SF6示踪气体漏风测试技术在斜沟煤矿的应用

边小峰

(山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿， 山西 吕梁 033602)

大采高综采机械化采煤技术是一种高产高效的开采技术，回采率高，采空区丢煤少，但采场围岩破坏范围大，顶板难以管理，且不利于采空区瓦斯、遗煤自燃治理。尤其对于瓦斯与火双重隐患共存的工作面，由于覆岩垮落高度大，造成采空区孔隙率高，漏风强度大，使遗煤氧化供氧充足，不利于采空区火灾防治。

目前，示踪气体测定法已经成为一种成熟的矿井漏风测定技术，在国内外得到长期广泛应用，具有较强的适用性与可靠性。示踪技术就是选择具有一定特性的气体作为标准气体，利用风流或漏风作载气，在压能较高的漏风源释放，在其可能出现的漏风出口采集并分析气体，以根据分析结果判断漏风通道，计算漏风风速、风量。SF6作为示踪气体，在大气及矿井环境中的本原含量极低，且具有化学性质稳定、扩散性较好、不溶于水、无沉降、不凝结、不为井下物料表面吸附、检出灵敏度高等特点，是一种非常理想的示踪气体[1-2].

利用SF6示踪气体方法对斜沟煤矿18503工作面采空区漏风风速进行测试，结合FLUENT软件模拟采空区漏风深度，最终形成采空区漏风规律，对该工作面堵漏控风等防灭火工作进行指导。

1 工作面概况

斜沟煤矿18503回采工作面开采15#煤层，煤层厚度4.53～6.00 m，平均厚度5.5 m，煤层倾角2°～14°，平均倾角8°，工作面标高为+860～+936 m，进回风巷道长1 113 m，工作面长220 m，工作面采用“一进一回”U型通风方式，工作面配风量约为2 100 m3/min. 工作面北东侧为井田边界煤柱；南东、北西侧均为实煤体；西南侧与15采区胶带巷、轨道巷、回风下山巷相邻。井田内15#煤层为Ⅱ级自燃煤层，最短自然发火期35 d. 工作面采用单一走向长壁采煤法，综合机械化采煤，一次性采全高，全部跨落法管理顶板。

2 综采工作面采空区漏风规律现场测试

2.1 测试原理及步骤

采用SF6示踪气体方法测试综采工作面采空区漏风规律，采用由中国矿业大学自主设计研发的SF6释放装置，见图1，通过现场取气，由CSH1000型煤矿用SF6测定仪测试气体SF6浓度。

图1 SF6释放装置示意图

18503工作面采空区属于一源一汇的漏风方式，采用稳定连续释放法测试该工作面漏风量。测定开始后开始释放SF6气体，气体采样点处的采气人员以秒表计时，每隔一定时间采气一次，采气结束后妥善保管气样，带至地面分析计算，采空区漏风风速按式(1)计算：

(1)

式中：

v—采空区漏风风速，m/s；

L—流线长度，m，取工作面长度220；

n—采样序数，共采样13次，取其为1～13；

t—采样间隔时间，s.

2.2 现场测试方案实施

根据工作面实际情况制定具体的测试方案：

1) 进风巷端头支架与采空区交界处设置为SF6释放位置，回风巷端头支架与采空区交界处设置为SF6气体采集位置，SF6释放点、取样点布置图见图2. SF6释放点、取样点应布置在采空区一定深度位置，防止SF6气体直接通过分子扩散方式运移至工作面。

图2 回采工作面SF6释放点与取样点布置图

2) 设置气体采样时间间隔，SF6气体释放时间预设为10 min，为了防止SF6气体运移至采样点时未采集到SF6示踪气体，首次采集气样时间为释放SF6后5 min，第二次亦为5 min，之后以10 min间隔进行气体采集。

3) 由于生产时采煤支架工序会影响测试工作,因此，测定选择在2019年5月20日检修期间进行，当日16:30释放SF6气体，18:30结束气体采样。

2.3 测定结果与分析

为了避免测试失误，采用现场读数与地面分析两种方法分析现场采集气样，测试结果见表1. 本次测试中有4次检测出SF6气体，将4次采集气样的SF6气体浓度值绘制成折线图，见图3，4次监测出SF6的采样气体中SF6浓度随采样时间呈现减速下降趋势变化，一定量的SF6释放进入采空区，大部分SF6随浅部漏风流涌出快速到上隅角区域，剩余少部分SF6随漏风进入采空区深部，经历较长时间才能涌出到上隅角区域，与实测结果吻合，同时减速下降趋势变化说明了采空区漏风风速随采空区深度增大呈现加速降低趋势。

表1 采空区漏风测试过程中SF6气体浓度测试结果表

图3 SF6气体浓度随采样时间变化情况图

将表1中检测到的SF6气体采样时间带入式(1)计算得到相应的漏风风速，见表2. 计算结果表明,该工作面采空区漏风风速为0.04～0.2 m/s.

表2 采空区漏风风速测试结果表

3 综采工作面采空区漏风规律数值模拟

采用SF6示踪气体法只能够测试采空区漏风风速，无法测试得到采空区漏风深度。因此，在上述研究的基础上运用FLUENT流体动力学计算软件对该工作面采空区漏风流场进行模拟计算，获得采空区漏风深度。

3.1 数值模拟模型构建

基于工作面和采空区实际情况进行适当简化构建几何模型，进、回风巷道断面为5.5 m×3.6 m，长15 m，工作面断面为6 m×3.6 m，长220 m，采空区尺寸为220 m×300 m×3.6 m. 采空区近似为多孔介质区域，采空区渗透率参数用Carman-Konzeny公式计算，通过UDF函数编写采空区内部渗透率分布函数，并导入计算模型中，进风巷入口风量为实际工作面配风量，回采工作面内空气为湍流流动，采空区内空气为层流流动，服从达西定律。

3.2 模拟结果及分析

采空区气压场分布模拟结果见图4，采空区风速场分布模拟结果见图5. 根据现场测试采空区漏风风速范围确定采空区漏风深度，由图5可得，采空区内风速等值线呈现U型形状，工作面采空区进风巷一侧漏风风速大小及漏风深度明显大于采空区回风巷一侧，说明进风隅角漏风强度大于回风隅角漏风强度。

图4 采空区风压分布情况图

图5 采空区风速分布情况图

基于数值模拟结果，以工作面中间位置为原点，以工作面推进反方向为坐标轴方向，根据采空区漏风风速确定所对应的采空区漏风深度采空区内0.04 m/s风速等值线距离工作面为13.55 m，采空区内0.044 m/s风速等值线距离工作面约为12.34 m，采空区内0.057 m/s风速等值线距离工作面约为9.25 m，采空区内0.200 m/s风速等值线距离工作面约为3.52 m，紧挨工作面支架尾部，采空区主要漏风风速区间[0.04 m/s，0.2 m/s]所对应的采空区漏风深度区间为[3.52 m，13.55 m].

采用数值分析方法对采空区漏风深度与漏风风速之间关系进行非线性拟合(图6)，拟合得到以采空区漏风风速为自变量的采空区漏风深度计算公式，该函数为负幂函数形式，由该函数可得采空区漏风风速随采空区深度增大呈现加速降低趋势，这一结果与SF6示踪气体测试结果一致。

图6 采空区漏风风速与采空区漏风深度拟合曲线图

4 结 论

1) 利用SF6示踪气体方法对斜沟煤矿18503工作面采空区漏风风速进行现场测定，实测得到该工作面采空区漏风风速在0.04～0.2 m/s，SF6浓度随采样时间增加呈现出下降趋势，说明采空区漏风风速随采空区深度增大呈现加速下降趋势。

2) 由数值模拟结果得到，采空区主要漏风风速区间为[0.04 m/s，0.2 m/s]，其所对应的采空区漏风深度区间为[3.52 m，13.55 m]；工作面采空区漏风风速与采空区漏风深度之间为负幂函数关系，现场实测与数值模拟结果基本吻合。

3) 对比分析采空区漏风实测结果与模拟结果发现，在实际生产中可对工作面进回风隅角采取有效封堵措施以降低采空区漏风。