近距离煤层复杂采空区漏风规律及防控技术研究

万 磊，孙茂如，赵吉诚，蔡涤标，马守龙(中煤新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232000)

煤层自燃是矿井生产灾害之一，造成资源浪费的同时，也具有严重的安全隐患[1-3]。采空区漏风是产生煤层自燃的主要原因[4-5]，在近距离煤层开采的情况下，煤岩裂隙发育[6-7]，采空区漏风情况严重，更易造成采空区煤自燃。掌握采空区漏风规律可以提前采取措施，降低近距离煤层复杂采空区煤自燃的可能性。

目前众多学者对近距离煤层群采空区漏风规律进行了大量研究，其中，SF6示踪法被大量应用于近距离煤层群采空区漏风规律的研究，张立国[8]结合理论分析、数值模拟、现场实践研究了近距离煤层群复合采空区漏风规律；张绪林等[9]利用SF6示踪气体连续定量释放法定量研究并掌握了许疃煤矿7228工作面及回采巷道漏风规律，提出了解决方法；王超群等[10]采用SF6示踪法、重点区域指标气体数据分析法研究了发耳煤矿采空区漏风规律、防治方法；叶庆树等[11]采用SF6示踪气体定性测定法总结出不同间距近距离煤层漏风规律；郭海相[12]利用SF6示踪气体检测技术对不同的深度、层间距、通风方式及周边采空区情况进行漏风测定，总结出神东矿区漏风规律。

上述研究虽然取得了一定的效果，但是研究手段较为单一，且主要通过预判选择示踪气体释放地点，风源的选择也大多来自于经验，主观性强，精确度难以保证。对于近距离煤层复杂采空区，漏风路线多，采用单一的研究和防控手段已无法满足目前的防控要求。本文以新集二矿2201工作面采区为工程背景，采用压差测定、能位测定、气体分析以及双元示踪气体技术相结合的方法，揭示了新集二矿2201工作面采区的漏风规律，并提出了针对性的综合防控技术，取得了有效的漏风防控效果，保障了2201工作面采区的安全高效开采。

1 工程概况

新集二矿2201工作面采区分为1上煤层和1煤层上下两层开采，1上煤层上覆为中厚层状砂岩坚硬顶板，矸石胶结困难，2201工作面采区工作面布置如图1所示。1上煤层存在220116工作面、220112工作面、220108工作面、220106工作面和220102工作面共5个工作面，其中，220116工作面、220112工作面已开采，220108工作面与1煤层首采工作面220115工作面(位于220116工作面采空区下方)同时开采，220106工作面、220102工作面为待开采工作面。1煤层与1上煤层间夹矸均厚1.1 m，两煤层属于近距离煤层群开采。在220115工作面掘进回采时，机风巷及采空区与1上煤层采空区接近或直接连通，再生顶板完整性差、透气性强，采空区的多通道漏风和上部采空区漏风难以控制，在采空区内不同区域出现了高温及CO超限现象。

图1 2201工作面采区布置示意图Fig.1 Layout of 2201 working face mining area

2 现场漏风规律分析

工作面采动后，在矿山压力的作用下，采空区密闭墙的衍生裂隙将采空区与回采巷道贯通，导致漏风防治困难。受采空区群密闭墙和巷道数量以及示踪气体种类的限制，无法利用示踪技术研判全部地点。因此，为保证漏风规律分析、风流示踪的准确性，首先需通过压差和能位测定分析确定采空区群漏风源。

2.1 压差和能位测定

主通风机产生通风动力对空气做功，形成能位差，促使空气流动，其值是静压差、动压差和位能差之和，其中动压差见式(1)。

(1)

式中：ρi、ρi+1分别为i、i+1点的空气密度，kg/m3；vi、vi+1分别为i、i+1点的风速，m/s。静压差按式(2)计算。

(2)

hz(i,i+1)=9.81×ρm(Zi-Zi+1)

(3)

式中，Zi、Zi+1分别为测段上下两测点的标高，m。

采用气压计逐点测定2201工作面采区的能位，按照测点测定和式(1)～式(3)计算得到部分结果见表1。

由表1可知，220115工作面运输巷道是本次测试中发现的能位最高点，220115工作面回风巷道是本次测试中发现的能位次高点，这两个地点有可能是漏风源。在220108工作面回风巷道、220108工作面底板巷、220112工作面回风巷道密闭墙、220112工作面高抽巷密闭墙、220116工作面回风巷道密闭墙、220116工作面运输巷道密闭墙能位较低，均可能是漏风汇。具体的漏风源和漏风汇判定还需要结合观测孔的内外压差及其变化，观测孔内外的气体浓度变化等综合因素进行判定。

2.2 漏风源、漏风汇判定

根据观测孔外的能位高低、孔内氧气浓度高低、孔内外压差大小、孔内外压差在上午、下午的偏差，结合观测孔内外的气体浓度气相色谱分析，可得2201工作面采区观测点漏风源、汇判定参数统计结果见表2。

由表2可知，测试得到下午观测孔内外压差均大于上午内外压差，说明观测点处观测孔内的采空区气压改变存在一定的滞后性。220115工作面运输巷道3#观测点、220115工作面回风巷道2#观测点，220112工作面运输巷道密闭墙是2201工作面采区的漏风源。而220108工作面底板巷密闭墙、220116工作面回风巷道密闭墙、220116工作面运输巷道密闭墙、220112工作面回风巷道密闭墙和220112工作面高抽巷密闭墙是漏风汇。

表1 压差能位测定结果Table 1 Measurement results of differential pressure energy level

表2 2201工作面采区观测点处漏风源、汇判定统计表Table 2 Statistical table for determination of air leakage source and sink at observation points in 2201 working face mining area

2.3 双元示踪气体测定

为进一步研究采区漏风规律，在得到采空区群漏风源、汇的基础上，采用SF6与CF2ClBr(1211)双元示踪气体技术进一步分析采空区流场及漏风通道以归纳采空区群的复杂漏风网络体系。

根据能位测试结果，结合现场考察与理论分析，选择在220115工作面运输巷道和回风巷道分别通过钻孔释放SF6气体和1211气体，钻孔的终孔位置为220116工作面采空区。示踪气体释放过程依据方案实施，220115工作面运输巷道钻孔释放SF6的时间为15:27～15:47，共释放20 min，释放后压风3 min。220115工作面回风巷道钻孔释放1211气体的时间为17:04～17:31，释放后压风5 min。

释放地点和采样地点具体布置如图2所示。由图2可知，共设置2个释放点，在220115工作面运输巷道打穿层钻孔，钻孔的终点为220116工作面采空区，从钻孔释放SF6气体，在220115工作面回风巷道打穿层钻孔，钻孔的终点为220116工作面采空区，从钻孔释放1211气体。共设置8个采样点。

采样结果汇总见表3。11#、12#、13#、14#、15#等5个地点气样均未检测到示踪气体，21#、31#、32#等3个地点检测到SF6气体和1211气体。

图2 采样点和释放点布置示意图Fig.2 Schematic diagram of sampling point and release point layout

表3 分析结果汇总表Table 3 Summary of analysis results

由表3可知，在220108工作面底板巷检测到来自220115工作面运输巷道钻孔内的SF6气体及220115工作面回风巷道钻孔内的1211气体，说明1上煤层220116工作面、220112工作面与220108工作面之间的采空区相互连通；由于220108工作面底板巷抽采的强负压作用，风流集中流向220108工作面底板巷，形成“短路”效应，释放的SF6气体和1211气体随风流自220108工作面底板巷流出，造成220108工作面回风巷道、220108工作面上隅角抽采管路、220108工作面钻孔抽采管路、220112工作面回风巷道密闭墙、220112工作面高抽巷密闭墙未检测到气体；220116工作面运输巷道密闭墙与220116工作面回风巷道密闭墙均检测到SF6气体与1211气体。220116工作面回风巷道密闭墙检测到的SF6气体有随时间逐渐增大的趋势，这说明在采空区漏风流场作用下，自220115工作面运输巷道钻孔释放的SF6气体随着采空区风流逐渐积聚在220116工作面回风巷道密闭墙内。而220116工作面运输巷道密闭墙检测到的1211气体浓度变化较为均匀，未出现积聚现象，可判断220116工作面运输巷道密闭墙的1211气体为220115工作面回风巷道钻孔释放气体的扩散作用导致。

根据示踪气体分析结果，1上煤层220116工作面采空区、220112工作面采空区与220108工作面采空区相互连通，因此，当220115工作面与220108工作面上下同采时，各采空区形成漏风通道。220115工作面的新鲜风流流入采空区时，部分风流由回风巷道流出，还有部分风流会沿着漏风通道，流经220116工作面采空区、220112工作面采空区及220108工作面采空区，进入220108工作面底板巷，而220108工作面新鲜风流流入采空区后，由220108工作面底板巷和220108工作面回风巷道流出，整个采区形成“多源多汇”的采空区流场如图3所示。

由图3可知，2201工作面采区共有4条漏风路线。风流1(路线1)自220116工作面运输巷道和回风巷道、220112工作面运输回风巷道密闭墙及围岩(煤)裂隙进入1上煤层老空区，从220115工作面回风巷道顶帮裂隙、220108工作面采空区上隅角流入总回风巷。风流2(路线2)自220115工作面运输巷道顶帮裂隙进入1上煤层老空区，从220116工作面回风巷道、220112工作面运输和回风巷道密闭墙及围岩(煤)裂隙、220108工作面风巷流入总回风巷。风流3(路线3)自220115工作面进入本煤层采空区、1上煤层老空区，从220115工作面回风巷道顶帮裂隙、220116工作面回风巷道、220112工作面运输回风巷道密闭墙及围岩(煤)裂隙、220108工作面回风巷道流入总回风巷。风流4(路线4)自220108工作面进入本煤层采空区，由220108工作面采空区上隅角流入总回风巷。

图3 采区流场立体示意图Fig.3 Three dimensional diagram of flow field in mining area

3 综合立体漏风治理技术

根据风源、风汇分析和双元示踪气体技术得出的2201工作面采区立体漏风分布规律，针对新集二矿1煤层开采漏风防控难题，提出2201工作面采区“喷注+密封圈二次堵漏+两道两线隔断”综合立体漏风防治技术，包括传统堵漏技术，如喷浆技术和注浆技术，以及在此基础之上增加的水泥密封圈二次堵漏技术和“两道两线”隔断技术，以降低2201工作面采区漏风量，有效控制2201工作面采区采(老)空区CO浓度、O2浓度。

3.1 喷浆、注浆技术

喷浆技术的作用在于密闭墙、巷道的缝隙在高速射入混凝土的黏结作用下被封堵，有效防止了漏风。同时，具有一定柔性的喷层可与围岩产生径向位移，形成非弹性变形区，防止围岩产生裂隙。注浆技术可改善围岩的力学性能及完整性结构，封堵裂隙。

3.2 水泥密封圈二次堵漏技术

受条件制约，巷道喷浆难免存在小的空洞或喷浆盲点，同时2201工作面采区采用“U”棚支护，其凹槽无法充实，均易形成漏风通道，对老空区产生不利影响。为弥补喷浆措施的不足，2201工作面采区实施水泥密封圈二次堵漏技术，如图4所示。

图4 密封圈示意图Fig.4 Schematic diagram of sealing ring

该技术的原理为，向巷道顶帮灌注水泥浆，凝固后在巷道浆体外壳和顶帮煤岩间形成水泥密封圈，达到封闭围岩、阻断漏风点的效果。注浆设备采用ZBY317-11型煤矿用液压注浆泵。注浆采用单液水泥浆，水灰比为1∶0.7～1∶1.0，裂隙较大时，则提高浆液的浓度。

3.3 “两道两线”隔断技术

在2201工作面采区掘进巷道或其他合适位置施工措施钻孔，通过措施钻孔向“两道两线”灌注水泥、粉煤灰或其他充填材料形成隔断带，充填量原则上以注不进去为止。隔断示意图如图5所示。充填材料必须满足阻燃、抗静电、安全性及环保性要求，并要制定安全监测制度和安全防护措施。

4 漏风防控效果分析

2201工作面采区运用上述“喷注+密封圈二次堵漏+两道两线隔断”综合立体漏风防治技术后，220115工作面在掘进期间，监测回风巷道、运输巷道上覆老空区CO浓度及O2浓度，监测结果如图6和图7所示。数据表明，回采巷道掘进期间，回风巷道上覆老空区的CO浓度基本上为0，最大浓度不超过5 ppm，O2浓度一半时间维持在20%左右，一半时间明显低于20%；运输巷道上覆老空区的CO浓度一直为0，O2浓度有较大波动，基本维持在10%左右，CO浓度、O2浓度均在正常范围之内，说明“喷、注、隔”立体漏风防治技术有效地防止了2201工作面采区漏风，降低了2201工作面采区采(老)空区自燃的可能。

图5 “两道两线”隔断示意图Fig.5 Schematic diagram of “two roads andtwo lines” partition

图6 220115工作面回风巷道上覆老空区CO浓度、O2浓度Fig.6 CO and O2 concentration of old goaf overlyingreturn air roadway of 220115 working face

图7 220115工作面运输巷道上覆老空区CO浓度、O2浓度Fig.7 CO and O2 concentration of old goaf overlyingtransportation roadway of 220115 working face

5 结 论

1) 综合分析新集二矿2201工作面采区风源为220115工作面运输回风巷道、220112工作面运输巷道，220108工作面底板巷密闭墙、220116工作面回风巷道密闭墙、220116工作面运输巷道密闭墙220112工作面回风巷道密闭墙和220112工作面高抽巷密闭墙是漏风汇，精确判定了2201工作面采区四条风流路线，分析了复杂采空区漏风规律。

2) 提出了“喷注+密封圈二次堵漏+两道两线隔断”的综合立体漏风防控技术，包括传统堵漏技术，如喷浆技术、注浆技术，以及在此基础之上增加水泥密封圈二次堵漏技术和“两道两线”隔断技术，弥补了传统堵漏技术中，喷浆技术的不足，增强了漏风防治效果。

3) 将“喷注+密封圈二次堵漏+两道两线隔断”的综合立体漏风防控技术运用于2201工作面采区，使得2201工作面采区上覆老空区CO浓度基本上为0，O2浓度大部分时间在20%左右，有效地控制了2201工作面采区漏风，降低了2201工作面采区采(老)空区自燃的可能性，保障了2201工作面采区的安全生产。