基于能位测定与SF6示踪气体联合检测复杂采空区漏风

朱建芳，许育铭，郭文杰，段嘉敏

(1.河北省矿井灾害防治重点实验室，北京 东燕郊 101601；2.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

基于能位测定与SF6示踪气体联合检测复杂采空区漏风

朱建芳1,2，许育铭1,2，郭文杰1,2，段嘉敏1,2

(1.河北省矿井灾害防治重点实验室，北京 东燕郊 101601；2.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

针对煤矿井下采空区的复杂漏风关系，应用能位测定法与示踪检测技术联合检测了孔庄煤矿井下采空区的漏风情况。通过测试计算相对总压值得出工作面采空区周围巷道漏风源和漏风汇之间的能位关系，进而定性确定了孔庄煤矿7353E8353W工作面采空区存在的可能漏风路径。在此基础上，利用瞬时释放示踪气体法确定了孔庄煤矿7353E8353W工作面采空区的漏风方向和漏风速度。

能位测定；示踪气体；采空区；漏风

0 引言

煤矿井下巷道和作业场所与老空区之间存在错综复杂的关系，采空区漏风是煤矿安全生产的重大隐患之一。由于漏风可造成采空区煤炭自燃、引起有害气体侵入作业场所、造成矿井有效风量不足等重大隐患。因此，有效检测采空区的漏风分布，以便有针对性的采取措施，消除漏风或将漏风控制在易自燃风速之外，是防止采空区煤炭自燃的重要手段[1-4]。

国内外关于矿井漏风检测技术的研究有许多，示踪气体检测法作为一种成熟可靠的技术在国内外得到长期而广发的应用，并有着丰富的适用经验[5]。能位测定技术可在检测井巷风流能位关系的同时，为示踪技术提供信息，增加漏风检测效果[6]。任何一个采空区都存在“多源多汇”的漏风关系，能位测定与示踪气体检测法的结合可以更有效、更快速地检测复杂采空区的漏风通道，得出其漏风方向，并计算漏风风速和漏风量[7]。本文通过能位测定与示踪气体检测法结合的方法对孔庄煤孔7353E8353W工作面采空区的漏风地点及漏风风速进行了检测，为有效开展全面、有效的防灭火技术措施提供了基础。

1 工作面概况

如图1所示，为孔庄煤矿7353E8353W工作面周围巷道布置示意图。8353E7353W工作面为7#、8#煤联合开采，上部有7351采空区，内有7353补运输回风巷和7351放水巷，8353E7353W材料道有一条联络巷与7351采空区相连，受7351采空区影响。顶板不易支护易破碎，由于工作面煤层构造较发育，断层多，倾角大，回采过程中破碎煤体发生氧化及回采期间顶板跨落之后，7351采空区煤柱跨落，易于造成7351采空区内遗煤自燃。工作面巷道附近有10多个密闭，掌握工作面采空区周围巷道漏风源和漏风汇之间的能位关系，为采用示踪气体检测工作面漏风提供前期准备，也为采空区漏风的理论分析提供了基础。

图1 检测区周围巷道及测点布置示意图

2 漏风区域能位测定与分析

2.1 测点布置

对孔庄煤矿7353E8353W工作面采空区进行了阻力测定。测定过程中，1台气压计放置在地面通风科办公室作为基准点，另1台气压计沿测定线路逐步测定风流的静压，测点布置如图1所示，测点参数数据如表1所示。

7353E8353W工作面通风系统：

① 新风流向：地面→主、副井→轨道暗斜井→III3轨道下山→III3三甩道→8353E7353W溜子道(皮带机巷)→8353E7353W工作面。

② 乏风流向：8353E7353W工作面→8353E7353W材料道→III3人行下山→II3人行下山→II3集中回风巷→-160总回风巷→东风井→地面。

表1 测点参数情况

2.2 测定结果及分析

测得数据如表2～表3所示。

表2 基点大气压力测定数据记录

表3 测点通风阻力原始记录表

(1) 主要计算公式

① 空气密度

(1)

式中：P—大气压力，kPa；T—空气绝对温度，K；φ—空气相对湿度；Psat—饱和水蒸汽压，kPa。

② 两点间的通风阻力

气压计法，沿风流方向1、2两测点间通风阻力，可用下式计算：

hR12=Pb1-Pb2+(Pa2-Pa1)+

(2)

式中：Pb1、Pb2—分别为测定仪器在1、2测点的读数，Pa；Pa1、Pa2—测定仪器在1、2测点测定时基点仪器相应的读数，Pa；ρ1、ρ2—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—1、2测点间的标高差，m；

(2) 数据结果整理与分析

根据所测试的数据，采用上述计算公式，就算出各地的相对能位如表4和图2所示。结合测点布置情况图1，可以看出，如果仅考虑工作面轨道顺槽是采空区漏风的主源，工作面上隅角是采空区漏风的主汇，那么采空区的漏风压力即为综放工作面压能132.2Pa；而且，9、10、11各个测点所在的密闭，与7351采空区相邻，均是危险漏风源，尤其是随着工作面推进，在密闭点巷道与综采工作面临近、相联通期间，必须密切监测工作面上下隅角、各密闭前后温度、指标气体浓度，及时采取有效措施，避免火灾事故的发生。

图2 各测点相对能位柱形图

测点测段阻力(pa)测点相对能位(Pa)11052.250.002421.30-421.00331.40-452.70687.70-539.707132.20-671.90957.00-728.9010121.70-850.601114.60-865.201264.30-929.501413.50-943.0016286.00-1229.00

3 SF6示踪技术检测漏风

3.1 SF6示踪技术原理

SF6拥有无色、无嗅、无毒、不易燃烧、不溶于水、无沉淀、不凝结等特点，且大气环境中本底值低，检出灵敏度高[8]。利用瞬时释放法在漏风源处快速释放定量的SF6气体，并在漏风汇出每隔5～20 min取样检测，分析采集的气样中是否含有SF6来确定是否存在漏风通道，并根据测出含有SF6的时间差计算漏风风速。计算公式如下：

V=L/t

(3)

式中：V—漏风风速；L—漏风距离；t—从漏风源到漏风汇的漏风时间。

SF6释放量不易过多也不易过少。过多，将污染井下环境，提高井下空气的本底浓度，导致长时间内不能充分排净所释放的SF6，使得在很长一段时间内无法在进行检测；过少，可能致使检测不到SF6。SF6释放量按下式进行估算：

(4)

式中：Qs—SF6释放量，L；K—单位换算系数，等于1000 L/m3；Ca—露头内SF6的平均浓度，取5×10-8；T—从释放SF6开始到某一预定时间为止的累计时间，min；Q—每个漏风通道的漏风量，m3/min，采空区内一般取0.2～0.5 m3/min；n—漏风通道个数。

根据质量守恒定律，若在某一巷道上风流释放一定质量的失踪气体，在下风流检测点能检测到等质量气体。假定漏风速度恒定，示踪气体密度D为常量，SF6质量计算公式如下：

(5)

式中：M—SF6释放总量，mg；Q—检测点处风量，m3/min；D—SF6气体密度，mg/m3；C(t)—检测点SF6气体浓度，%。

3.2 SF6示踪探测方案

测定过程中，SF6示踪气体的瞬时释放量为1～2 l/min，稳定释放量为10 ～100 ml/min；SF6示踪气体定性检测仪器为5750A型SF6检漏仪(美)；SF6气体总量为10 kg(纯度99.999%)。

(1) 在上顺槽距8353E7353W工作面进风口采空区20 m处用气囊释放SF6气体；在采样点插入钢管用密闭针桶进行取样。

(2) 开始布置取样点前工作人员核对自己的表，以确保同时取样的准确性；

(3) 沿风流方向设6个取样点，每隔30 m一个(以支架为基准，每隔12个支架采一组样)，取样点派一个人取样，取样仪器为20 mL医用注射器7支(其中一支为备用品)；

(4) 首先定好时间释放SF6气体，释放5 min后，其他各采样点开始采样，每隔5 min采样一次，每个取样点采样6次；

(5) 每次采样后用橡皮泥封住针管口，再将我们特制的密封针管套套在针管口；

(6) 将收集完毕后的针桶送地面保存以备进行SF6气体浓度测定。

具体释放点和采样点布置如图3所示。

图3 SF6释放点取样点布置

3.3 测定结果及其分析

从42个气样(20 mL/针桶)中取出一部分(15 mL/针桶)，采用5750A型六氟化硫气体检漏仪(美)对每个样本进行定性分析，气样中SF6的百分含量均在10-6以下(5750A型六氟化硫气体检漏仪的最低检测百分浓度为10-6)。

表5 瞬时释放法测定沿采空区漏风分布数据

分析检测结果，得到如下结论：

(1) 各采样点SF6浓度除第一点外均存在峰值，释放的SF6约在20～30 min达到工作面上隅角，即穿越采空区。在距离释放点20 m的第一个采样点处，各个时间段均未收集到SF6气体，可能是第一个采样点距离释放源较近，在开始采样时所释放的SF6气体已经通过这一地点并完全扩散掉了，分布在采样点附近的SF6浓度太低，以至于气相色谱仪的精度不足以检测到它的存在。

(2) 第二个采样点在5 min时已经检测到SF6的存在，但是浓度不高，估计这是SF6的释放峰值点尚未通过这一点，这一采样点在10 min时达到峰值也证明了以上的论断，当然还不能据此说明SF6就是在释放后10 min到达第二采样点，但是可以说明SF6达到第二采样点的时间是5～15 min这一区间，在20 min时没有检测到SF6存在，说明SF6峰值阶段已经通过，对比其他采点的峰值可知第二采点的SF6浓度峰值偏低，这就可以推断出在10 min时SF6的峰值点尚未通过第二采样点，它的峰值到达时间为5～10 min这个区间。

(3) 同理我们可以推断第三、四、五的峰值区间分别为10～15 min、15～20 min、20～25 min。对于最后一个采样点，由表5可以看到峰值偏低，而且在30-35 min这一区间内SF6浓度为0，这说明在30 min以后气样已经通过这一点并扩散了，所以对比其他采样点峰值，这一点的峰值通过时间大概为20～25 min。

经过分析计算，得到表6所示的参数结果。

表2-6 采空区漏风分布测定结果汇总

由上表可以看出SF6峰值随时间逐渐推移，经25 min左右漏出采空区；沿切眼方向横向漏风量不存在或者轻微的。综上所述，漏风风流从源至汇经历的时间为20～25 min，漏风风速约为4.37～5.34 m/min；沿着工作面切眼方向是不存在漏风或者是极为轻微的。

4 结论

(1) 对8353E/7353W综放工作面周围巷道进行了漏风测定，通过分析，认为工作面轨道顺槽是采空区漏风的主源，上隅角是采空区漏风的主汇，9、10、11各个测点所在的密闭，与7351采空区相邻，均是危险漏风源。通过确定主要漏风地点，为有效开展全面、有效的防灭火技术措施提供了基础。

(2) 在煤矿生产实践中，应用能位测定与示踪气体联合检测复杂采空区漏风，是一项非常行之有效的检测技术。根据现场实际的需要和目的，布置测点和多处取样点，这样可以从定性和定量两方面比较准确确定采空区漏风通道之间的关系，提高复杂采空区漏风检测的科学性和准确性。

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Using Potential Energy Measurement and SF6 Tracer Gas to Detect Air Leakage in Complicated Goaf

ZHU Jian-fang1,2,XU Yu-ming1,2,GUO Wen-jie1,2,DUAN Jia-min1,2

(1.HebeiProvincialKeyLab.ofMineDisasterPreventionandControl,Yanjiao,101601，China; 2SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,china)

In view of the complex air leakage relationship of coal mine goaf,combining tracer detection technology and energy measurement,the air leakage of Kongzhuang coal mine goaf.By calculating the relative total pressure,the energy relationship between air leakage origin and air leakage paths around the working face roaelway is obtained.On this basis,using the method of instantaneous release of tracer gas,the direction and speed of air leakage around 7353E8353W working face goaf in Kongzhuang Coal Mine is determined.

energy measurement; tracer gas; goaf; air leakage

2016-05-12

中央高校基本科研业务费资助(3142015074，3142014124)

朱建芳(1971-)，男，河北永年人,博士，华北科技学院安全工程学院教授，现从事自然发火、瓦斯防治等方面的研究。E-mail：bj_zjf@126.com

TD728

A

1672-7169(2016)04-0030-05