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精准测定采空区漏风方向和漏风风速技术研究

发表时间：2021/6/1 来源：《基层建设》2021年第2期作者：魏堃

[导读] 摘要：近年来我国综合国力的不断增强，工业的迅猛发展，涌现出大量的工业企业。

        开滦集团股份公司范各庄矿业分公司通风区河北唐山 063100
        摘要：近年来我国综合国力的不断增强，工业的迅猛发展，涌现出大量的工业企业。漏风是引发采空区事故的原因之一，可能导致煤柱的碎裂、产生火灾等危险，是威胁矿区安全生产的因素之一。我们一定要尽量无误差的监测漏风通道，根据实际情况的不同，采取差异化的办法来消除隐患。采空区里存在许多结构复杂的设备，都与漏风存在一定的关联。现场实地勘察监测后，确定示踪检漏技术可以很好的检测出漏风的情况，提供准确的数据支撑，对消除隐患起着重要意义。本文就精准测定采空区漏风方向和漏风风速技术展开探讨。
        关键词：采空区；漏风通道；检测技术
        引言
        煤层开采后形成的封闭采空区“看不见”、“摸不着”，属于矿井通风系统的一部分，与周边风流存在交换通道。由于采掘扰动和通风系统风流变化，往往形成较为稳定的漏风通道，此类漏风长期发展，极易诱发封闭采空区遗煤自燃。特别是边角煤开采回收的资源紧张矿井，各采区的封闭采空区连成一片，遗煤多，漏风通道多，自燃风险十分严峻。
        1回采工作面采空区漏风规律研究
        在矿区施工时一般使用通风的方式是抽出式，让地面和施工区域形成压强差产生风流。漏风风流利用这种压强差从地面缝隙进入，在通过采空区流向压强低的位置。由于采空区内有物质碎裂导致漏风的过程十分复杂，所以采空区介质量的多少和压强是确定漏风强度的重要原因。采空区内存在的介质整体松散，但还是具有刚性。所以可以使用多孔介质流动理论来研究采空区中漏风的周期。让研究变得相对简单，我们就对踩空进行一些假设：（1）介质整体松散按不变形考虑。（2）空气的密度不随环境和压强而变化。（3）把空气看做二元系统，拥有分子扩散系数。（4）空气中的成分彼此之间相对稳定、独立，并且不能相互产生反应。（5）空气的流动范围只在层流。因煤岩层性质及赋存条件复杂多变、采掘工艺及巷道布置方式不尽相同，采空区和许多地方是相同的，从而导致压强差产生漏风现象。当漏风的速度在一定的范围内，就会产生遗煤自燃的危险。采空区介质容易碎裂并且复杂，导致漏风稳定性极差，带给防护工作很大的挑战。从减小自燃危险的角度出发，应该控制风流始终在一个安全的范围内，各个区域之间能够快速的隔绝。在理论上是可以防止漏风来避免遗煤自燃的问题，但在现实情况中漏风是一定会发生的，我们要做的是努力减少漏风，把漏风的风速保持在遗煤自燃的安全数值范围内。
        2漏风通道识别方法
        封闭采空区是一个独立的小环境，它与周边通风系统通过一些节点相联，形成自身小环境与大通风系统的风流交换，这些节点是研究漏风通道和漏风趋势的关键。常见的关键节点主要为采空区封闭墙和采空区与周边巷道的围岩裂隙，前者的识别较为简单，其核心在于掌握封闭墙的漏风趋势，可以通过观测孔测量封闭墙内外压差，判别风流的流入流出状态及压差大小；后者的识别较为复杂，受巷道围岩变形和通风系统能位差综合影响，因此需要结合能位测定综合判断。风流流动趋势是从能位高的点流向能位低的点，一般能位差越大，漏风可能性越大。漏风通道识别时，首先要掌握封闭采空区周边通风系统风流流动情况，选择主要风流流动路线上的关键节点为测点，依次测定通风能位，画出能位差分布图，从封闭墙漏风状态和压差以及能位差较大点的围岩状态，综合识别漏风通道和漏风趋势。
        3采空区注氮能力的优化
        采空区注氮防治瓦斯爆炸的原理也是以爆炸三角形为基础，以控制爆炸三角形中的N2浓度作为整个工作的出发点。实质是N2作为一种被吸附率较低的气体，将其注入采空区或破碎煤体附近时，在自身的扩散、弥散和外加能量场(如漏风场等)的共同作用下，冲滞于破碎煤体周围而形成气－固相混合体，减少破碎煤体周边的O2含量，阻止或延长煤的氧化性能，对采空区浮煤实施“大高度、大范围”防火，切断爆炸必要的条件能力，最终防止采空区瓦斯爆炸。
        4通风能位测定技术
        矿井通风系统中风流流动的源动力是能位差，风流总是从能位高的地方流向能位低的地方，其中的能量消耗主要是通风阻力的作用。主通风机产生通风动力对空气做功，形成能位差，保证空气连续不断地流动。因此，通过能位测定，定量确定其数值，可作为识别漏风通道及趋势的依据。矿井通风系统中，两点之间能位差可由两点间的能量相减获得，依据能量守恒的Bernoulli方程可知，井下通风系统能位差可按（1）式计算

    （1）
        式中：Pb1、Pb2分别为1、2测点的静压，Pa；Pa1、Pa2分别为测定期间固定基点的静压，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分别1、2测点间的标高差，m；ρm121、2两测点间的空气平均密度，kg/m3。其中空气密度可按（2）式计算

（2）
式中：P为测得的大气压力，kPa；T为空气绝对温度，K；Φ为空气相对湿度；Psat为饱和水蒸汽压，kPa。方程（1）各项的物理意义为：Pb1-Pb2表示两测点之间的静压差；Pa2-Pa1表示测定时期的大气压的变化；

   表示两测点之间的动压差，gρm12z12表示
        5精准测定采空区漏风方向和漏风风速技术
        5.1接收点的确定
        用皮托管或测压仪器测定采空区周围巷道各地点压力，利用测定结果，决定气体释放点和接收点，压力高的地点做为释放点，压力低的地点做为接收点。
        5.2SF6气体释放距离
        用峰值浓度到达某点x0处的时间t0计算风速的误差不超过5%;但在后续的气胆取样测点浓度检测过程中，还是取SF6气体的平均浓度作为测点浓度更为合理。SF6气体释放点至取样点的距离L按式(3)确定:L≥32S/U=32×20/18=35m(3)式中，S为巷道的断面积;U为巷道周界长。
        5.3释放点的检测
        压力高的地点做为释放点，在该地点闭墙里通过注射方式，稳定释放SF6气体1h，流量为30L/min，释放后，在压力低的地点采用便携式SF6气体测定仪进行测定，若发现有SF6气体，可直接采用球胆进行气样采集，并记录采样地点和采样时间；若在指定检测点z循环时间为3天。为保证数据的准确性，采集完后的气样尽快送到井上实验室进行色谱分析。检测若发现压力低的地点有SF6气体说明，工作面采空区沟通，否则为未发生沟通；若没检测到SF6且闭墙内部检测到SF6说明闭墙密封完好。对检测到SF6的地点密闭墙进行加固堵漏。同时，根据释放点和接收点的距离、接收时间，可计算出采空区漏风风速。按照可检测各漏风地点堵漏效果，存在漏风按照上述方法进行处理，直至无法检测到SF6，说明漏风封堵有效。可以准确判断采空区漏风方向和漏风通道，采取堵漏措施后，能够实现不漏风，自然发火矿井可防止采空区自燃。
        结语
        采样点风量及示踪气体释放量与空气压力及温度等参数有关，计算取样点风量及示踪气体释放量时应对其进行修正。准确测定漏风地点的技术要针对传统判断采空区漏风凭经验、无法准确判断的缺陷，能够保证自然发火矿井准确测定漏风地点，保证堵漏效果，防止采空区自燃。
        参考文献
        [1]杨勇,史惠堂.应用示踪技术检测矿井采空区漏风[J].中国煤炭,2019,35(02):52-55.
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        [4]王奕博.抽采条件下采空区漏风对上隅角瓦斯积聚特性研究[D].西安科技大学,2019.
        [5]王红刚.采空区漏风流场与瓦斯运移的叠加方法研究[D].西安科技大学,2019.