郭海相[ 5 ]利用 S F 6示踪对神东 矿区典型浅埋深近距离煤层群矿井漏风规律进行了 现场实测, 表明煤层间距越小形成漏风通道裂隙越 为发育漏风越为严重; 常绪华等[ 6 7 ]利用 S F 6示踪气 体也在现场做了大量漏风测试研究。众多学者大都 采用 S F 6示踪气体瞬时释放法对采空区漏风规律进 行定性研究[ 8 1 0 ], 对于工作面定量漏风测试, 尤其对 于工作面每段区域内的漏风规律研究较少。 许疃煤矿 7 22 8工作面为近距离煤层群工作面 开采, 煤层倾角 5 ~ 3 0 , 平均 1 2 , 工作面可采储量 1 4 0 . 2万 t , 工作面走向长为12 9 2m 、 倾向宽2 4 8m , 风巷内存在 1 0 0m左右为 7 1、 72煤层合并区。722 8 回采工作面西为7 22 6采空区, 上覆为712 8 、 712 1 0采 空区, 工作面布置如图 1所示, 周围存在多种漏风通 道, 漏风形式复杂。 图 1 7 22 8工作面布置 F i g 1 L a y o u t o f 7 22 8w o r k i n gf a c e 1 S F 6示踪气体测定漏风原理 1 1 S F 6气体性质 S F 6是一种无色、 无味的人工合成的惰性气体, 纯净的 S F 6示踪气体在常温常压下具有较高的稳定 性, 在流动的空气中能够迅速混合而且均匀地分布 在检测空间中, 在使用过程中不受到其他物质的影 响, 是目前矿井漏风检测常用的一种示踪气体。 1 2 连续定量释放 S F 6测定漏风量基本原理 S F 6示踪气体连续定量释放装置由钢瓶、 一级 减压阀、 稳压阀、 稳流阀和流量计等组成[ 1 1 ], 如图 2 所示。 图 2 S F 6示踪气体连续释放装置 F i g 2 S F 6t r a c e rg a s c o n t i n u o u s r e l e a s ed e v i c e 利用 S F 6示踪气体的特性, 根据气体质量守恒 方程, 在压能高的位置连续稳定释放一定量的气体, 当 S F 6气体与井巷中空气均匀混合后, 沿着风流方 向布置测点进行取样, 取样后利用色谱仪进行气体 分析[ 1 2 1 3 ]。当井巷为正压漏风时, 沿途风流中 S F 6 气体浓度不变; 若为负压漏风, 沿途风流 S F 6气体浓 度逐渐下降, 但通过巷道的 S F 6气体总量不变。 假设在一段矿井巷道中, 在 R处释放 S F 6气体, 在 S 处采集气样。若 S F 6的释放流量为 q , 在 S 点取 样经分析后 S F 6浓度为 C , 则通过该采样点处巷道 断面的风量为 Q可表示为 Q=q C 1 0 - 6 ( 1 ) 通过多点采集气样的方式即可得出流经这些采 样点处巷道断面的风量, 风量之差即为巷道对应区 间的漏风量。通过对各点 S F 6浓度变化进行分析, 即可求得漏风量, 从而找出漏风规律。 2 漏风测定参数确定 2 1 S F 6释放量的确定 根据 M T / T8 4 5 1 9 9 9 煤矿巷道用 S F 6示踪气 体检测漏风技术规范 [ 1 4 ], 释放量要依据检测装置 的最小检测浓度和巷道风量进行确定。连续定量释 放 S F 6流量可用式( 2 ) 进行计算。 q = K C Q( 2 ) 式中, q 为 S F 6示踪气体连续定量释放量; K为误差 系数, 取5 ; Q为巷道风量, 经过现场测试巷道风量为 18 0 0m 3/ m i n ; C为预计风流中 S F 6最小浓度 1 0 - 8。 77 2 0 2 0年第 8期 能 源 与 环 保第 4 2卷 基于式( 2 ) 计算可确定出 S F 6最小连续释放量 不小于 9 0m L / m i n , 为便于现场调试与后期计算, 将 S F 6释放流量定为 1 0 0m L / m i n 。 2 2 释放间距确定 S F 6气体与风流混合后在巷道中扩散, 距离释 放点越远, 扩散越均匀。为此, 确定合理的取样距离 是减少测试误差的重要一步。最短取样距离可由式 ( 3 ) 计算确定。 L ≥3 2 S / U( 3 ) 式中, L 为示踪气体释放点与取样点、 取样点与取样 点的间距; S 为井巷断面积; U为井巷周界长度。 基于式( 3 ) 计算测量回风巷漏风时的间距 L最 短取样距离为 4 1m , 测量工作面漏风时的最短间距 L 为 3 5m , 现场实测过程中释放间距设定为 5 0m 。 2 3 采样时间 气体在巷道中流动绝大多数都处于紊流状态, S F 6示踪气体释放以后, 采样时间过早会影响测定 结果的准确性。为保证 S F 6示踪气体释放后与巷道 风流充分混合, 确定 S F 6气体释放 1 0m i n后在取样 点进行取样检测。 3 7 22 8工作面及回风巷漏风测定与分析 3 1 7 22 8回风巷漏风测定 许疃煤矿7 22 8 工作面上覆为71煤层采空区, 煤层间距较近属于典型的近距离煤层群工作面开 采。在工作面推进过程中, 回风巷某处与上覆采空 区煤层间距为 0 , 通过现场观察, 回风巷中存在风流 流向上覆采空区现象。为定量判断风巷漏风规律, 利用 S F 6示踪气体连续定量释放法对回风巷漏风进 行定量测定。取样点布置在 7 22 8工作面回风巷距 离上隅角 3 0 0m位置处, 释放点布置在回风巷距离 上隅角 5 0m , 后续依次布置 2个释放点, 每个释放 点布置距离相差约 5 0m 。7 22 8回风巷释放点与检 测点具体布置如图 3所示。 图 3 7 22 8回风巷释放点与检测点 F i g 3 R e l e a s ea n dt e s t i n gp o i n t a r r a n g e me n t o f 7 22 8r e t u r na i r w a y 在取样点处巷道的左、 中、 右 3个点分别各取样 1份, 把采样点位置、 采集时间、 编号等信息, 完整清 晰地记录在密封好的气体采集袋上, 通过色谱仪对 S F 6气体浓度进行检测。检测结果见表 1 。 表 1 7 22 8回风巷测定及示踪气体浓度分析 T a b 1 D e t e r mi n a t i o no f a i rl e a k a g ea n dt r a c e rg a s c o n c e n t r a t i o na n a l y s i s o f 7 22 8a i rw a y 释放点取样点释放时间取样时间 释放量/ ( m L m i n - 1) S F 6浓度/ 1 0 - 6 左中右平均值 计算风量/ ( m 3 m i n - 1) 11 5 1 01 5 2 00 . 0 5 530 . 0 5 500 . 0 5 500 . 0 5 5118 1 5 211 5 4 51 5 5 51 0 00 . 0 5 460 . 0 5 470 . 0 5 510 . 0 5 4818 2 5 31 6 2 01 6 3 00 . 0 5 470 . 0 5 470 . 0 5 440 . 0 5 4618 3 2 3 2 7 22 8工作面漏风测定 根据 7 22 8工作面通风系统及巷道布置情况, 在 工作面共设置 6个 S F 6释放点, 每个释放点间距约 为 5 0m , 取样点布置在回风巷距离上隅角 5 0m位 置。测点布置如图 4所示。通过对 7 22 8工作面不 同位置 S F 6示踪气体采样分析, 检测结果见表 2 。 3 3 测定结果及其分析 通过对 7 22 8工作面、 回风巷漏风测定, 工作面 及回风巷的漏风量和漏风率见表 3 。 利用 S F 6示踪气体连续恒量释放法可以有效准 确地判断被检测区域风量变化情况。根据检测数据 图 4 7 22 8工作面释放点与检测点示意 F i g 4 R e l e a s ea n dt e s t i n gp o i n t a r r a n g e me n t o f 7 22 8w o r k i n gf a c e 87 2 0 2 0年第 8期 张绪林, 等 S F 6示踪气体在近距离煤层群工作面漏风检测中的应用第 4 2卷 绘制风量变化曲线如图 5所示。在回风巷检测范围 内均存在不同程度的向上覆采空区漏风的现象, 在 距离上隅角5 0m内漏风情况相对较为严重; 通过对 图 5风量变化曲线分析可以看出, 在 0~ 1 5 0m( 距 下隅角距离) 内工作面主要向采空区漏风, 在 1 5 0m 后采空区向工作面进行漏风[ 1 5 ]。 表 2 7 22 8工作面测点及示踪气体浓度分析 T a b 2 D e t e r mi n a t i o no f a i rl e a k a g ea n dt r a c e rg a s c o n c e n t r a t i o na n a l y s i s o f 7 22 8w o r k i n gf a c e 释放点取样点释放时间取样时间 释放量/ ( m L m i n - 1) S F 6浓度/ 1 0 - 6 左中右平均值 计算风量/ ( m 3 m i n - 1) 41 6 4 51 6 5 50 . 0 5 380 . 0 5 410 . 0 5 410 . 0 5 4018 5 2 51 7 0 01 7 1 00 . 0 5 410 . 0 5 430 . 0 5 480 . 0 5 4418 3 8 621 7 2 51 7 3 51 0 00 . 0 5 470 . 0 5 480 . 0 5 460 . 0 5 4718 2 8 71 7 5 01 8 0 00 . 0 5 440 . 0 5 410 . 0 5 400 . 0 5 4218 4 5 81 8 1 51 8 2 50 . 0 5 310 . 0 5 320 . 0 5 360 . 0 5 3318 7 6 91 8 4 01 8 5 00 . 0 5 120 . 0 5 150 . 0 5 160 . 0 5 1419 4 5 表 3 工作面及回风巷漏风量及漏风率测定结果 T a b 3 R e s u l t o f l e a k a g ea i rv o l u mea n da i rl e a k a g e r a t ec a l c u l a t i o no f r e t u r na i r w a ya n dw o r k i n gf a c e 位置漏风量/ ( m 3 m i n - 1) 漏风率/ % 回风巷3 71 . 9 工作面9 34 . 7 图 5 7 22 8工作面及回风巷风量变化 F i g 5 A i rv o l u mec h a n g eo f 7 22 8w o r k i n g f a c ea n dr e t u r na i r w a y 4 结论 通过采取 S F 6示踪气体连续释放法对漏风规律 测试, 许疃煤矿 7 22 8工作面存在多种漏风通道, 不 仅本煤层采空区漏风, 而且上覆下伏采空区之间也 存在漏风现象, 漏风形势复杂。根据测试结果, 得出 了回采工作面采空区以及巷道的漏风率和漏风量, 掌握了检测区域范围内的漏风规律, 为矿井的防灭 火工作提供科学的理论依据。 根据漏风测定结果, 可开展相应的防灭火工作。 利用水泥砂浆喷涂巷道, 尤其对层间距较小处及时 进行喷浆维护; 上下隅角构筑隔离垛墙并插管注入 凝胶形成密实的挡风墙; 另外, 要定期检查上覆采空 区密闭墙。 参考文献( R e f e r e n c e s ) [ 1 ] 饶孜. 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S t u d yo nd u s t d i s t r i b u t i o nl a wu n d e r d i f f e r e n t p r e s s u r e p u m p i n gr a t i oc o n d i t i o n s i nc o m p r e h e n s i v ec o a l m i n i n g f a c e [ J ] . C o a l T e c h n o l o g y , 2 0 1 8 , 3 7 ( 1 0 ) 1 9 5 1
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