冯 彬，吴禹默

(1. 大同煤矿集团 挖金湾虎龙沟煤业有限公司,山西 大同 037000;2. 辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院,辽宁 阜新 123000)

在煤层开采过程中,当煤层距离地面垂直距离较小时,采空区受到采动的影响会在采空区上方地面形成裂隙,造成地表塌陷,从而形成贯通地面与采空区之间的漏风通道。采空区存在的漏风通道升高了氧浓度,增加遗煤自燃的威胁,影响煤矿安全高效生产[1]。虎龙沟煤矿N1201工作面属于易自燃煤层,通过对其采空区地面漏风规律的研究,为工作面自燃灾害的预防提供借鉴。

1 矿井概况

虎龙沟煤矿地质构造简单。矿井现采用斜井开拓方式,综合机械化采煤,一次采全高；煤层属易自燃煤层,煤尘具有爆炸危险性；采用顶板自然垮落法管理顶板。

N1201工作面顺槽长度2 500 m,工作面倾角0°～1°,采用双柱掩护式液压支架支护,共173架支架。煤层平均厚度约4 m,煤层埋藏较浅,无地热危害,地温正常。煤尘爆炸指数38.5,有爆炸危险。瓦斯涌出量小,地压无异常。N1201工作面直接顶为细砂岩,老顶为粉砂岩-中细砂岩。

2 采空区地表裂隙沉降特性

1)根据虎龙沟煤矿现场观测,随着工作面的推进,地表出现塌陷,采空区上方地表出现多条裂缝。

2)虎龙沟煤矿煤层埋藏浅,顶板较软,在工作面推进过程中引起上覆岩层失稳,改变了原有应力状态,产生多处裂隙贯通采空区与地表,造成地表变形等威胁。

3)虎龙沟煤矿井田多为含砂丘陵地貌,采空区上覆岩层砂岩丰富,砂岩疏松透气,胶结程度低。在矿井强度开采过程中,受采动影响,采空区与地表贯通的裂隙不易压实,该地区气候干旱少雨多风,裂隙难以闭合,且裂隙纵横交错,为矿井通风管理带来障碍。

4)地表裂缝与塌陷破坏了大面积的植被生存条件,造成地表砂土松软,受风化影响大。

5)冬季气温低,地表空气密度较井下大,若矿井存在大面积漏风,地表与井下压差升高,影响采空区遗煤自燃程度[2]。虎龙沟煤矿地面裂隙程度见图1、图2。

3 采空区地表裂隙漏风规律

3.1 瞬时释放SF6技术

SF6气体无色无嗅,不溶于水,不易被井下材料吸附,是一种良好的负电性气体。SF6气体物理活性大,能迅速混合且均匀地分布在井下空气中。SF6气体易被检测,灵敏度高,释放操作简单,易于控制。因此，常被用来检测采空区的漏风和矿井漏风通道。

在采空区漏风测定中,常常采用脉冲释放法[3],即在地面裂隙处释放一定数量的SF6气体,同时在工作面回风隅角处预定采样点定时采集气样,在实验室利用电子捕获的气相色谱仪分析采集的气样中是否含有SF6，从而确定从释放到接收到SF6气体的时间。

3.2 采空区漏风测算

根据N1201工作面观测结果可知,工作面地表与井下回风隅角总压力差为ΔH,则

ΔH=pi+ρgh-p0=88 590+1.29×9.8×70-88 850=625 Pa .

(1)

式中:ΔH为工作面地表与井下回风隅角总压力差,Pa;pi为井下回风隅角大气压力,Pa;ρ为密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2;h为地表与井下回风隅角高度,m;p0为地表大气压力,Pa。

在工作面进风巷与回风巷分别稳定释放SF6气体10 min,释放流量2 ml/min,间隔释放时间5 min,然后在取样点取样进行实验室气体分析并根据下式计算风量值Q。

(2)

式中:Q为巷道风量值,m3/min;q为SF6气体释放流量,mL/min;c为实验室SF6气体分析浓度,%。经计算,进风巷风量值Q1=1 498 m3/min,回风巷风量值Q2=1 530 m3/min,地表漏风ΔQ=Q2-Q1=32 m3/min。

3.3 SF6测采空区漏风

利用释放SF6气体的方法进行采空区漏风测定,通过在地面裂隙处释放SF6气体,测得井下对应工作面回风隅角处检测出SF6气体所需时间,根据现场实际情况选定测点布置,见图3。

单位/mm图3 N1201 工作面SF6气体释放点及测点位置平面图Fig.3 SF6 gas releasing and measuring points on the N1201 working surface

由式(3)计算漏风速度v:

(3)

式中：v为漏风速度,m/s;L为释放点至检测点距离,m;Δt为从释放到接收到SF6气体的时间,s。7#测点未检测出SF6气体,其它各测点地表漏风速度如表1所示。

表1 地表漏风速度Table 1 Surface air leakage speed

3.4 采空区地表裂隙漏风分析

从表1可以看出,N1201工作面地表漏风有如下几个特点:

1)采空区存在大量的漏风通道,地表漏风速度平均在0.6 m/s。

2)通过地表向采空区的渗流是不均匀的。在进风侧地表裂隙的漏风比较严重,在回风侧地表裂隙的漏风很小。

3)6#测点距工作面50 m左右,漏风速度0.891 7 m/s,该处高度80 m,处于采空区塌陷边缘裂隙处,由此可推算裂隙角度为120°。

4)采空区中间位置由于地表砂土的流动性,随着顶板垮落空隙率变小,压实程度逐渐变高。

5)距离工作面较远的12#、13#测点漏风速度分别为0.576 5 m/s、0.301 6 m/s,即存在地表向下漏风,采空区内部存在漏风。

3.5 采空区地表漏风裂隙特点研究

等效水力隙宽反应了粗糙裂隙的气体渗流特性,等效水力隙宽bH公式[4-5]:

(4)

式中:μ为空气粘性系数,取1.789×10-5kg/(ms);γ为空气容重,取12.687 N/m3。把测试数据带入式(2),得到图4各测点等效水力隙宽柱形图[6]。

图4 各测点等效水力隙宽柱形图Fig.4 Equivalent hydraulic aperture of measuring points

可以看出: 6#、11#测点等效水力隙宽大于1 mm,裂隙发育,漏风严重;靠近工作面顺槽的释放点6#、9#、11#和12#等效水力隙宽较大,漏风速度较大,工作面进风侧遗煤自燃危险程度较高;等效水力隙宽大的位置呈条带状。

4 结束语

1)虎龙沟煤矿N1201工作煤层属于浅埋煤层,采空区上覆岩层裂隙发育,受采动影响,地表多裂缝、塌陷。虎龙沟煤矿井田多为含砂丘陵地貌,砂岩丰富,胶结程度低,裂隙不易压实闭合,造成矿井漏风程度高。

2)通过瞬时释放SF6气体技术测定采空区地表裂隙漏风规律,采空区存在大量的漏风通道,漏风严重;工作面采空区两侧的漏风比较通畅,进风侧地表漏风大于回风侧,中部漏风程度相对较弱;采空区内部仍存在漏风。

3)靠近工作面顺槽的位置漏风严重,表明工作面进风侧遗煤自燃危险程度较高。