季节对浅埋深厚煤层采空区垂直漏风的影响研究

毕建乙

(山西临汾西山生辉煤业有限公司,山西 临汾 041000)

浅埋煤层综放面回采之后,上覆岩层在采动破坏作用下,覆岩遭到严重破坏,产生大量裂隙裂缝,通过这些裂隙裂缝地表和井下采空区连通在一起,地表存在大量的垂直漏风[1-3]。因综放面回采率相对较低,采空区存在一定的遗煤,如果地表漏风严重,就会为采空区提供大量的氧气[4-5],导致采空区氧气体积分数不断增大、热量积聚,引发采空区遗煤自然发火,严重影响工作面的安全生产[6]。因此研究浅埋深工作面对应地表的漏风规律,减少采空区漏风,将会有效保障矿井的安全生产[7-8]。

为了研究地表漏风规律,科研人员通过数值模拟和示踪气体进行了大量的研究工作[9]。史默等[10]在文家坡煤矿4105工作面利用SF6示踪法和COMSOL数值模拟的方法对采空区漏风通道和采空区瓦斯运移规律进行研究,发现封堵采空区时需要在进、回风隅角同时封堵,彻底阻断漏风通道,降低采空区漏风。刘思鑫等[11]在青龙煤矿11808孤岛面利用SF6示踪法研究采空区及相邻采空区的漏风情况,获得孤岛面采空区的漏风分布规律,为防止遗煤自燃提供依据。张岱岳等[12]在上湾煤矿利用SF6示踪气体和Fluent数值模拟研究22104采空区漏风通道和采空区气体运移规律,得到回风隅角缺氧的根源,并实施局部均压通风解决回风隅角缺氧难题。管隆刚等[13]在小保当一号煤矿112207工作面利用SF6示踪气体检漏技术研究地表漏风规律,结合获得研究结果采取有效的抑制漏风措施,减小采空区的外部漏风。

目前科研人员只是单一在一个季节研究地表漏风规律,未对不同季节期间的地表漏风规律进行研究。但是季节变化期间,地表的温度、压强发生一系列的变化,地表漏风增大,引发工作面发生“呼吸效应”[14-15],自然发火危险增加。所以,本文在山西焦煤西山煤电生辉煤业20100工作面开展试验,研究季节变化期间,地表漏风与温度、压强、气体释放点及工作面开采速度的关系,同时提出针对性的漏风防治措施,为矿井治理采空区自然发火奠定基础。

1 工作面基本情况

山西焦煤西山煤电生辉煤业井田面积为9.844 9 km2,生产规模为9×105t/a,批采煤层为9+10+11号煤层。20100工作面位于一采区西部,开切眼长为176 m,可采长度为603 m,工作面总面积为135 702 m2,可采储量约为150.86万吨,服务年限为1.68 a.工作面标高为+940～+1 020 m,地面标高为+1 077～+1 332 m,煤层埋深为137～312 m.工作面开采9+10+11号煤层,煤层厚度平均约为6.5 m,煤层倾角为3°～15°.裂隙发育,条带状结构,层状、块状构造,局部夹有黄铁矿结核,含2～7层夹矸,层位稳定,厚度变化不大,顶板为石灰岩,底板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩,为稳定可采煤层。

20100工作面以北为赵家梁村庄保护煤柱,以南为一采区回风巷,以西为20102工作面采空区,以东为一采区20110工作面,以南为实体煤。

9+10+11号煤层具有爆炸危险性,煤的自燃等级为Ⅱ级,属于自燃煤层。煤层无冲击地压危害。矿井绝对瓦斯涌出量为2.27 m3/min,相对瓦斯涌出量为1.08 m3/t,矿井为低瓦斯矿井,属地温地压正常区。工作面布置如图1所示。

图1 工作面巷道布置情况

因9+10+11号煤层埋深小,工作面回采后导致覆岩垮落塌陷,所形成的裂缝裂隙与地表沟通,产生大量的漏风通道。通过对地表进行巡查发现,地表产生大量的裂隙裂缝,其沿工作面走向、倾向、十字交叉分布情况如图2所示。

图2 地表裂缝裂隙情况

2 季节不同时地表漏风测定

2.1 测试过程

选择4个不一样的季节现场测试20100采空区对应地表的漏风情况。因矿井通风方式选择抽出式,漏风方向由地表裂隙到采空区。通过SF6气体示踪法测定地表漏风情况,即人员在地表释放SF6气体,另一个人在回风隅角检测气体,所用仪器为漏风阻力测定仪、便携式SF6气体检测仪。具体测试过程:

1) 在地面安排2个人,1人负责记录气体释放地点的温度、压强及气体释放、停止时间,另一个人负责释放SF6气体,具体释放气体时间等待调度通知。

2) 在工作面回风隅角安排1人,人员到岗后向调度汇报,调度通知地面负责气体释放的人员,在预先确定好的释放点处向地表裂缝裂隙释放SF6气体,地面人员记录好气体释放、停止时间。

3) 完成地面SF6气体释放工作后,回风隅角处人员立即通过便携式SF6气体检测仪测定气体,同时地面和回风隅角人员将地表和回风隅角的温度、压强记录好。

2.2 示踪气体测漏风原理

因天然岩石内不含有SF6气体,加之SF6气体的可测性和稳定性较强,属于良好的气体示踪剂,可广泛地应用于各行各业。通过在地表释放SF6气体以检测地表漏风情况,如果地表裂隙漏风,那么SF6气体可沿着漏风通道进入井下,这样就可以在回风隅角测定到。如果地表无漏风,那么井下采煤工作面两巷无法测定到SF6气体。结合在地表释放SF6气体的时间、回风隅角测定出SF6气体的时间以及气体释放点和回风隅角的距离,以核算出漏风速率。因漏风风流沿着裂隙通道由地表进入到采空区时存在不规则性,可利用气体释放点到回风隅角的距离范围来计算漏风速率的大小。

(1)

(2)

式中:Vmax为最大漏风速率,m/min;L为气体释放点距工作面的水平距离,m;Hd为地表气体释放点的标高,m;Hj为井下气体接受点的标高,m;t为气体由释放至停止的时间差,min;Vmin为最小漏风速率,m/min.

2.3 设置释放气体点

选择季节不同时期现场考察及调研采煤工作面的地表塌陷区变化情况,根据地表裂缝裂隙发育情况,SF6气体释放地点挑选与采煤面进回风巷沟通较顺畅、漏风量较大及因周期来压致使裂隙发育良好的区域,控制释放SF6气体的体积为34 L.因20100工作面西侧为20102采空区,20102工作面回采完成后,采动破坏所引起的地表裂缝裂隙连通20100工作面,因此确定地面SF6气体释放地点时,需要研判20100和20102工作面的地表裂缝裂隙漏风大小。在气体释放处提前做好记号,同时将4个季节释放气体的地点坐标位置记录好。图3为20100工作面地表SF6气体释放位置的平面图,春、夏、秋、冬4个季节SF6气体释放区域分别为B1—B6、C1—C6、D1—D5、A1—A6.

图3 释放SF6气体区域

3 现场测试结果分析

3.1 示踪气体结果

图4为季节变化期间工作面对应地表和采空区的温度变化情况。

图4 不同季节时工作面地表和采空区温度对比

从图4发现:夏天时,工作面对应地表的温度与采空区温度差值最小,仅为1.0 ℃;冬天时,工作面对应地表的温度与采空区的温度差值最大,采空区温度都超过20 ℃,而地表处于0 ℃以下,二者温度的最大差值达到38.1 ℃.

图5为季节变化期间工作面对应地表和采空区的大气压强变化情况。

图5 不同季节时井上下压强变化规律

从图5发现:春秋两季的工作面对应地表的气压与采空区气压的差值几乎相同,呈现相同的变化规律;冬天时,工作面对应地表的气压与采空区气压的差值比其他3个季节大,冬天释放SF6气体6个区域中工作面对应地表的气压与采空区气压的最大压差为41.68 hPa;夏天时,工作面对应地表的气压与采空区气压的差值比其他3个季节小,夏天释放SF6气体6个区域中工作面对应地表的气压与采空区气压的最大压差为21.95 hPa.

从图4、图5发现,夏天时,采空区对应地表的温度、气压与井下采空区的温度、气压之间的差值小于冬天,原因是季节变化时,由于自然因素对地表产生较大影响,地面温度和气压发生较大的波动,但工作面采空区为半封闭区域,气压和温度变化较小,因此季节变化时采空区和对应的地表温度和气压二者之间的差值具有显著的差异性。

利用公式(1)和公式(2),对季节变化时的漏风速率进行计算,具体如图6所示。从图6发现,在地表23个地点释放SF6气体,其中仅有2个释放点没有检验出漏风,其他21个地点的检验出地表存在明显的漏风,且漏风率高达91.3%.

图6 不同季节时漏风速率变化情况

因为季节变化导致采空区和对应的地表二者温度、气压之间产生较大的差值,所形成的漏风速率也存在显著差异。春天、夏天、秋天3个季节的漏风速率均比冬天小,春、秋两季时的漏风速率变化规律大致相同,差异性不明显;夏天时地表具有较小的漏风速率,最大漏风速率波动区间为5.819～8.116 m/min,最大漏风速率平均值为6.923 m/min,最小漏风速率波动区间为4.167～5.884 m/min,最小漏风速率平均值为4.973 m/min;冬天的最大漏风速率波动区间为6.021～9.678 m/min,最大漏风速率平均值为8.294 m/min,最小漏风速率波动区间为4.297～6.863 m/min,最小漏风速率平均值为5.958 m/min.

图7为季节变化时漏风速率与气体释放点距工作面距离之间的变化规律。从图7发现:释放气体的位置与工作面距离较大时,漏风速率较小;释放气体的位置与工作面距离较小时,漏风速率较大。原因是与工作面距离较大的地表裂缝裂隙因发生塌陷的周期较长,砂土填充到裂缝裂隙内,导致裂隙窄而小,漏风通道发育较差,因此漏风速率不大;与工作面距离较小的地表裂缝裂隙因工作面回采时间较短,顶板垮落完全,产生塌陷区的周期较短,产生大量的裂缝裂隙,且有的裂缝裂隙没有被砂土填埋,漏风通道发育良好,相互沟通,因此产生较大的漏风速率。

图7 季节变化时漏风速率与气体释放点工作面距离之间的变化规律

3.2 漏风治理措施

结合现场实际情况和实测结果发现,20100工作面地表裂隙漏风严重,导致工作面采空区存在自然发火危险,需要采取有效治理措施。

1) 为了应对不同季节期间温度和气压的变化,在工作面采空区实施均压通风安全技术措施,实时平衡采空区和对应地表之间的压差,保持采空区和对应地表之间压强相近或者相等,避免采空区进行“呼吸效应”,降低地表裂隙的漏风量。

2) 在工作面进、回风隅角处,结合季节变化特点实施针对性的封堵措施。春、秋两季地表裂隙漏风量不大,利用风筒布封堵工作面进、回风隅角;夏季因采空区和对应地表之间的压差小,地表裂隙存在微小的漏风,封堵措施可不实施;冬季因采空区和对应地表之间的压差大,地表裂隙漏风严重,在进、回风隅角处选用黄土垛袋砌墙进行封堵。

3) 在地表结合季节变化特点实施不同的裂隙填埋覆盖措施。春、秋两季在地面实施裂隙填埋覆盖,覆盖厚度超过地表0.5 m;夏季在地表实施填平裂隙即可;冬季因漏风大、压差高,在地表实施裂隙填埋覆盖,覆盖厚度超过地表1 m.同时定期指派地测和通风专业人员对地表裂隙进行巡查,发现裂缝裂隙第一时间报告调度,安排人员处理。

3.3 漏风效果检验

采取以上漏风治理措施后,在地面裂隙裂缝进行现场漏风效果检验,通过漏风风速测定,发现春、夏、秋、冬漏风速率、工作面对应地表的气压与采空区气压均明显减小,四个季节差值不明显,漏风速率波动区间为0.564～1.375 m/min,工作面对应地表的气压与采空区气压的压差变化区间为6.67～9.41 hPa,取得了良好漏风治理效果。

4 结 语

1) 不同季节时,20100工作面采空区和对应地表之间的温差、压差存在不同的变化规律:春、秋两季采空区和对应地表之间的温差、压差小,几乎无变化;冬季的温差、压差最大;夏季的温差、压差较小。

2) 现场实测结果发现:冬季地表与20100采空区之间发生严重的漏风,最大漏风速率平均值为8.294 m/min;夏季地表漏风减小,最大漏风速率平均值为6.923 m/min;春、秋两季漏风速率几乎一致。与工作面距离较小的地表产生较大的漏风速率。

3) 根据不同季节的变化特点采取防治漏风措施:在工作面采空区实施均压通风安全技术措施;对进、回风隅角实施针对性的封堵措施;对地表裂隙实施不同的填埋覆盖措施。