近距离煤层群采空区漏风规律及防控措施研究

王超群，周 明，郭 英，王 烨

(1.贵州能化发耳煤业有限公司，贵州 六盘水 553001； 2.兖矿集团有限公司，山东 邹城 273500；3.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

煤自燃是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一[1-2]。近年来，煤自燃现象不仅造成了大量的经济损失，同时排放出有毒有害气体，造成大气环境污染[3-4]。对于高瓦斯矿井，煤自燃易引发瓦斯爆炸等次生灾害，造成重大人员伤亡事故[5-6]。

近距离煤层群矿井采空区间距小，煤层赋存条件复杂，气体运移规律变化多样[7-8]。近年来，许多学者对近距离煤层群采空区漏风规律及气体运移规律进行了深入研究[9-10]，采用了SF6示踪法等对漏风路线进行示踪[11-12]，取得了一定效果。由于各矿井通风方式不同，采空区位置也存在一定的差异，因此并不能对具体矿井的漏风规律一概而论[13]。

经鉴定，贵州发耳煤矿主采煤层属不易自燃煤层，建井期间未安设防灭火监测系统。矿井煤层群开采过程中互相影响，造成采空区之间形成漏风通道，采空区漏风地点增多，防灭火工作难度增大。目前主采的31006工作面与31004采空区为沿空留巷布置，上覆7#煤层采空区，层间距约为14 m。为解决31006工作面回风巷沿空留巷CO浓度异常这一问题，需要对相关采空区漏风规律进行研究。通过现场实测及实验数据分析，对存在的问题采取了相应措施，取得了一定的成效。研究结果对该矿其他采空区煤自燃治理具有一定的指导意义。

1 漏风情况分析

1.1 工作面概况

31006综采工作面位于三采区中部，工作面上部7#煤层采空区为30708采空区(2017年7月15日停采)、30706采空区(2018年4月25日停采)；5-3煤层采空区为35307采空区(2017年5月25日停采)，与上部采空区最大间距17.6 m，最小间距11.3 m，平均间距13.8 m。工作面沿倾向布置，采用倾向长壁采煤法开采，主采煤层为贫瘦煤。平均煤厚1.68 m，工作面平均倾斜长886.5 m，走向宽为279.0 m，平均倾角17°，煤层最大埋深203 m，最小埋深79 m，一般141 m，属Ⅲ类不易自燃煤层。工作面回风巷侧采用沿空留巷布置方式，与31004采空区相邻。31006工作面采用U型通风方式，工作面设计通风量为820 m3/min，推进速度为5～6 m/d，已推进 71 m。

31004采空区位于三采区中部，在30704、30706、30708采空区正下方，工作面沿倾向布置。工作面西起于31004回风巷，东止于31004运输巷，走向宽为217.8 m、105.8 m，平均161.8 m；南起于31004开切眼，北止于31004工作面设计终采线，工作面上限标高为+1 220.6 m，下限标高为+986.8 m，工作面平均倾斜长983.9 m，平均面积为167 376 m2。相关工作面布置如图1所示。

1.2 漏风测定

根据31006工作面通风设置，结合目前CO从31006工作面回风巷下650 m处喷浆缝隙中漏出量分析，选取7个点(编号1#～7#)作为风量测试点，判定31004采空区各段漏风量。测点布置见图1。

图1 31006工作面布置示意图

风量、CO体积分数、瓦斯浓度(CH4体积分数)实测结果平均值见表1。

表1 31006工作面各测点实测结果平均值

注：风量数据为2019年6月1日至5日5 d实测风量的平均值。

各测点风量及CO、瓦斯浓度如图2～3所示，从31006工作面回风巷工作面往下800 m左右处的 4#测号点至7#测点，风量由758 m3/min升高到842 m3/min，增加漏风量为84 m3/min。因此从通风方式及漏风点分析，31004采空区漏风区域多在回风隅角及下部孔隙。从4#测点开始，CO、CH4体积分数均出现明显升高，这进一步表明随着气流流动，31004采空区内气体运移规律为由上部联络巷位置向31006工作面回风巷下部运移。到达31006工作面回风巷下部800 m左右时，由于墙体喷浆不均，存在一定的孔隙结构，气体在孔隙中渗流，造成31006工作面回风巷下部CO浓度偏高，同时导致瓦斯超限。CO体积分数最高可达0.007%，说明31004采空区中存在煤体氧化、煤自燃危险。

图2 各测点风量及CO体积分数

图3 各测点风量及瓦斯浓度

2 SF6示踪气体检测

为进一步验证31004采空区漏风来源，为CO治理提供相关依据，防控煤自燃危险，采用SF6示踪法对采空区漏风通道进行检测。

2.1 示踪原理

SF6是一种无色无味、无毒、无腐蚀性的气体，且不具有燃爆性，密度为6.1 kg/m3，极难溶于水且不易稀释和扩散，在空气中含量极少。基于其特殊的物化性质，SF6已经被广泛应用于矿井漏风通道检测中[14]。

在判定选取相应的释放点后，定量释放SF6，并采用AR5750B型SF6接收仪开始实时监测气体浓度变化等级。通过测算接收时间和接收距离，得到采空区漏风风速及其漏风通道的判定依据。

2.2 示踪过程

预判于31004开切眼联络巷、30704开切眼处、上覆7#煤层采空区联络巷、31004工作面回风巷侧密闭位置释放接收SF6气体。以1 L/min的速度分别在3个点持续释放10 min。并于气体释放10 min后，开启SF6示踪检测仪，放置于31006工作面回风巷检测孔内，实时监测SF6气体浓度情况，并记录气体浓度等级变化数据。

2.3 示踪结果分析

在31004工作面回风巷侧密闭墙内释放SF6，于工作面运输巷侧瓦斯监测孔处接收数据，此两点距离差为106 m，释放和接收时间差为83 min。可以得到这一区域范围内采空区漏风风速为1.27 m/min。说明在31004工作面回风巷侧密闭存在漏风通道，在31004开切眼联络巷位置释放SF6，于96 min后在31006工作面回风巷下接收到，于134 min后在回风大巷接收到。结合巷道进风量与回风量的差值分析，说明31004采空区整体漏风情况为：31004开切眼联络巷、30704开切眼、31004工作面回风巷侧密闭等地点均存在不同程度的漏风。风流经31004开切眼联络巷密闭墙、30704开切眼密闭进入采空区。因31004工作面运输巷为沿空留巷布置，存在风压不均，气流经采空区后，其中一部分从7#煤层间孔隙中流往上部采空区，另一部分由采空区往下渗流，最后从沿空留巷墙体中缓慢漏出，并与31004终采线附近的煤柱发生缓慢氧化反应，造成该处CO气体体积分数超标。最后风流经31006工作面回风巷流往回风大巷。SF6测定结果见表2。

表2 SF6测定结果

计算结果表明，31004上部采空区漏风情况严重，风速大。当风流进入采空区后，由于采空区内部空间较大，风速逐渐减弱。根据从31004工作面运输巷两侧的释放接收数据分析，由于31004工作面回风巷侧目前为实体墙，不存在通风情况，故而风速较慢，因此判定31004采空区内左右漏风情况较小，整体风流情况为由上至下，且向31006工作面回风巷侧偏移。造成目前漏风情况严重的原因主要为31004开切眼联络巷密闭位置目前为三采区主要进风区域，风量大，同时加上密闭墙体厚度较小，无法起到较好的防漏风效果。另外，31004采煤工作面及目前正在开采的31006工作面在开采期间都对上覆7#煤层采空区造成了不同程度的扰动，加之煤层间距过小，极易形成漏风通道，从而形成了目前31004采空区的漏风通道，导致了漏风量过大，氧气与预留煤柱发生氧化反应，造成CO体积分数偏高。

3 治理措施

根据漏风源及风量判定，结合现场实际，对31004采空区采取相应防控措施，以降低漏风量及CO浓度。

3.1 治理建议及措施

1)加大密闭管理力度，对重点密闭墙位置增加1道密闭墙，并采用1+8+1修建密闭墙(即前后1 m厚墙体中间充填8 m厚粉煤灰)，形成双重密闭保护，减小31004开切眼联络巷位置的漏风量；采用挡风板，引导风向，避免风流与密闭墙形成垂直吹射，减少进风量。

2)对31004采空区沿空留巷壁面进行二次风筒网喷浆，对顶板和底板存在的较大孔隙处进行重点喷浆，堵截漏风，确保孔隙中的瓦斯和CO涌出量减少。

3)对煤柱位置进行重点观测，及时监测煤体氧化程度，对该区域的漏风情况进行重点控制，减小煤体氧化程度，将CO体积分数控制在0.001 5%以下；加强采空区内气体监测，如出现异常数值的情况，应立即采取措施；保证通风负压稳定，将CO控制在31004采空区内；避免将采空区内气体释放到31006工作面回风巷中，消除安全隐患。

4)采取注水注氮措施，降低采空区煤自燃温度，并惰化区域内氧气，减少煤体氧化程度，从而达到控制CO涌出量的目的。

3.2 治理效果分析

对31004沿空留巷壁面进行二次喷浆后，墙体孔隙明显减小，瓦斯及CO涌出量均下降，漏风情况得到有效控制。31004采空区为倾斜布置，存在高低落差，水流具有天然优势。选择从31004开切眼联络巷位置连续注水3 d。监测数据表明，CO体积分数明显下降，仅为0.000 5%～0.000 9%。说明注水效果较好，对采空区煤体起到了降温的作用，有效抑制了煤体自燃进一步发展。

图4 CO体积分数变化图

4 结论

1)贵州发耳煤矿31004采空区漏风通道为：由31004开切眼联络巷密闭、30704开切眼密闭进入，一部分经上下漏风通道流往上覆采空区，另一部分继续往下流向31004采空区下部，再从喷浆墙体涌出后到达31006回风巷，最后流入回风大巷。并在遗留煤柱位置与煤柱发生氧化反应，产生CO，汇同气流一起涌出；漏风主要来源于31004开切眼联络巷密闭墙缝隙。

2)煤柱位置为重点防控区域，重点加强该区域指标气体监测，确保采空区煤自燃氧化程度低；同时采用注水措施降低了采空区内温度，CO体积分数由原来的0.007%降低到0.000 5%，阻止了煤体进一步升温。

3)根据漏风规律及CO气体超限区域分析，制订了CO治理措施，保证了31006工作面的安全开采。